П’єзоелектричний перетворювач механічних величин

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить узгоджувальний підсилювач напруги і п'єзоелемент з трьома електродами, 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 виконаний у вигляді циліндра з електродами на циліндричній і торцевих поверхнях, причому електрод, який розташований на циліндричній поверхні п'єзоелемента, підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги, а електроди, які розташовані на торцевих поверхнях п'єзоелемента, підключені до виходу узгоджувального підсилювача і до загального проводу схеми. Зоя 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. (13) 40817 (11) UA лювачі заряду (див. Е.С.Левшина, П.В.Новицкий, рис.6.6,а, 6.6,б, 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. (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 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. 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 підси А ____________________ 40817 В основу винаходу поставлена задача удосконалення п'єзоелектричного перетворювача механічних величин шляхом зміни форми п'єзоелемента та схеми його підключення до узгоджувального підсилювача напруги. Це дозволяє підвищити точність виміру. Запропонований перетворювач містить узгоджувальний підсилювач напруги і п'єзоелемент з трьома електродами, 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 b дорівнює одиниці. Запропонований перетворювач відрізняється від прототипу тим, що п'єзоелемент виконаний у вигляді циліндра з електродами на циліндричній і на торцевих поверхнях, причому електрод, який розташований на циліндричній поверхні п'єзоелемента, підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги, а електроди, які розташовані на торцевих поверхнях 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 - еквівалентна схема запропонованого перетворювача. Запропонований перетворювач складається з узгоджувального підсилювача напруги 1, циліндричного п'єзоелемента 2 з електродами 3, 4, 5. Електрод 3, який розташований на циліндричній поверхні п'єзоелемента 2, підключений до входу узгоджувального підсилювача 1, один з електродів 4 на торцевій поверхні - до виходу підсилювача 1, а електрод 5 на іншому торці - до загального проводу схеми. 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. 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 С3 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 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 усунутий. Приклад конкретного застосування. Був виготовлений п'єзоелектричний перетворювач прискорення (акселерометр) з циліндричним п'єзоелементом діаметром 5 і висотою 18 мм з п'єзокераміки ЦТС-23 з електродами на циліндричній і торцевих поверхнях циліндрах. 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 1g. 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. 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). Відносна похибка, % Перетворювач f = 100 Гц f = 1000 Гц Прототип 2,3 3,6 Запропонований 2,0 2,2 2 40817 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 40817 4