ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗГИБНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в качестве чувствительного элемента датчиков вибрации и акустического давления.
Известен пьезоэлектрический преобразователь с биморфным пьезоэлементом, использующим деформации изгиба [1]. Преобразователь содержит: две сигнальные пьезокерамические пластины, склеенные между собой. На поверхности пьезокерамических пластин нанесены электроды. Под механическим воздействием, в направлении перпендикулярном плоскости пьезокерамических пластин, в пьезокерамических пластинах возникают деформации изгиба, что приводит к генерации электрического заряда на электродах. Однако если воздействие механического сигнала, происходит вдоль продольной оси плоскости пьезокерамических пластин, то деформации изгиба не возникают и, следовательно, генерация электрического заряда на электродах пьезокерамических пластин не происходит. Таким образом, пьезоэлектрический изгибный преобразователь имеет малую поперечную чувствительность и высокую чувствительность к вибрации и давлению в направлении перпендикулярном к плоскости пьезокерамических пластин. Повышение чувствительности пьезоэлектрического изгибного преобразователя позволит измерять малые сигналы с большей точностью.
Известны пьезоэлектрические преобразователи, двухслойная конструкция которых выполнена путем диффузионной сварки по серебряному покрытию, что обеспечивает широкий температурный диапазон работы датчиков и низкий разброс по чувствительности преобразователя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели аналогом является пьезоэлектрический изгибный преобразователь [2], принимаемый за прототип, который содержит две включенные параллельно сигнальные пьезокерамические пластины и две включенные последовательно пассивные пьезокерамические пластины, поляризованные в противоположных направлениях и размещенные между включенными параллельно пьезокерамическими пластинами. На поверхностях пьезокерамических пластин нанесены электроды. Пьезокерамические пластины жестко соединены между собой клеевым соединением или диффузионной сваркой. При этом средняя линия деформации изгиба проходит в теле пластин, соединенных электрически последовательно.
Известный преобразователь обеспечивает низкий разброс по коэффициенту преобразования, но при этом имеет низкую чувствительность.
Указанный недостаток обусловлен тем, что при закреплении преобразователя в металлический корпус конкретного датчика путем соединения с основанием в преобразователе возникают механические напряжения, обусловленные воздействием измеряемого сигнала, величина которых изменяется от центра к области соединения. При этом в районе соединения механические напряжения изменяют знак, что приводит к генерированию зарядов противоположной полярности относительно центральной области. Следовательно, в преобразователе в активной области происходит компенсация зарядов, что приводит к уменьшению чувствительности.
Заявляемый в качестве полезной модели пьезоэлектрический изгибный преобразователь позволяет устранить этот недостаток и увеличить чувствительность за счет исключения компенсации зарядов в активной области преобразователя.
c
n
Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь, содержащий две сигнальные пьезокерамические пластины, между которыми расположена пассивная пьезокерамическая пластина, на поверхности пьезокерамических пластин нанесены электроды, сигнальные пьезокерамические пластины электрически параллельно соединены между собой и с выходными клеммами преобразователя, электроды пассивной пьезокерамической пластины короткозамкнуты и подключены к выходными клеммам преобразователя, диаметр пассивной пьезокерамической пластины больше диаметра сигнальных пьезокерамических пластин, пассивная пьезокерамическая пластина своими концами на нижней плоскости жестко соединена с основанием, причем радиус сигнальных пластин R связан с внутренним радиусом основания R соотношением:
n
c
n
0,65 R≤R≤0,9 R,
c
где R - радиус сигнальных пьезокерамических пластин,
n
R - внутренний радиус основания.
Такие конструктивные изменения устраняют основной недостаток прототипа - наличие разнополярных механических напряжений, обусловленных влиянием места закрепления на распределение механических напряжений в теле сигнальных пьезокерамических пластин.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
На фигуре приведен схематический чертеж поперечного сечения пьезоэлектрического изгибного преобразователя.
c
n
В таблице приведена зависимость чувствительности М преобразователя, в мВ/Па от отношения радиуса R сигнальных пьезокерамических пластин к внутреннему радиусу R основания.
c
n
Пьезоэлектрический изгибный преобразователь, содержит две сигнальные пьезокерамические пластины 1, 2, между которыми расположена пассивная пьезокерамическая пластина 3, на поверхности пьезокерамических пластин 1, 2, 3 нанесены электроды 4 5, 6, 7, 8, 9. Сигнальные пьезокерамические пластины 1, 2 электрически параллельно соединены между собой и с выходными клеммами 10 пьезоэлектрического изгибного преобразователя. Электроды пассивной пьезокерамической пластины 3 короткозамкнуты и подключены к выходными клеммам 10 пьезоэлектрического изгибного преобразователя. Пассивная пьезокерамическая пластина 3 своими концами жестко соединена с основанием 11. Радиус R сигнальных пластин 1, 2 связан с внутренним радиусом R основания 11 соотношением:
n
c
n
0,65 R≤R≤0,9 R
c
где R - радиус сигнальных пьезокерамических пластин,
n
R - внутренний радиус основания.
При воздействии на пьезоэлектрический изгибный преобразователь переменной механической силы, пьезокерамические пластины 1, 2, 3 изгибаются, в результате на электродах 4, 5, 8, 9, сигнальных пьезокерамических пластин 1, 2 возникает разность потенциалов, которая пропорциональна величине воздействующей силы, то есть на выходе пьезоэлектрического преобразователя 10 появляется электрический сигнал, поступающий на вход измерительной системы. Пассивная пьезокерамическая пластина 3, как и в преобразователе-прототипе обеспечивает две функции:
- расположение сигнальных пластин в зоне максимальных механических напряжений, т.е. повышает чувствительность;
- выполняет роль токосъемника и обеспечивает возможность снятия электрического сигнала с соприкасаемого с ней электрода 5, 8 сигнальных пластин 1, 2.
Отрицательные механические напряжения, возникающие в объеме пьезокерамики в области ее жесткого закрепления к основанию 11, остаются в пассивной пластине 3, что приводит к повышению чувствительности.
Проведенные сравнительные испытания преобразователя с различными сигнальными пластинами позволили определить оптимальные размеры сигнальных пластин 1, 2.
Как видно из таблицы оптимальный диапазон чувствительности преобразователя составляет 2,1-2,3 мВ/Па, что достигается при соотношении размеров:
n
c
n
0,65 R≤R≤0,9 R
c
где R - радиус сигнальной пластины, - внутренней радиус основания.
По сравнению с прототипом, заявляемый изгибный преобразователь имеет оптимальный диапазон 2,1-2,3 мВ/Па, что позволяет измерять малые сигналы с большей точностью.
Источники информации:
1 Кузнецов А.А. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики - М.: Энергия, 197, с 27-28
2 RU 2212736 МПК 7 «Пьезоэлектрический изгибный преобразователь» 2001.11.12
c
n
Зависимость чувствительности преобразователя от отношения радиуса R сигнальных пьезокерамических пластин, и внутреннего радиуся R основания.
Таблица
М, мВ/Па
0,85
1,05
1,5
1,8
2,1
2,3
2,3
2,2
0,9
R<sub>c</sub>/R<sub>n</sub>
0,3
0,4
0,5
0,6
0,65
0,7
0,8
0,9
0,95