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 входу 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 п'єзоелемент обладнаний додатковим електродом, який розташований між двома електродами та підключений до електрода на протилежній грані, причому 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) 40816 (11) UA лювачі заряду (див. Е.С.Левши на, П.В.Новицкий, рис.6.6,а, 6.6,б, 6.6,в, а также Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители, Справочник по теории и эксплуа тации, "Brüel & Kjer" 2850 Нэрум, Дания, 1987). Недоліком цього перетво рювача є порівняно невисока точність виміру, яка обумовлена нестабільністю п'єзомодуля матеріалу п'єзоелемента під дією деста білізуючих факто рів. Відомий та кож п'єзоелектричний перетворювач ме ханічни х ве личин за заявкою на патент України №99063571 від 24.06 .99, що місти ть п'єзоелемент з трьома електродами, розта шованими з дво х протилеж них гра нів п'єзоелемента, уз годжуваль ний підсилюва ч заряду та уз годжувальний підсилюва ч напр уги, причому вхо ди підсилюва ча за ряду і підсилюва ча напруги підк лючені до одному з дво х е лектродів, що знаходи ться на першій гра ні п'єзоелемента, ви хід підсилюва ча напр уги підключений до др уго го електрода тієї ж грані, а електрод на другій гра ні п'єзоелемента підключений до загального проводу схеми. Недоліком цього перетво рювача 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. (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'езоелементів, узгоджувальний підсилювач (див. Электрические измерения неэлектрических ве личин. 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 перетво рювача є порівняно невисока точність виміру, яка обумовлена нестабільністю п'єзомодуля матеріалу п'єзоелемента під дією деста білізуючих факто рів. 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 .Левши на, 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 уз годжувальних підсилювачів використовують або підсилювачі напруги, або підси А ____________________ 40816 В основу ви находу поставлена задача удосконалення п'єзоелектричного перетворювача механічних ве личин шляхом обладнання п'єзоелемента додатковим електродом та зміни схеми підключення п'єзоелемента до уз годжувального підсилювача напруги. Це дозволяє підвищити точність виміру. Запропонований перетво рювач містить узгоджувальний підсилювач напруги і п'єзоелемент з трьома електродами, які розташова ні на протилежних гранях п'єзоелемента, один з яких підключений до вхо ду, другий - до виходу уз годжувального підсилювача, а третій - до загального проводу схе ми, причому добуток коефіцієнта перетворення ланцюга прямого перетворення, охопленого зворотним зв'язком, на коефіцієнт перетворення в ланцюзі зворотного зв'язку b дорівнює одиниці. Запропонований перетворювач відрізняється від прототи пу тим, що п'єзоелемент обладнаний додатковим електродом, який розташований між двома електродами і підключений до електрода на протилежній грані, причому електрод, який розташований на одній з граней п'єзоелемента, підключений до входу уз годжувального підсилювача напруги, а електроди, які розташовані на другій грані п'єзоелемента, підключені до виходу узгоджувального підсилювача і до загального проводу схе ми. Кожна з вказаних відмінних ознак є необхідною, а всі разом - достатніми для досягнення технічного результа ту. Технічним результатом даного винаходу є підвищення точності виміру механічних ве личин. Саме таке виконання перетворювача забезпечує підвищення точності. Винахід пояснюється кресленнями, де: - на фіг. 1 показана електрична схема запропонованого перетворювача; - на фіг. 2 показана еквівалентна схе ма запропонованого перетворювача. Запропонований перетворювач складається з узгоджувального підсилювача напруги 1, п'єзоелемента 2 з електродами 3, 4, 5 та 6. Електрод 6, який розташова ний між електродами 4 та 5, підключений до електрода 3 та до входу уз годжувального підсилювача 1. Електрод 4 підключений до виходу підсилювача 1, а електрод 5 на цій же грані - до загального проводу схеми. Перетворювач працює наступним чином. Перетворювач, що зображений на фіг.1, являє собою замкнуту ста тичну сте жуючу 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 ві домих по лягає в то му, що зво ротний Перетворювач зв'я зок вводить ся не по вхідному вп ли ву (тобто по механі чній величи ні), а по електричній напрузі, яка вво диться за до помогою до даткового електрода. Це можли во тіль ки тому, що ви хі дна напруга перетво рювача за лежить не тіль ки від механічної ве личи ни (прямий п'єзоефек т), але і від вхідної електричної напр уги (зво ротний 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. 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 6, ємність С4 - електродами 5 і 6, а ємність С5 - електродами 4 і 5. Паралельно включені ємності С1 і С3, а також С2 і С4 одного порядку - створюють дільник для напруги зворотного зв'язку, який не залежить від частоти. Ємність С5 значно менша за ємності С1, С3 та С2, С4, тому ємнісний опір XС5 слабо впливає на дільник С1,С3С2,С4. У прототипі ж (див. фіг. 1) вхідний ланцюг утворений ємностями С1 (між електродами 2-4), С2 (між електродами 2-3) і С3 (між електродами 3-4), при цьому ємності С2 і С3 одного порядку, а ємність С1 - значно менша С2 і С3. Це створює несприятливі умови для роботи дільника С1 і С2 і робить цей ланцюг (і, відповідно, коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язка) частотно-залежним. Це знижує точність виміру. У запропонованому пристрою цей недолік значною мірою усун утий. Приклад конкретного застосуван ня. Був ви готовлений п'єзоелектричний перетворювач прискорення (акселерометр) з дисковим п'єзоелементом діаметром 16 і товщиною 1 мм з п'езокераміки ЦТС-23 з електродами на торцях диска. Додаткові електроди були виконані шляхом поділу електрода на однім з торців диска на три 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 вста новлювався на вібростенд 4805 фірми "Brüel & Kjer" і піддавався впливу вібрації на частоті 100Гц з прискоренням 1g. Потім перетворювач піддавався впливу вібрації на частоті 1000Гц. Вимірювалася відносна похибка для перетворювача, який був побудований за схемою прототипу і за схемою запропонованого пeрeтворювача. Відносна похибка, % f = 100 Гц f = 1000 Гц прототип 2,3 3,6 запропонований 2,0 2,2 2 40816 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 40816 4