Пьезоэлектрический преобразователь /его варианты/

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«i>947?68 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 03. 07. 80 (21) 2950027/18-10

Р К з с присоединением заявки Р 2949983/18-10

С 01 P 15/09

Государственный комитет ссср но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 3(107-82. Бюллетень ¹ 28

Дата опубликования описания 30.07.82 (53) УДК 531. 768 (088. 8) (72) Авторы изобретения

О.П.Крамаров, М.В.Богуш и С.О.Крамаров

Ростовский ордена Трудового Красного Знам государственный университет (71) Заявитель (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОРАТЕЛЬ (ЕГО BAPHAHTH) 2

Изобретение отйосится к измерительной технике.

Известны пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собой плоский пьезоэлемент, выполненный из пьезокерамического материала в ви. де пластины, диска или кольца с электродами на больших поверхностях. В ряде конструкций пьезоэлементы, соединенные электрически последовательно или параллельно, собраны в пакет. В силоизмерительных датчиках пьезоэлемент или пакет пьезоэлементов размещены между корпусом и мембраной, передающей на них измеряемое усилие, а в акселерометрах — между корпусом и инерционной массой (lj.

Недостатком этих преобразователей является то, что из-за различия модулей упругости пьезоматериала и материала корпуса, мембраны или инерционной массы поперечные деформации пьезоэлемента затруднены. Это приво. дит к потере чувствительности пьезопреобразователя и всего датчика в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь, в котором пьезоэлемент размещен между-двумя прокладка- 30 ми, изготовленными из материала, модуль упругости которого не превышает модуля упругости пьезокерамики, например латуни. В этом случае стесненную поперечную деформацию испытывают прокладки, а не пьезоэлемент (2).

Недостатком этого преобразователя является то, что выигрыш в чувствительности преобра зователм, гюлучаемый таким методом, небольшой, так как коэффициент Пуассона всех сплошных тел не выше 0,5.

Цель изобретения — повышение рабочей чувствительности (коэффициента преобразования) пьезоэлектрического преобразователя.

Поставленная цель достиГается тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем пьезоэлемент, размещенный между двумя прокладками,последние изготовлены в виде гофрированных пластин.

Прокладки могут быть выполнены в виде металлической или стеклянной сетки.

Прокладки могут быть выполнены в виде плетеных сеток или мелких сводов, поставленных один подле другого, причем поперечная жесткость этих упругих тел ниже поперечной жесткости пьезо947768 элемента, а абсолютное значение относительной деформации вдоль плоскости контакта с пьезоэлементов к относительной деформации по толщине прокладки выше 0,5. упомянутые упругие тела под действием внешней силы имеют боль 5 шую поперечную деформацию, чем пьезо-, элемент. В результате этого на границе пьезоэлемент-прокладка появляются тангенциальные силы, а вместе с ними в объеме пьезоэлемента появляются по- 10 перечные механические напряжения, возбуждающие поперечный пьезоэффект и общий сигнал пьезоэлемента существенно увеличивается. Дополнительный сигнал, генерируемый поперечными механическими напряжениями тем выше, чем больше коэффициент Пуассоыд прокладки.

На чертеже приведена принципиальная конструкция предлагаемого преобразователя.

Предлагаемый преобразователь состоит из пьезоэлемента 1, расположенного между двумя гофрированными прокладками 2 (для получения больщого выигрыша в чувствительности гофрирование сделано в двух взаимоперпендикулярных направлениях).

Как показывает расчет, чувствительность ()/F силоизмерительного пьезопреобразователя, состоящего из пьезоэлемента, размещенного между двумя прокладками, зависит от соотношения упругих свойств материалов пьезоэлемента и прокладки.

-6к )и- и )к)((+ к)

3« „+ ) „(r rr)+(к+") и .-где Е к и Ъ.Е и Чи —: соответственно модули Юнга и коэффи- <р циенты Пуассо. на материалов пьезоэлемента и прокладкиу

Н и 2% толщины прок- 45 ладки и пьезоэлемента; — продольный и поперечный пьезомодули.

Если в преобразователе в качестве прокладок установить, например, оргстекло (Е i= 0,2 104 кгс/см, Vp — 0; 38), модуль упругости которого значительно ниже модуля упругости пье зокерамики, то чувствительность пьезойреобразователя дополнительно увеличится

d + 6 — — — (2)

Р ЪЪ + 34 (1 +Ч) так как E р (< Е„. 60

Анализ формулы (2} показывает, что существует возможность дальнейшего повышения чувствительности силоизмерительного пьезопреобразователя за счет вариации коэффициента Пуассона 65 прокладки. Однако для всех известнйх материалов Ч 0,5.

В предлагаемом преобразователе пьезоэлемент размещается между упругими конструкциями, поперечная жесткость которых ниже поперечной жесткости пьезоэлемента (член при d3q О) и .наряду с этим, абсолютное значение отношения относительной деформации вдоль плоскости контакта с пьезоэлементом к относительной деформации вдоль направления действия силы (аналог коэффициента Пуассона для сплошных тел} выше 0,5, например гофрированными пластинами или плетеными сетками или мелкими сводами, расположенными друг подле друга.

В этом случае член при d3q может быть увеличен более, чем в 3 раза и общая чувствительность преобразователя заметно возрастает.

Для пластины, гофрированной по одному из размеров, аналог коэффициента Пуассона М равен д = ctgd, где с(— половина угла гофрирования V в зависим ости от угла С .может изменяться в самых широких пределах от 0 доаС

Очевидно, что для таких конструкций, как концентрическая гофрированная пластина плетеная сетка, представляющая собой систему гофрированных проволочек, купола различной формы„ которые в сечении являются также гофрами, параметр можно изменять в широких пределах и,используя их в качестве прокладок, повышать чувствительность силоизмерительных пьезопреобразователей.

Достоинством прокладок в виде сеток является простота их изготовления, так как сетки выпускаются отечественной промышленностью. Монолитная гофрированная пластина более прочна, чем сетка. Перфорирование монолитной пластины облегчает ее гофрирование при изготовлении концентрических гофров, позволяет уменьшить угол гофра без разрушения пластинки.

Преимуществом прокладок в виде мелких куполов, поставленных один подле другого, является возможность с помощью набора однотипных куполов делать прокладки для любого типоразмера пьезоэлементов.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезоэлемент, расположенный между двумя прокладками,о тл.и ч а.ю щ.и и сятем,,что, с целью повышения рабочей чувствительности пьезопреобразователя, прокладки выполнены в виде гофрированных пластин

2. Преобразователь, содержащий пьезоэлемент, расположенный между двуМя прокладками, о т л и ч а ю

9477 68

Составитель H. àðàõîâñêàÿ

Техред Т. Маточка

Редактор Н.Гришанова

Корректор у. Пономаренко

Заказ 5625/68 Тираж 887

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4,шийся тем, что, с целью повышения рабочей чувствительности пьезопреобраэователя, прокладки выполнены в виде металлической или стеклянной сетки.

3 ° Преобразователь, содержаший пьезоэлемент, расположенный между двумя прокладками, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения рабочей чувствительности пьезойреобразователя, прокладки выполне-. ны в виде отдельных .мелких сводов, расположенных один подле другого °

Источники .информации, принятые во внимание при экспертизе

Иориш IO.Ê..Áèáðîìåòðèÿ. М., Гос. Науч. техн. изд-во машиностроит. лит-ры, 1963,.с. 563-.519.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 371517, .кл..G 01 Р 15/08, 1973

10 (прототип)