П’єзоелектричний перетворювач механічних величин

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить п'єзоелемент з двома електродами, один з яких підключений до входу узго 34317 Кожна з вказаних відмінних ознак є необхідною, а всі разом - достатніми для досягнення технічного результату. Технічним результатом даного винаходу є підвищення точності виміру механічних величин. Саме таке виконання перетворювача забезпечує підвищення точності. Винахід пояснюється кресленнями, де: - на фіг. 1 показана електрична схема запропонованого перетворювача; - на фіг. 2 показана структурна схема запропонованого п'єзоелектричного перетворювача. Запропонований перетворювач складається з п'єзоелемента 1 з електродами 2, 3, 4 і 5, узгоджувального підсилювача заряду 6 і підсилювача напруги 7. Вхід підсилювача заряду 6 з'єднується з електродом 2, а загальний провід - з електродом 3. Вхід підсилювача напруги 7 з'єднаний з електродом 4, вихід - з електродом 5, загальний провід з електродом 3 п'єзоелемента 1. Перетворювач працює наступним чином. Перетворювач, зображений на фіг. 1 являє собою замкнуту статичну стежучу систему з паралельним від'ємним зворотним зв'язком (див., наприклад, Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. Л.: Энергия, 1971. - С.389-413). Проте відмінність запропонованого пристрою від відомих полягає в тому, що зворотний зв'язок вводиться не по вхідному впливу (тобто по механічній величині), а по електричній напрузі, яка вводиться за допомогою додаткового електрода. Це можливе тільки тому, що ви хідна напруга перетворювача залежить не тільки від механічної величини (прямий п'єзоефект), але і від вхідної електричної напруги (зворотний п'єзоефект). Структурна схема цього пристрою показана на Фіг. 2. Тут, ланка k1(p) відповідає перетворенню сили F у механічну напругу s, ланка k2(p) - перетворенню s в електричний заряд Q. Ланка k3(p) відповідає перетворенню заряду Q у ви хідну напругу Uвих у зарядовому підсилювачі 6, ланка k4(p) - перетворенню електричної, напруги U1 на електроді 4 у напругу U2 на виході підсилювача 7, k5(p) перетворенню електричної напруги U2 у механічну напругу в п'єзоелементі - s. Коефіцієнт передачі пристрою, зображеного на фіг. 1, при частотно-незалежному зворотному зв'язку: k 33 = k1 k2 ×k , 1 + k 2k 4k 5 3 (1) а відносної похибки: g 33 = g k1 + g k 3 + g k 2 1 1 + k 2k 4k 5 æ 1 - (g k 4 + g k 5 )ç 1 ç 1+ k k k 2 4 5 è ö ÷ ÷ ø . (2) На практиці gk1«g k2 , gk3«g k2 , gk4«g k2 , а gk2»gk5. При цих умовах вираз (2) спрощується до вигляду: g33 » g k 2 1 1 + k 2 k 4 k5 æ 1 - g k 2 ç1 ç 1+k k k è 2 4 5 ö ÷ ÷ ø , (3) Аналіз виразу (3) показує, що gзз®0 при k2k4k5 = 1 [9]. Тут К = к 2; b = к 4к 5. Приклад конкретного застосування. Був виготовлений п'єзоелектричний перетворювач прискорення (акселерометр) з дисковим п'єзоелементом діаметром 16 і товщиною 1 мм з п'єзокераміки ЦТС-23 з електродами на торцях диска. Додаткові електроди були виконані шляхом поділу електродів з обох торців диска на дві частини. Узгоджувальний підсилювач напруги був виконаний на двох транзисторах - КП201Е-1 і КТ315 з регульованим коефіцієнтом підсилення від 0 до 19. Вхідний опір підсилювача - 1,8 МОм. Підсилювач заряду був зібраний на мікросхемі К140УД8, конденсатор ємністю 1000 пФ, резистор опором 100 кОм. Перетворювач встановлювався на вібростенд 4805 фірми "Brüel & Kjer" і піддавався впливу вібрації на частоті 100 Гц з прискоренням 1 g. Потім перетворювач за допомогою спеціального нагрівача нагрівався до температури 50±3°С. Вимірювалася відносна похибка 8 при розімкнутому ланцюзі зворотного зв'язку (прототип) і з від'ємним зворотним зв'язком при K·b = 1. Результати вимірів: - прототип: d = 11,3%; - перетворювач, що пропонується, - 2,1%. 2 34317 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3