Способ измерения механического напряжения пьезоэлемента

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА, включающий измерение разности потенциалов на его электродах, по величине которой судят о напряжении, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения при статическом нагружении, измерение разности потенциалов производят периодически , причем в промежутках между измерениями снимают с электродов электрический заряд, результаты измерения алгебраически суммируют, а измерение разности потенциалов осуществляют с периодом, удовлетворяющим условию Т- RC, где R - суммарное сопротивление утеч i ки пьезоэлемента и входа из (Л мерительного устройства; С - суммарная электрическая емкость пьезоэлемента и входа измерительного устройства. 4 4;: 4 00 ОС

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5l)4 G 01 L 1/!6

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3652099/24-10 (22) 17. 10.83 (46) 30 .08.85. Бюл. Р 32 (72) Д.Л. Прокуданов, С.В. Павлов, К.А. Александров и 10.Г. Загуменнов (53) 531.781(088.8) (56) 1. Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред.

Новицкого П.В. — Л., "Энергия", 1979, с. 279.

2. Трофимов А.И. Пьезоэлектрические преобразователи статических нагрузок. — М., "Машиностроение", 1979, с. 22 (прототип), . (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА, включающий измерение разности потенциалов на его электродах, по величине которой судят о напряжении, о т„„Я0„„1144488 А л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения .точности измерения при статическом нагружении, измерение разности потенциалов производят периодически, причем в промежутках между измерениями снимают с электродов электрический заряд, результаты измерения алгебраически суммируют, а измерение разности потенциалов осуществляют с периодом, удовлетворяющим условию

gc gC где R — суммарное сопротивление утеч ки пьезоэлемента и входа измерительного устройства; л суммарная электрическая емкость пьезоэлемента и входа измерительного устройства, 1144488

1О

35

Т Rc

) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений пьезоэлемента, применяемого в качестве преобразователя усилия или давления в электри ческий сигнал при статических и квазистатических нагрузках.

Известен способ измерения механических напряжений пьезоэлемента по величине разности потенциалов на с его элек1родах (1) . В этом способе используется явлМйе прямого пьезоэффекта, т.е. появлейие разности потенциалов на электродах пьезоэлемента под действием приложенной нагрузки. Эта разность потенциалов пропорциональна механическому напряжению пьезоэлемента.

Основным недостатком этого способа является то, что одновремен- но с появлением электрической разности потенциалов на электродах пьезоэлемента, а следовательно, и накоплением определенного.количества зарядов в конденсаторе, образованном электродами пьезоэлемента, I происходит их утечка за счет электро. проводимости самого пьезоэлемента, измерительной цепи, ионизированного воздушного. или газового окружения пьезоэлемента и ряда других факторов. При этом точность будет тем выше, чем скоротечнее протекают процессы нагружения пьезоэлемента и соответственно тем ниже, чем медленнее эти процессы протекают. Это накладывает ограничение на использование этого способа при квазистатическом нагружении пьезоэлемента, невозможно применение его и при статическом нагружении. Для увеличения допустимого времени измерения при достаточной точности измерения необходимо большое электрическое сопротивление окружающей пьезоэлемент среды (газ, воздух, и т.п.) и входа устройства, измеряющего разность потенциалов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения механического напряжения пьезоэлемента, включающий измерение разности потенциалов на его электродах, по величине которой судят о напряжении j2) .

Основным недостатком данного способа является то, что точность изме. рения величины механических напряжений пьезоэлемента не остается величи ной постоянной в процессе изменения этих напряжений.

Максимальная точность измерений достигается тогда, когда частота электрических колебаний совпадает с частотой собственных колебаний пьезоэлемента. Частота электрических колебаний величина постоянная, она задается на весь период измерений.

Частота собственных колебаний пьезоэлемента может изменяться, так как она зависит от геометрических размеров пьезоэлемента, а они изменяются в зависимости от величины нагрузки, приложенной к пьезоэлементу.

О величине механических напряжений судят по величине амплитуды разности потенциалов на электродах пьезоэлемента, но эта величина изменяется с изменением резонансной частоты пьезоэлемента и зависит от акустических свойств окружающей среды, контакта пьезоэлемента с этой средой и ряда других факторов, которые зачастую трудно оценить.

Для повышения точности измерения данным способом прибегают к использованию специальных корректирующих, стабилизирующих и учитывающих изменение различных факторов устройств, создаются специальные уникальные,установки. Усложнение измерительной схемы вызывает дополнительные экономические затраты, усложняет обслуживание.

Цель изобретения — повышение точности измерения при статическом нагружении.

Цель достигается тем, что в способе измерения механического напряжения пьезоэлемента, включающем измерение разности Потенциалов на

его электродах, по величине которой судят о напряжении, измерение разности потенциалов производят периодически, причем в промежутках между измерениями снимают с электродов электрический заряд, результаты измерений алгебраически суммируют, а измерение разности потенциалов осуществляют с периодом, удовлетворяющим условию

3 1 где R — - суммарное сопротивление утечки пьезоэлемента и входа измерительного устройства;

С вЂ” суммарная электрическая емкость пьезоэлемента и входа измерительного устройства.

Устройство, реализующее способ, представлено на чертеже.

К пьезоэлементу 1 прикладывается нагрузка, его электроды 2 подсоединены к измерительному устройству 3 (вольтметру), измеренная величина передается на сумматор 4, к электродам 2 подсоединен ключ 5, управляю,щий генератор тактовых импульсов 6 подключен к ключу 5, сумматору 4, измерительному устройству 3.

Производилось измерение механического напряжения пьезоэлемента, вызываемого приложенной к пьезоэлементу внешней силой,.изменявшейся в диапазоне от 0 до 100 Н, для чего пьезоэлемент 1, представляющий собой цилиндр из пьезокерамики

ЦТС-19 диаметром и высотой 10 мм с нанесенными на торцовые поверхности серебряными электродами 2, через вспомогательное приспособление нагружался грузами массой по 1 кг каждый. Нагружение производилось постепенно. Через каждые 30 мин добавлялся груз массой 1 кг. По достижении усилия 100 Н производилась постепенная разгрузка, т.е. через каждые 30 мин убирался груз массой

1 кг. Возникающая при этом на электродах пьезоэлемента вследствие прямого пьезоэффекта разность потенциалов измерялась цифровым электронным вольтметром 3 типа В7-16.

Результат измерения в двоичном коде с выходного разъема вольтметра 3 поступал на вход сумматора 4, роль которого выполняла ЭВГ1 Д3-28..

По окончании цикла (периода) измерения, минимальная длительность кото рого составляет 2 мс и определяется параметрами вольтметра, производилось снятие зарядов.с электродов пьезоэлемента путем замыкания транзисторного ключа на транзисторе

144488 4

КТЗ102А, подключенного параллельно электродам 2 пьезоэлемента (коллектор к одному электроду, эмиттер — к другому). Ключ замыкался положительным электрическим импульсом амплитудой 3,5 В и длительностью 10 мкс, вырабатываемым генератором 6 типа

Г5-66 и поступающим на базу транзистора. Этот же импульс поступал на

1Î вход управления ЭВМ 4 и служил командой для проведения суммирования.

3BN производила алгебраическое суммирование полученных в данном цикле результатов измерения разности потенциалов на электродах пьезоэлемента с результатами измерения в предьдущих циклах и индицировала сумму на своем индикаторе. Этот же импульс является импульсом запуска вольтметра, т.е.,служит началом нового цикла.

Время снятия с электродов пьезоэлемента электрического заряда должно быть, как минимум, на два порядка

25 меньше периода 7, в течение которого осуществляют измерение разности потенциалов.

Каждая измеренная дискретная величина разности потенциалов суммируется с предьдущими значениями разности .потенциалов. По суммарному значению величины разности потенциалов определяют величину и направление механического напряжения пьезоэлемента.

По сравнению со способом-прототипом, где погрешность измерений зави-. сит от многих факторов-величины деформации пьезоэлемента, акустическо40 ro контакта с окружающей средой, стабильности частоты возбуждающих колебаний- и неодинакова в процессе измерений, в предлагаемом способе погрешность измерений сохраняется оди4 наховой во всем интервале измеряемых напряжений. Эту погрешность можно отнести к разряду систематической погрешности и практически полностью исключить коррекцией шкалы, в результате чего повышается точность измерения.