П’єзоелектричний перетворювач механічних величин

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить узгоджувальний підсилювач напруги і п'єзоелемент з трьома електродами, які розташовані на двох протилежних гранях п'єзоелемента, один з яких підключений до вхо ду узгоджувального підсилювача, другий - до загального проводу, а третій - до виходу узгоджувального підсилювача, причому добуток коефіцієнта перетворення ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком, на коефіцієнт перетворення ланцюга зворотного зв'язку β дорівнює одиниці, який відрізняється тим, що електрод, який розташований на одній з граней п'єзоелемента, підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги, а електроди, які розташовані на другій грані п'єзоелемента, підключені до виходу узгоджувального підсилювача і до загального проводу схеми. Ю (13) 40811 (11) UA рис.6.6,а, 6.6,6, 6.6,в, а также Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители, Справочник по теории и эксплуатации, "Brüel & Kjer", 2850 Нэрум, Дания, 1987). Недоліком цього перетворювача є порівняно невисока точність виміру, яка обумовлена нестабільністю п'єзомодуля матеріалу п'єзоелемента під дією дестабілізуючих факторів. Відомий також п'єзоелектричний перетворювач механічних величин за заявкою на патент України №99063571 від 24.06.99, що містить п'єзоелемент з трьома електродами, розташованими з двох протилежних гранів п'єзоелемента, узгоджувальний підсилювач заряду та узгоджувальний підсилювача напруги, причому входи підсилювача заряду і підсилювача напруги підключені до одного з двох електродів, що знаходиться на першій грані п'єзоелемента, вихід підсилювача напруги підключений до другого електрода тієї ж грані, а електрод на другій грані п'єзоелемента підключений до загального проводу схеми. Недоліком цього перетворювача є порівняно невисока точність виміру, що обумовлена залежністю коефіцієнта перетворення в ланцюзі зворотного зв'язку від частоти. Вказаний перетворювач найбільше близький по технічній сутності і вибраний в якості прототипу. В основу винаходу поставлена задача удосконалення п'єзоелектричного перетворювача механічних величин шляхом зміни схеми підключен (19) Винахід належить до вимірювальної техніки, зокрема, до п'єзоелектричних перетворювачів зусиль, тисків і прискорень. Відомий п'єзоелектричний перетворювач, що включає один або декілька п'єзоелементів, узгоджувальний підсилювач (див. Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, Л.: Энергия, 1975, стр. 279-284, рис.11-8, 11-9, 11-10, 11-11; а также стр.237, рис.8-12). Недоліком цього перетворювача є порівняно невисока точність виміру, яка обумовлена нестабільністю п'єзомодуля матеріалу п'єзоелемента під дією дестабілізуючих факторів. Відомий також п'єзоелектричний перетворювач, що містить п'єзоелемент з двома електродами, один з яких підключений до входу узгоджувального підсилювачa заряду, а другий - до загального проводу (див. Е.С.Левшина, П.В.Новицкий. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. 1983. стр.113-121, рис.6.6,б). Як правило, ці перетворювачі містять також підставу, корпус, мембрану (для перетворювачів тиску -мал.6.5,а) або інерційну масу (для акселерометрів -мал.6.7 того ж посилання). Проте ці ознаки в даному випадку не є суттєвими. У якості узгоджувальних підсилювачів використовують або підсилювачі напруги, або підсилювачі заряду (див. Е.С.Левшина, П.В.Новицкий, А ____________________ 40811 ня п'єзоелемента до узгоджувального підсилювача напруги. Це дозволяє підвищити точність виміру. Запропонований перетворювач містить узгоджувальний підсилювач напруги і п'єзоелемент з трьома електродами, які розташовані на протилежних гранях п'єзоелемента, один з яких підключений до входу, другий - до виходу узгоджувального підсилювача, а третій - до загального проводу схеми, причому добуток коефіцієнта перетворення ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком, на коефіцієнт перетворення в ланцюзі зворотного зв'язку дорівнює одиниці. Запропонований перетворювач відрізняється від прототипу тим, що електрод, який розташований на одній з граней п'єзоелемента, підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги, а електроди, які розташовані на другій грані п'єзоелемента, підключені до виходу узгоджувального підсилювача і до загального проводу схеми. 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 еквівалентна схема запропонованого перетворювача. Запропонований перетворювач складається з узгоджувального підсилювача напруги 1, п'єзоелемента 2 з електродами 3, 4, 5. Електрод 3, який розташований на одній з граней п'єзоелемента 2, підключений до входу узгоджувального підсилювача 1, один з електродів 4 на іншій грані - до виходу підсилювача 1, а другий електрод 5 на цій же грані - до загального проводу схеми. Перетворювач працює наступним чином. Перетворювач, що зображений на фіг.1, являє собою замкнуту статичну стежуючу систему з від'ємним зворотним зв'язком (див., наприклад, Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств, Л.: Энергия, 1971 стр.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 можливо тільки тому, що вихідна напруга перетворювача залежить не тільки від механічної величини (прямий п'єзоефект), але і від вхідної електричної напруги (зворотний п'єзоефект). Завдяки такій схемі введення зворотного зв'язку, а також рівності одиниці добутку коефіцієнта перетворення ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком, на коефіцієнт перетворення ланцюга зворотного зв'язку, вдається підвищити точність виміру. Проте, напруга від'ємного зворотного зв'язка, яка надходить з виходу підсилювача, розподіляється у вхідному ланцюзі так, як це показано на фіг. 2. Тут ємність С1 утворена електродами 3 і 4, ємність С2 - електродами 3 і 5, а ємність С3 електродами 4 і 5. Ємності С1 і С2 одного порядку створюють дільник для напруги зворотного зв'язку, який не залежить від частоти. Ємність СЗ значно менша за ємності С1 і С2, тому ємнісний опір ХС3 слабо впливає на дільник С1-С2. У прототипі ж (див. фіг. 1) вхідний ланцюг утворений ємностями СІ (між електродами 2-4), С2 (між електродами 2-3) і СЗ (між електродами 3-4), при цьому ємності С2 і СЗ одного порядку, а ємність С1 - значно менша С2 і СЗ. Це створює несприятливі умови для роботи дільника С1 і С2 і робить цей ланцюг (і, відповідно, коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку) частотно-залежним. Це знижує точність виміру. У запропонованому пристрою цей недолік значною мірою усунутий. 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. Додатковий електрод був виконаний шляхом поділу електрода на одному з 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. Перетворювач встановлювався на вібростенд 4805 фірми "Brüel & Kjer" і піддавався впливу вібрації на частоті 100 Гц з прискоренням 1 g. Потім перетворювач піддавався впливу вібрації на частоті 1000 Гц. Вимірювалася відносна похибка для перетворювача, який був побудований за схемою прототипу і за схемою запропонованого перетворювача. Відносна похибка, % Перетворювач f = 100 Гц f = 1000 Гц прототип 2,3 3,6 запропонований 2,1 2,4 2 40811 Фіг. 1 Фіг. 2 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 3