П’єзоелектричний перетворювач механічних величин

П'єзоелеісгричний перетворювач механічних величин, який містить п'єзоелемент, узгоджувальний підсилювач напруги і ланцюг негативного зворотного зв'язку, який відрізняється тим, що пере творювач обладнаний п'єзоелектричним трансформатором і електричним конденсатором, причому вхідна система електродів п'єзотрансформатора підключена до виходу підсилювача, а вихідна - до входу, утворюючи ланцюг негативного зворотного зв'язку, електричний конденсатор підключений паралельно ВХІДНІЙ системі електродів, а його ємність Ск дорівнює Ск " СПЕ - Свх пт де СПЕ - ємність п'єзоелемента перетворювача, Свх пт - ємність вхідної системи п'єзотрансформатора Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний в промисловості і лабораторній практиці для виміру механічних величин Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, зокрема, вібраційних прискорень, що містить п'єзоелемент і узгоджувальний підсилювач напруги або заряду (див Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители Справочник по теории эксплуатации / Bruel & Kjer — К "Ларсен и сын", Глоструп, Дания, 1987 — с 186, мал 3 2) Недоліком цього перетворювача є порівняно вузький частотний діапазон і невисока точність виміру Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить п'єзоелемент, узгоджувальний підсилювач напруги і ланцюг зворотного зв'язку, причому добуток коефіцієнта передачі ланцюга прямого перетворення Кпр на коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку р дорівнює одиниці, тобто Кпр • р = 1 (див деклараційний патент України № 34318А, G01L 1/16, Бюл № 1 , 2001) фазовою характеристикою, яка аналогічна ВІДПОВІДНИМ характеристикам п'єзоелемента, зокрема, п'єзотрансформатора Перетворювач, що заявляється, містить п'єзоелемент, узгоджувальний підсилювач напруги, ланцюг зворотного зв'язку Перетворювач відрізняється тим, що він обладнаний п'єзоелектричним трансформатором і електричним конденсатором, причому вхідна система електродів п'єзотрансформатора підключена до виходу підсилювача, а вихідна - до входу, утворюючи ланцюг негативного зворотного зв'язку, електричний конденсатор підключений паралельно ВХІДНІЙ системі електродів, а його ємність Ск дорівнює Ск = СПЕ - Свх пт, де СПЕ - ємність п'єзоелемента перетворювача, Свх пт - ємність вхідної системи п'єзотрансформатора Усі вказані ознаки є необхідними і достатніми для досягнення технічного результату Технічним результатом винаходу є розширення робочого діапазону частот і підвищення точності виміру Винахід пояснюється кресленнями, де - на фіг 1 - показана електрична схема перетворювача, що заявляється - на фіг 2 - структурна схема пропонованого перетворювача, - на фіг 3 - амплітудно-частотна характеристика прототипу, - на фіг 4 - амплітудно-частотна характеристика перетворювача, що заявляється, без конденсатора Недоліком цього перетворювача є порівняно вузький частотний діапазон і невисока точність виміру Зазначений перетворювач найбільш близький по технічній сутності й обраний в якості прототипу В основу винаходу поставлена задача розширення робочого діапазону частот перетворювача і підвищення його точності шляхом включення в ланцюг зворотного зв'язку елемента з частотною і (О о 00 ю ю З 55806 - на фіг 5 - амплітудно-частотна характеристика перетворювача, що заявляється, з конденсатором П'єзоелектричний перетворювач механічних величин містить п'єзоелемент 1, узгоджувальний підсилювач 2, ланцюг негативного зворотного зв'язку, у якості якої використовується п'єзоелектричний трансформатор 3 і електричний конденсатор 4, причому до виходу підсилювача підключається вхідна система електродів 5 п'єзотрансформатора З, а до входу - вихідна 6, при цьому електричний конденсатор 4 підключений паралельно ВХІДНІЙ системі електродів 5, а його ємність Ск дорівнює Ск = СПЕ - Свх пт, де СПЕ - ємність п'єзоелемента 1 перетворювача, Свх пт - ємність вхідної системи 5 п'єзотрансформатора Перетворювач працює таким чином Механічний вплив F (сила, тиск, прискорення і т ін ) створює на п'єзоелементі 1 електричну напругу, що підсилюється підсилювачем 2 П'єзотрансформатор 3, який включений у ланцюг негативного зворотного зв'язку, має частотну і фазову характеристики, які аналогічні ВІДПОВІДНИМ характеристикам п'єзоелемента 1, що дозволяє одержати лінійну амплітудно-частотну характеристику всього перетворювача і підвищити його точність Розглянемо спрощену структурну схему п'єзоелектричного перетворювача зі зворотним зв'язком (фіг 2) Для цієї схеми можна записати ——, (1) 1 + КП|Д-Р(Р) де Кзз(р) - коефіцієнт передачі перетворювача з негативним 33, Кі(р) - коефіцієнт перетворення п'єзоелементу 1 перетворювача (п'єзоелемента - сенсора), Кпід - коефіцієнт підсилення підсилювача, Р(р) - коефіцієнт передачі ланки зворотного зв'язку Умова лінеаризації амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) має вигляд К 3 3 ( р ) = const (2) Ця умова легко реалізується при Кі(р) = const (3) Р(Р) З виразу (3) випливає, що і частотна і фазова характеристики ланок К-і(р) і р(р) повинні змінюватися по однаковому закону В окремому випадку Кі(р) = 1, тобто К1(р) = р(р) (4) Р(Р) Відносна похибка узз пристрою, який зображено на фіг1, може бути легко визначена з виразу (1) (див Островский Л А Основы общей теории электроизмерительных устройств — М — Л Энергия, 1965 —532 с ) 1 1 + КПЩ-РСР) 5R Де 5„ Кпщ-Р(Р) -5г Р 1 + КЩД-РСР) ,(5) - ВІДНОСНІ похибка, яка ство рена ланками Кі(р), Кпід, Р(р) ВІДПОВІДНО 5К г\пщ р=1 (6) «р(р) i-viy Розглянемо тепер окремі випадки Нехай Кпід Тоді З урахуванням (4) і (6) зз I s к, U) 2 при Таким чином, Кпід • р = 1 АЧХ перетворювача лінійна при зменшенні чутливості і відносної похибки ВДВІЧІ Припустимо тепер, що Кпід • р » Тоді З урахуванням (4) і (6) 1 К3з и X Узз ^ ° Отже, при К • р(р) » 1 АЧХ перетворювача лінійна при Кзз = 1, а відносна похибка прямує до нуля Резонансна частота п'єзоелементу 1 і п'єзотрансформатора 3 визначається їх розмірами, характеристиками п'єзоматеріалу, з якого вони виготовлені, а також статичною ємністю електродів При однакових розмірах п'єзоелемента 1 і п'єзотрансформатора 3 ємність вхідної системи електродів 5 менше ємності п'єзоелементів, що приводить до деякої невідповідності резонансних частот п'єзоелемента 1 і п'єзотрансформатора З В результаті на АЧХ перетворювача, що заявляється, з п'єзотрансформатором у ланцюзі зворотного зв'язку існує невеликий пік (фіг 4) Результати експериментальної перевірки показані на фіг 3 і 4 для п'єзоелементу 1 у вигляді дискового п'єзоелементу 0 3 0 і товщиною 0,3мм із п'єзокераміки ЦТС - 19, Ємність п'єзоелементу 28нФ П'єзотрансформатор мав аналогічну конструкцію, але один електрод п'єзоелементу був розділений на дві рівні частини (ємність однієї секції - 14нФ) Використовувався підсилювач, який зібраний на транзисторах КПЗОЗА та КТ315Б Виміри проведені на вимірнику амплітудно-частотних характеристик Х1-46 На фіг 3 зображена АЧХ перетворювача без 33, на фіг 4 - АЧХ перетворювача із п'єзотрансформатором в ланцюзі 33 без конденсатора 4, а на фіг 3 - АЧХ перетворювача з конденсатором 4, ємність якого дорівнює Ск = Спэ - Свх пт, тобто 14нФ Це привело до того, що АЧХ стала цілком лінійна Як показали експерименти, похибка виміру перетворювача зменшилася в 2,7 рази в порівнянні з прототипом 55806 I ФІГ.1 'ВИХ p і ftp) Фіг.2 Фіг.З Фіг.4 55806 Фіг.5 Підписано до друку 05 05 2003 р Тираж 39 прим ТОВ Міжнародний науковий комітет вул Артема 77 м Київ 04050 Україна (044)236-47-24