П’єзоелектричний перетворювач механічних величин

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить підсилювач напруги і два п'єзоелементи, який відрізняється тим, що перетворювач обладнаний металевою пластиною, яка закріплена між п'єзоелементами і підключена до входу підсилювача напруги, електрод одного з п'єзоелементів підключений до виходу підсилювача напруги, а електрод другого п'єзоелемента - до загального проводу, причому добуток коефіцієнта перетворення К ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком, на коефіцієнт перетворення в ланцюзі зворотного зв'язку р дорівнює одиниці 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, 1110, 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 підсилювача 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 — с т р 113-121, рис 6 6,6) Як правило, ці перетворювачі містять також підставу, корпус, мембрану (для перетворювачів тиску мал б 5,а) або інерційну масу (для акселерометрів - мал б 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 ЕС Левшина, П В Новицкий, — рис 6 6,а, 6 6,6, 6 6,в, а также Пьезоэлектрические акселерометры и пред усилители, Справочник по теории и эксплуатации, "Bruel & 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, що містить два п'єзоелемента, які з'єднані між собою механічно та електрично, підсилювач напруги, вхід якого з'єднаний з електродом одного з п'єзоелементів, а вихід - з електродом другого п'єзоелемента, електроди п'єзоелементів, які з'єднані між собою, з'єднані також із загальним проводом схеми (див Джагупов Р Г , Ерофеев А А Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники и систем контроля и управления Спр — СПб, Политехника, 1994, стр 138, рис 4 8) Недоліком цього перетворювача є порівняно невисока точність виміру і механічна МІЦНІСТЬ Вказаний перетворювач найбільше близький по технічній сутності і вибраний в якості прототипу В основу винаходу поставлена задача удосконалення п'єзоелектричного перетворювача механічних величин шляхом обладнання перетворювача металевою пластиною, закріпленням її між п'єзоелементів, шляхом зміни схеми підключення п'єзоелементів до підсилювача напруги, а та (О со 43964 кож забезпеченням рівності одиниці добутку коефіцієнта перетворення К ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком, на коефіцієнт перетворення в ланцюзі зворотного зв'язку Р Це дозволяє підвищити точність виміру, крім того, при використанні металевої пластини вдається збільшити механічну МІЦНІСТЬ перетворювача Запропонований перетворювач містить два п'єзоелемента і підсилювач напруги Запропонований перетворювач відрізняється від прототипу тим, що він обладнаний металевою пластиною, яка закріплена між п'єзоелементами і підключена до входу підсилювача напруги, електрод одного з п'єзоелементів підключений до виходу підсилювача напруги, а електрод другого п'єзоелемента - до загального проводу, причому добуток коефіцієнта перетворення К ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком, на коефіцієнт перетворення в ланцюзі зворотного зв'язку [3 дорівнює одиниці 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 і механічна МІЦНІСІТЬ "перетворювача' Саме таке виконання перетворювача забезпечує досягнення технічного результату Винахід пояснюється кресленнями, де на[ фіг 1 показана електрична схема запропонованого перетворювача, на фіг 2 показана структурна схема запропонованого перетворювача Запропонований перетворювач складається з підсилювача напруги 1, п'єзоелементів 2 та 3, металевої пластини 4, електродів 5, 6 та 7, 8 Металева пластина 4 закріплена між п'єзоелементами 2 та 3 і з'єднана з входом підсилювача напруги 1 і електродами 6 та 8 п'єзоелементів 2 та 3 Електрод 5 на п'єзоелементі 2 з'єднаний з виходом підсилювача 1, а електрод 7 на п'єзоелементі 3 - з загальним проводом 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'язка, а також рівності одиниці добутку коефіцієнта перетворення ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком, на коефіцієнт перетворення ланцюга зворотного зв'язка, вдається підвищити точність виміру У прототипі використовується традиційний для статичних автоматичних систем режим, коли коефіцієнт перетворення - К ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком на коефіцієнт перетворення [3 ланцюга зворотного зв'язку прагне до нескінченності Структурна схема цього пристрою показана на фіг 2 Тут ланці з коефіцієнтом передачі кі відповідає перетворення сили F, що діє на п'єзоелемент, у механічну напругу а-і, ланці кг - перетворення о~і в електричну напругу ІІПЕ на електродах п'єзоелементів, кз - перетворення електричної напруги ІІПЕ в напругу ІІвих на виході підсилювача Ланка, зворотного, зв'зку характеризується коефіцієнтом передачі [3 вихідної напруги підсилювача ІІвих У механічну напругу -о^ у матеріалі п'єзоелемента Зсув фаз у підсилювачі і напрямок поляризації п'єзоелемента обрані такими, щоб знак механічної напруги аг, яка утворюється електричною напругою ІІвих, був протилежного знаку до механічної напруги а,, яка утворюється силою F Чутливість перетворювача з частотнонезалежним від'ємним зворотним зв'язком S33 S33 — 4 1 (1) + де к = кг-кз - коефіцієнт передачі ланцюга прямого перетворення Відносна похибка перетворювача 1 1 Гзз " їм т Ь , . - і + kf п їі* ^ . ,п'' 1 + kp V-I Kl де YK = іYкг + іYкъ - відносна похибка ланцю' к ' K га прямого перетворення, /KV> Ікг,ікг,їр _ ВІДНОСНІ похибки ланок к, кг, кз, [3 ВІДПОВІДНО Експериментально встановлено, що ' YкЪ \\Ук2 ' Yк2 ~ Yр З виразів (1) і (2) видно, що при традиційному рівні зворотного зв'язок (kp—*••*>) підвищення точності не досягається, а чутливість істотно зменшується З цих виразів видно також, що з урахуванням фізики процесів, що відбуваються в перетворювачі, умовою досягнення мінімуму похибки п'єзоперетворювача з від'ємним зворотним зв'язком є рівність добутку коефіцієнтів передачі прямого й зворотного перетворення одиниці, тобто к(3 = 1, при цьому чутливість перетворювача зменшується усього лише ВДВІЧІ Підвищення точності виміру досягається також схемою підключення п'єзоелементів до підсилювача напруги Металева пластина 4 забезпечує більшу механічну МІЦНІСТЬ, у порівнянні з прототипом, який складається тільки з двох керамічних пластин Приклад конкретного застосування Був виготовлений п'єзоелектричний перетворювач прискорення (акселерометр) з двома дисковими п'єзоелементами діаметром ЗО товщиною 0,3мм з п'єзокераміки' ЦТС-19 з електродами на торцях диска Металева пластина, виготовлена з полутвердої латуні Л63, діаметром 36мм і товщиYк\ \\YK2 43964 ною 0,3мм, закріплювалася між двома п'єзоелементами за допомогою епоксидного клею Підсилювач напруги був виконаний на двох транзисторах - КП201Е-1 і КТ315 з регульованим коефіцієнтом підсилення від 0 до 19 Вхідний опір підсилювача 1,8МОм Перетворювач піддавався впливу звукового тиску ЮПа (114д) на частоті 40 і 100Гц на установці П5151 Вимірювалася відносна похибка для перетворювача, який був побудований за схемою прототипу і за схемою запропонованого перетворювача Таблиця Відносна похибка, % Перетворювач f = 40 Гц f = 100 Гц прототип 4,4 5,2 запропонований 2,4 2,6 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90