Биморфный преобразователь

 

БИМОРФНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ,, соде жаций две соединенные, между собой пьезопластины, электрические оси которых параллельны, прямоугольные внутренний и четыре одинаковых внешних электрода, расположенные параллельно внутреннег гу электроду попарно на противоположных поверхностях , причем разделякяцие их токонепроводяцие промежутки одинаковы и расположены один над другим, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения силы, внутренний электрод разделен на две равные части токонепроводящим промежутком , расположенным симметрично токонепроводящим промежуткам внешних электродов , при этом каждая часть внутреннего электрода электрически соединена с двумя внешними электродами, расположенными на противоположных частях пьезопластин.. S сл :о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СС В«Л

РЕСПУБЛИК (19) (И) 3(5)) Н 04 R 1 0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ "-- :::* .; l (21) 3395013/18-10 (22) 01.02.82 (46) 07.12.83. Бюл. 9 45 (72) А.Ф.Терещенко (53) 534. 232 (088. 8) (56) 1. Туричин A.M ° Электрические измерения неэлектрических величин.

М.-Л., 1966, с. 61.

2. Патент США Р 3603921, кл. 340-10, 1971 (прототип). (54) (57) Б1(МОРФНЫЙ ПРЕОБРАЭОВАТЕ31Ь, содержащий две соединенные между собой пьезопластины, электрические оси которых параллельны, прямоуголь-. ные внутренний и четыре одинаковых внешних электрода, расположенные параллельно внутреннему электроду попарно.на противоположных йоверхностях, причем разделяющие их токонепроводяцие промежутки одинаковы и расположены один над другим, о т л и ч аю ц и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения силы, внутренний электрод разделен на две равные части токонепроводящим промежутком, расположенным симметрично токонепроводяцим промежуткам внешних электродов, при этом каждая часть внутреннего электрода электрически соединена с двумя внешними электродами, расположенными на противоположных частях пьезопластин. PQ

1059707

Недостатком данных пьезопреобраэователей является нестабильность коэффициента преобразования консольно прикладываемой силы в электрический сигнал при вариациях точки ее приложения.

Наиболее близким по технической

20 сущности к предлагаемому является би. морфный пьезопреобраэователь, содержащии две соединенные вместе прямоугольные одинаково ориентированные пьезопластины, снабженные внутренним электродом и двумя внешними электродами, нанесенными на широкие грани пвезопластин по.всей поверхности эа исключением двух узких промежутков, расположенных один против другого и разделяющих каждый из внешних, электродов на две части (2) .

Однако зависимость коэффициента

30 преобразования консольно прикладывае-35 мой силы в электрический сигнал при ,смещении места приложения силы на продольной оси преобразователя приводит к низкой точности измерения сил.

Цель изобретения — повышение точности измерения консольно прикладываемой к биморфноиу пьезопреобраэователю силы при вариациях точки ее приложения.

45

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе, содержащем две соединенные между собой пьезопластины, электрические оси которых параллельны, прямоугольные внутренний и четыре одинаковых внешних электрода, попарно расположенные параллельно внутреннему электроду на противоположных поверхностях, причем разделяющие их токонепроводящие про50

55 межутки одинаковы, и расположены один над другим, внутренний электрод разделен на две равные части токонепроводящим промежутком, расположенным симметрично токонепроводящим промежуткам внешних электродов, при этом каждая часть внутреннего -электрода электрически соединена с двумя внешними электродами, расположенными на

60 противоположных частях пьезопластин.

Изобретение относится к пьезоэЛектрическим преобразователям, предназначенным, в частности, для измерения механических сил или массы предмета.

Известны биморфные пьеэопреобразователи, содержащие две соединенные вместе пластины из пьезоэлектрика (в дальнейшем, пьезопластины) с одинако-, вой ориентацией кристаллографических, осеи или одинаковой поляризацией, снабженные внутренним и двумя внешни- 30 ми электродами, нанесенными по всей поверхности широких граней пьезопластин j1) .

На фиг.1 представлен биморфный пьезопреобразователь,общий вид,в разрезе; на фиг. 2 — то же, вид сверху.

Биморфный пьезопреобразователь содержит две соединенные вместе прямоугольные пьезопластины 1 и 2 с нанесенными электродами. Пьезопластины представляют собой, в частности, срезы кварца с параллельным направлением их кристаллографических осей, причем длина пьезопластины совпадает с механической осью кристалла, ширина - с оптической, а толщина — с электрической осью, имеющей, например, положительное направление от пластины 2 к пластине 1.При изготовлении пластин из поляризованной керамики указанное направление имеет поляризация каждой пьезопластины в преобразователе.

Пьезопластины снабжены двумя группами (секциями) электродов прямо" угольной формы, расположенных симметрично относительно продольной оси.

Первую группу электродов составляет внутренний электрод 3 и два внешних электрода 4 и 5, нанесенных на главные грани пьезопластин один напротив другого. Вторую группу электродов составляют внутренний электрод б и два внешних электрода 7 и 8, нанесенных на главные поверхности пьезопластин один напротив другого. Внешние электроды 4, 5, 7 и 8 имеют одинаковые размеры по длине и ширине. Электроды 3-8 разделены токонепроводящими промежутками 9, 10 и 11, имеющими одинаковую длину и ширину и расположенными один против другого в направлении, перпендикулярном широким граням пьезопреобразователя. Внутренние электроды 3 и б могут не доходить до краев пьезопластин на каждом конце пьезопреобразователя с образованием, тем самым, токонепроводящих промежут= ков 12 и 13 ° Кроме того, длина электрода 3 может отличаться от длины электрода 6.

Электроды 4, 5, 7 и 8 вместе с токонепроводящими промежутками 9 и

11 занимают центральную доминирующую по.длине часть пьезопреобразователя. Свободные от электродов концевые участки пьезопреобразователя являются местом приложения изме. ряемых сил или взвешиваемых предметов (например, на правом конце) и посадочным местом для закрепления преобразователя (соответственно, его левого конца) в неподвижной опо-! ре - корпусе. датчика. . Промежутки 9-11, а также промежутки 12 и 13 между пластинами заполнены электроизоляционным материалом (в частности, клеем), близким по механическим свойствам и температурному коэффициенту линейного рас1059707

70! б

ВНИИПИ Заказ 9860/60 Тираж 677 Подписное

Филиал ППП "Патент"., г.ужгород,ул.Проектная,4 ширения к материалу пьезопластин 1 и

2. Кроме того, на внешние концевые участки пьезопластин 1 и 2, свободные от электродов 4, 5, 7 и 8, могут быть нанесены покрытия из электроизоляционного материала заподлицо с

5 наружной поверхностью внешних электродов 4 и 7 с получением пьезопреобразователя в форме правильного прямо.I

;угольного параллелепипеда. В целом пьезопластины с нанесенными электро1дами и электроиэоляционным наполнителем благодаря применению напыления (химического осаждения), пайки и склеивания жестко соединены между собой и образуют монолитную неразъем-15 ную структуру.

Все электроды 3-8 снабжены индивидуальными металлическими выводами

14-19, предназначенными для подключения пьезопреобразователя к злект- 7О рической схеме измерительного прибора, При этом металлические выводы

14-19 образуют два выходных узла (зажима) 20 и 21. B узел 20 соединены выводы 15 и 16 от -внешних элек- 75 тродов 4 и 5 первои секции преобразователя и вывод 17 от внутреннего электрода 6 второй секции преобразователя. В узел 21 соединены металлические выводы 18 и 19 от внешних электродов 7 и 8 второй секции пьезопреобразователя и вывод 14 от внутреннего электрода 3 первой секции.

Пьезопреобразователь работает следующим образом.

Закрепленный с помощью клея или винтов в корпусе датчика пьезопреобразователь изгибается под действием собственного веса, в результате чего на его электродах и на зажимах 20 и

21 появляются электрические заряды, 4О не имеющие информационного значения.

Поэтому в исходном положении осуществляется нейтрализация этих зарядов с помощью, например, кратковременного замыкания проводником зажимов 20 45 и 21.

Под воздействием измеряемой силы приложенной на силоприемиом участке преобразователя в направлении от пластины 1 к пластине 2, происходит изгиб пластин, при котором слои пластины 1 испытывают деформации растяжения, а слои пластины 2 — деформации сжатия. В результате этого происходит поляризация пьезопластин, причев4 вектор поляризации имеет величину, пропорциональную расстоянию текущего сечения пластины от точки приложения силы, и направлен в каждой пластине перпендикулярно их главным .граням от внутреннего слоя к наружным слоям. Величина суммарных зарядов на электродах 4 и 5 первой секции, как наиболее удаленной от точки приложения силы, превышает величину зарядов на электродах 7 и 8 второй секции, причем разность этих зарядов оказывается пропорциональной действующей силе и расстоянию между серЕ- . динами внешних электродов двух секций и не зависит от места приложения силы на силоприемном участке пьезопреобразователя. .Выходной зарядЯ и„ пьезопреобразователя определяется выражением

Выражение показывает, что выходной электрический заряд не зависит от места прило;„.ения силы F (d пьезомодуль; (— длина электрода 7, 4, 5, 8, о — размер токонепроводящего промежутка между электродами h толщина преобразователя ).

Использование предлагаемого биморфного пьезопреобразователя по сравнению с известными пьезоэлектрически-. ми биморфными датчиками обеспечивает повышение точности измерения силы или массы взвешиваемого предмета при ва- . риациях точки ее приложения на силоприемном участке пьезопреобразова теля.