Трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик
Изобретение относится к области ультразвукового моделирования сейсмических волновых явлений, контрольноизмерительной технике и может быть использовано при акустическом каротаже скважин, а также в ульразвуковой дефектоскопии. Цель - упрощение датчика, повьпцение его надежности и уменьшение затрат на его производство . Цель достигается изготовлением преобразователя 1 путем склейки трех одинаковых пьезокерамических призм по соседним граням с двугранными углами 120 . Электроды 4.1-4.3 напылены по торцам призм и соединены посредством усилителей, фазоинверторов, делителей и сумматоров так, что смещение конца чувствительного элемента по данной оси вызьтает появление сигнала только на выходе данного сумматора . При этом оказывается достаточным применение трех призм, что упрощает конструкцию и изготовление датчика и повышает его надежность. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН д1> 4 С 01 V 1/16
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ASTOPCHOM Jj СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО делАм изОБР =тений и ОткРытий (21) 4043406/31-25 (22) 17.02,86 (46) 15.06.88, Бюл. 11- 22 (71) Институт геологии и геофизики им.60-летия Союза ССР СО АН СССР (?2) Б А,Бобров (53) 550.834 (088.8) (56) Боканенко Л.И. Ультразвуковой датчик с биморфным пьезоэлементом.
Изд. АН СССР, сер.Физ.Земли, 1966, N- 1, с. 68.
Авторское свидетельство СССР
Р 1190325, кл. G 01 V 1/16, 1984. (54) ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК (57) Изобретение относится к области ультразвукового моделирования сейсмических волновых явлений, контрольноизмерительной технике и может быть
„„SU„„1402986 А 1 использовано при акустическом каротаже скважин, а также в ульразвуковой дефектоскопии. Цель упрощение датчика, повышение его надежности и уменьшение затрат на его производство. Цель достигается изготовлением преобразователя 1 путем склейки трех одинаковых пьезокерамических призм по соседним граням с двугранными уга лами 120 . Электроды 4.1-4.3 напылены по торцам призм и соединены посредством усилителей, фаз оинверторов, делителей и сумматоров так, что смещение конца чувствительного элемента по данной оси вызывает появление сигнала только на выходе данного сумматора. При этом оказывается достаточным применение трех призм, что упрощает конструкцию и изготовление дат- чика и повышает его надежность, 2 ил.
4.1 4,9) 9
Изобретение относится к ультразвуковому моделированию сейсмических волновых явлений, контрольно-измерительной технике и может быть исполь-, зовано при акустическом каротаже скважин, а также в ультразвуковой дефектоскопии.
Целью изобретения является упрощение датчика, .повышение его надежности и уменьшение затрат на его производство.
На фиг.1 показан трехкомпонентный датчик, общий вид; на фиг.2 — схема преобразователя электрических сигналов для одновременной регистрации трех компонент °
Датчик 1 содержит три одинаковые и поляризованные в одном направлении пьезокерамические призмы 2, которые выполнены с сечением, например, в виде равнобедренного треугольника, 1/3 круга или ромба и соединены между собой по двум граням так, что каждая призма дважды является обкладкой биморфа. На торцовые поверхности призм нанесены электроды 3 и 4.1
4.3. Пьезокерамические призмы соединены между собой с помощью клея с малой диэлектрической проницаемостью, электроды 3 заземлены, а выводыэлектродов 4.1-4.3 подключены к преобразователю 5 сигналов (ПС).
Преобразователь 5 сигналов состоит из усилителей 6 ° 1-6.3, фазоинверторов 7.1-7.3, делителей 8.1-8.2, сумматоров 9.1-9.3.
Составные части ПС выполняют функции усилитель: U,„„=K UeÄ, фаз оинвеРтоР 3 Ueb x = Uex 9
Ueb,х 1/2Uex 9 сумматор: Uewx =Uex, +Uex +Usx» где U „— напряжение на входе элемента ПС;
U напряжение на выходе элемента ПС;
К - коэффициент усиления усилителей по напряжению;
Uex, 9
ПЕх 9
П „, — напряжение на соответствующем входе сумматора.
Сигнал с каждого из электродов
4;1-4 ° 3 поступает на вход ПС, сигналы на выходе которого (это следует из схемы) преобразованы следующим образом:
К(4,(4, 4,3) 9
02986 2
uÄ=x(u,,— - (п„-и,, )1, 5 где U;(i=x,у,z) — напряжение на выходе ПС, пропорциональное х-,y-, z-компонентам коле10 6аний;
U; (i=4. 1, 4. 2, 4. 3) — напряжение на i-м электроде датчика.
Смещение каждой призмы 2 датчика вызывает появление электрического заряда на электродах, сигнал от которых поступает на вход усилителей
6.1-6 ° 3, к выходу каждого из которых подключены фазоинверторы 7. 1-7.3.
20 Суммирование (или вычитание) сигналов осуществляется подключением прямого (или инверсного) выходов к сумматорам 9.1-9.3.
Для пояснения работы датчика. но25 следовательно рассмотрим случаи, когда на торец (где расположены электроды 3) действуют поочередно компоненты смещения („,, одинаковой амплитуды в системе координат, 30 .показанной на фиг.1. Под действием („ пьезоэлемент будет изогнут в плоскости z», на электроде 4.3 за счет растяжения появится положительный заряд (+Q), а на электродах 4.1 и
4.2 — отрицательные заряды (-Q/2), при изгибных колебаниях среднее изменение длины всего пьезоэлемента равно нулю и, следовательно, суммарный заряд на всех поверхностях электро40,цов равен нулю. Напряжение на электродах относительно заземленных электродов равно:
U4 =04 =-Я/2С, U4 >=Я/С
45 (С - емкость отдельной призмы пьезоэлемента). В этом случае на выходе
ПС напряжение будет равно:
U =0; U =0; U„=1.5 К Q/C.
50 z 9 1 9 х е
Под действием (пьезоэлемент бу1 дет изогнут в плоскости z, на электродах 4.1 за счет растяжения появится заряд (+Q ), на 4,2 за счет сжа55 тия — заряд (-Q ), на 4.3 за счет того, что в среднем длина призмы не изменится, заряд будет равным нулю, т.е.
1402986
4), фазоинверторов (до 3, в прототипе до 4) и использование сумматоров с тремя входами (в прототипе исполь5 зуются сумматоры с 4 входами) приводит к повышению надежности устройства и уменьшению затрат на его производство и, следовательно, П,=о; П„=О, U„=гК Q !Ñ.
В случае, когда действует смещение, все призмы датчика будут сжаты вдоль оси z, а на всех электричес- 10 Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я ких контактах 4.1-4.3 появятся отриИ цательные заряды (-Q ), т.е. цх 0э Ц 0э цг=3К Я /С.
Из приведенного анализа следует, что в случае действия на торец датчика смещения с произвольными компонентами напряжение на выходе ПС пропорционально:
Ug э » х ю
Чувствительность датчика к компонентам смещений зависит от формы ос- 25 нования призм и от отношения поперечных размеров пьезоэлемента к его высоте, а коррекция чувствительности к (» ((колебаниям осуществляется измененйем коэффициентов последующея Пхэ Ut1 U<
Таким образом, вследствие изменения конструкции пьезоэлемента уменьшается количество склеивающихся сторон и число пьезокерамических элемен35 ,тов в датчике до трех (в прототипе до.четырех), что приводит к повышению надежности датчика по отношению к механическим нагрузкам. Уменьшение чис.ла усилителей (до 3, в прототипе до 40
Трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик, содержащий чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлементов, выполненных в виде идентичных призм и соединенных механически по парно по двум граням с электродами по торцовым граням, один электрод которых заземпен, а каждый другой подключен к и щивьщуальному измерительному каналу, состоящему из последевательно соединенных усилителя и фазоинвертора и соответствующего сумматора х,y,z-компонент колебаний, при этом выходы фазоинвврторов соединены с сумматором z-компоненты колебаний, отличающийся тем, что, с целью упрощения датчика и повышения его надежности, в измерительный канал х-компоненты введены деЛители, а чувствительный элемент выполнен из пьезоэлементов, грани которых расно ложены под углом в 120, при этом выходы первого усилителя и второго. фазоинвертора соединены с сумматором у-компоненты, а выход третьего. усилителя, выходы делителей, к выходам которых присоединены выходы первого и второго фазоинверторов, соединены с сумматором х-компоненты.
1402986
1402986
Составитель М.Спасский
Техред М.Дидык
Корр ект ор A. Обручар
Редактор А.Маковская
Заказ 2855/36 Тираж 522 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
1130359 Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5, Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4
