DE1115471B - Verfahren zur Beobachtung, Messung oder Anzeige eines durch Schwingungen mittels eines piezoelektrischen Materials hervorgerufenen Spannungszustandes - Google Patents

Verfahren zur Beobachtung, Messung oder Anzeige eines durch Schwingungen mittels eines piezoelektrischen Materials hervorgerufenen Spannungszustandes

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DE1115471B
DE1115471B DEG22329A DEG0022329A DE1115471B DE 1115471 B DE1115471 B DE 1115471B DE G22329 A DEG22329 A DE G22329A DE G0022329 A DEG0022329 A DE G0022329A DE 1115471 B DE1115471 B DE 1115471B
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light
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Charles Abraham Rosen
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General Electric Co
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General Electric Co
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46Filters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
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    • G01H3/12Amplitude; Power by electric means
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Description

  • Verfahren zur Beobachtung, Messung oder Anzeige eines durch Schwingungen mittels eines piezoelektrischen Materials hervorgerufenen Spannungszustandes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beobachtung, Anzeige oder Messung eines durch Schwingungen mittels eines piezoelektrischen Materials hervorgerufenen Spannungszustandes. Die Erfindung findet Anwendung bei einem akustisch-optischen Umwandlungsgerät, das einen an einen piezoelektrischen Stoff gebundenen, elektrisch anzuregenden Leuchtstoff enthält, und mit dem direkt und unmittelbar akustische Klangfiguren, Spannungszustände oder Schwingungen sichtbar gemacht werden können.
  • Die Erscheinung der Elektrolumineszenz, von der die Erfindung teilweise abhängig ist, ist ein Vorgang, bei dem bestimmte Halbleiter, die als Leuchtstoffe bekannt sind, bei Zimmertemperatur unter der Primärwirkung eines elektrischen Feldes oder Potentials Strahlungsenergie abgeben. Derartige Leuchtstoffe sind z. B. Galliumphosphid und mit Kupfer aktiviertes Zinksulfid. Wenn auch die von derartigen Leuchtstoffen ausgesandte Strahlungsenergie hier aus Gründen der Deutlichkeit als »Licht« bezeichnet wird, so soll doch unter dem Begriff »Licht« in dieserBeschreibung alle Strahlung verstanden sein, die von elektrisch anzuregenden Leuchtstoffen ausgestrahlt wird und sowohl sichtbare als auch unsichtbare Strahlung umfaßt.
  • Als piezoelektrischer Stoff kann ein solcher bezeichnet werden, bei dem eine Expansion in der einen Achsenrichtung und eine Kontraktion in der anderen Achsenrichtung auftritt, wenn er unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes steht, und bei dem sich auch die umgekehrte Erscheinung einstellt, daß nämlich entgegengesetzte Ladungen an entgegengesetzten Oberflächen des Stoffes auftreten, wenn ein akustischer Spannungszustand in dem Stoff vorhanden ist.
  • In dieser Beschreibung bedeutet der Begriff »akustischer Spannungszustand« eine mechanische Beanspruchung, die von Schwingungen eines Stoffes herrührt, wobei es gleichgültig ist, ob diese Schwingungen durch mechanische, elektrische oder sonstige äußere Kräfte verursacht werden. Derartige piezoelektrische Stoffe können als einzelne Kristalle, z. B. als Quarz, Rochellesalz oder Ammoniummorthophosphat (ADP), vorliegen oder polykristalline Materialien sein, z. B. ferroelektrische Keramikstoffe, die polarisiert worden sind. Derartige Ferroelektrica sind z. B.
  • Bleizirkonat, Bariumtitanat und Bleimetaniobat.
  • Solche piezoelektrischen Stoffe können zum Bau elektromechanischer Filter oder Umwandlungsgeräte mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers benutzt werden, der ein piezoelektrischer Resonanzkörper ist, an dem Eingangs- und Ausgangselektroden angebracht sind. Bei richtigem physikalischem Aufbau des Wandlers können beträchtliche Übersetzungsverhältnisse bei Anregungsfrequenzen erreicht werden, die der Resonanzfrequenz des Körpers entsprechen. Das Gerät weist infolge seiner Frequenzabhängigkeit auch Filtereigenschaften auf. Bei der Konstruktion solcher Filter gibt man einem piezoelektrischen Stoff eine besondere, ausgesuchte, geometrische Form; in diesem werden akustische Klangfiguren erzeugt. Diese akustischen Klangfiguren stellen gewöhnlich Lösungen der allgemeinen Gleichungen der Elastizitätstheorie dar, in denen die Grenzbedingungen durch die geometrische Form und andere Eigenschaften des Stoffes bestimmt sind. Die Konstanten der Gleichung sind dann von der Art und I(ristallstruktur des speziellen benutzten Materials abhängig.
  • Bei Anwendung eines Filters ist es gewöhnlich wünschenswert, die Frequenz oder den Frequenzbereich zu bestimmen, bei dem Resonanz für eine bestimmte geometrische Form eines vorgegebenen Stoffes auftritt. Umgekehrt will man wissen, wie sich die Ausbreitung der Wellen bei einer bestimmten Anregungsfrequenz mit der geometrischen Form des Filters ändert. Bei Resonanz einer rechtwinkligen Platte zeigen sich z. B. stehende Zug- und Druckwellen längs beider Plattenseiten. Diese zusammengesetzte Schwingungsform ist sogar für relativ einfache geometrische Verhältnisse schwer zu analysieren. Es würde deshalb wünschenswert sein, eine einfache Vorrichtung zu besitzen, mit der sich die geometrische Verteilung der Flächen maximaler Spannung direkt beobachten läßt.
  • Fernerhin ist die Aufgabenstellung nicht allein auf den Aufbau elektromechanischer Filter beschränkt.
  • Ähnliche Probleme finden sich auf dem gesamten Gebiet der Schwingungs- und Festigkeitslehre.
  • Es sind mehrere Verfahrensgruppen für die akustisch- bzw. mechanisch-optische Bildwandlung bekannt; z. B. wird bei einem Verfahren ein Schwinger aus piezoelektrischem Material (Quarz, Bariumtitanat) in einen akustischen Spannungszustand versetzt, wobei an seiner Oberfläche gleichzeitig infolge des piezeoelektrischen Effektes ein elektrisches Spannungsfeld auftritt. Zur Sichtbarmachung des Spannungszustandes im Schwinger werden bei diesem Verfahren sogenannte Wärmefarbstoffe benutzt, die durch die vom Schwinger abgestrahlte und in Wärmeenergie umgewandelte Schwingungsenergie angeregt werden und bei Überschreiten eines Temperaturschweliwertes oder auch innerhalb eines Temperaturbereiches ihre Farbe verändern und so den Spannungszustand anzeigen.
  • Bei diesem Verfahren müssen normalerweise erhebliche Schwingungsenergien geliefert werden, wenn eine merkliche Wärmezufuhr zum Wärmefarbstoff stattfinden soll. Außerdem ist die zuzuführende Wärmeenergie von der Ausgangstemperatur des Farbstoffes abhängig, wodurch eine quantitative Messung des durch Schwingungen erzeugten Spannungszustandes recht schwierig gestaltet wird. Außerdem bringt der Umweg über die Wärmeenergie etliche Unsauberkeiten und Fehler mit sich, die nur mit Schwierigkeit zu berücksichtigen bzw. auszuschalten sind.
  • Es ist daher ein Ziel der Erfindung, das infolge des piezoelektrischen Effektes auftretende elektrische Spannungsfeld unmittelbar optisch auszunutzen.
  • Bei einem Verfahren zur Beobachtung, Anzeige oder Messung eines durch Schwingungen mittels piezoelektrischen Materials hervorgerufenen Spannungszustandes werden gemäß der Erfindung durch die an der Oberfläche des piezoelektrischen Materials entstehenden, örtlich unterschiedlichen elektrischen Spannungen elektrolumineszente Leuchtstoffe zum Aufleuchten gebracht, wobei die Stärke der vom Leuchtstoff ausgesandten Strahlung ein Maß für die örtliche Spannung im piezoelektrischen Material ist; diese Strahlung wird gegebenenfalls verstärkt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein elektrisch anzuregender Leuchtstoff mit einem Teil eines piezoelektrischen Stoffes verbunden. Die verbundenen Körper sind von einer gemeinsamen Elektrode eingefaßt, von der der Abschnitt lichtdurchlässig ist, der mit dem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff in Berührung steht.
  • Elektrische Spannungsfelder, die an der Grenzfläche zwischen beiden Stoffen infolge der piezoelektrischen Umwandlung mechanischer Energie in akustische Spannungszustände erzeugt werden, regen sofort den elektrisch anregbaren Leuchtstoff zum Leuchten an und ergeben ein sichtbares Bild, das eine Funktion des Spannungszustandes in dem piezoelektrischen Stoff ist.
  • Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht in vergrößertem Maßstab einer Ausführungsform der Er findung, die insbesondere bei der Konstruktion elektromechanischer Filter verwendbar ist; Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, von der Teile weggelassen sind, und die sich im allgemeinen in Verbindung mit der Schwingungsanalyse verwenden läßt; Fig. 3 ist eine teilweise weggelassene perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die einen Lichtverstärker enthält.
  • An der piezoelektrischen Platte 10 in Fig. 1 sind zwei Anregungselektroden 11 und 12 befestigt, die in üblicher Weise aus einem Silberanstrich, einer Silberpaste oder einem beliebigen elektrischen Leiter bestehen können und dabei weniger als die halbe Oberfläche der Platte 10 bedecken. Leitungen 13 und 14 sind an den Elektroden 11 und 12 festgemacht und mit einer elektrischen Stromquelle 15 verbunden, die am besten eine Wechselstromquelle mit veränderlicher Frequenz und Spannung sein kann. Das an das eine Ende der Platte 10 durch die Quelle 15 angelegte elektrische Feld versetzt die ganze Platte infolge des zuvor beschriebenen piezoelektrischen Effektes in mechanische Schwingungen. Es sei hervorgehoben, daß die Quelle 15 und die Elektroden 11 und 12 gebräuchliche Hilfsmittel sind, mit denen die Platte 10 zum Schwingen gebracht wird, und daß dazu sonstige mechanische, akustische, elektrische oder elektromechanische Vorrichtungen ebenfalls verwendet werden könnten.
  • Eine Schicht 16 mit einem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff ist auf mindestens einer halben Seitenfläche der Platte 10 aufgebracht. Eine lichtdurchlässige Elektrode 18 befindet sich auf der elektrisch anzuregenden Schicht 16, die am besten eine dünne Schicht Galliumphosphid ist und bei Anregung mit kleinen elektrischen Spannungen von etwa 5 bis 10 V Strahlung aussenden kann. Diese Schicht kann z. B. im Vakuum auf der piezoelektrischen Schicht 10 aufgedampft werden. Andererseits kann die elektrisch anzuregende Schicht 16 auch aus einem dünnen Film eines transparenten Kunststoffdielektrikums, z. B. aus Nitrozellulose, bestehen, in dem eine Menge mikrokristalliner Teilchen eines beliebigen bekannten elektrisch anzuregenden Leuchtstoffes, z. B. Galliumphosphid oder mit etwa 0,3 Gewichtsprozenten Kupfer aktiviertes Zinksulfid, eingebettet ist. Die Schicht 16 kann außerdem ein zusammenhängender, homogener Leuchtstoff sein, der durch ein Verfahren mit einer Reaktion im Dampfzustand erhalten ist, oder mehrere günstig orientierte Einzelkristalle eines Leuchtstoffes enthalten.
  • Die Elektrode 18, die sich auf der elektrisch anzuregenden Schicht 16 befindet, ist vorzugsweise durchsichtig und kann ein glasartiger Stoff sein, auf den Schichten aus Zinkchlorid aufgesprüht oder andersartig aufgebracht werden. Derartige Stoffe bezeichnet man als »leitendes Glas«. Vorzugsweise ist die Elektrode 18 eine leitende Schicht aus Titandioxyd, das zuvor leitend gemacht wurde. Eine Elektrode 17, die auf der entgegengesetzten Fläche der Platte 10 aufgebracht ist, kann lichtundurchlässig sein. In diesem Fall kann sie am besten eine dünne, aufgedampfte oder aufgesprühte Schicht aus einem leitenden Metall, z. B. Silber oder Aluminium, sein oder irgendeine andere, für eine Elektrode übliche Form besitzen.
  • Die Elektroden 17 und 18 sollten sich jedoch über die gleiche Fläche auf beiden Seiten der Platte 10 erstrecken. Sie sind miteinander z. B. über einen Leiter 19 verbunden oder kurzgeschlossen, so daß sie in Wirklichkeit eine einzige zusammenhängende Elektrode bilden.
  • Den Betrieb des Geräts der Fig. 1 kann man folgendermaßen erklären. Das durch die Quelle 15 zwischen den Elektroden 11 und 12 hervorgerufene elektrische Feld versetzt die Platte 10 in mechanische Schwingungen, da die elektrische Energie in mechanische auf Grund des piezeoelektrischen Effekts umgewandelt wird. Diese Schwingungen werden auf die ganze Platte übertragen und bewirken einen Spannungszustand entsprechend den zuvor beschriebenen Gleichungen der Elastizitätstheorie. Der Spannungszustand bringt eine Trennung der elektrischen Ladungen zwischen den großen Seitenflächen der Platte 10 in Polarisationsrichtung, die durch den Pfeil P angegeben ist, infolge der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische auf Grund des piezoelektrischen Effekts mit sich. Das Ausmaß der Ladungstrennung an den verschiedenen Stellen oder örtlichen Flächenbezirken ist überall im piezoelektrischen Material je nach der Größe des Spannungszustandes örtlich unterschiedlich und ergibt infolgedessen ein sich entsprechend änderndes elektrisches Spannungsfeld, das an der Grenzfläche zwischen der piezoelektrischen Platte 10 und der elektrisch anzuregenden Leuchtstoffschicht 16 entsteht. Da der spezifische Widerstand der Fläche des elektrisch anzuregenden Leuchtstoffes und des piezoelektrischen Materials sehr groß sind, kann sich die Ladungsdichte mit dem Ort ändern und ihren örtlichen Wert ziemlich lange beibehalten, ohne daß ein Ladungsausgleich auf der Gesamtfläche erfolgt.
  • Die elektrische Ladungsverteilung an der Grenzschicht zwischen der Platte 10 und dem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff 16 erzeugt ein elektrisches Feld senkrecht zum Leuchtstoff und regt auf diese Weise direkt den Leuchtstoff an, wodurch ein sichtbares Bild entsprechend den akustischen Klangfiguren bzw. Spannungen in der Platte 10 zustande kommt.
  • Da die Helligkeit des von einem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff ausgesandten Lichts eine Funktion der an ihn angelegten elektrischen Spannung ist, hängt sie von der örtlichen Ladungsdichte am jeweiligen Punkt ab und stellt sichtbar die Größe des Spannungszustandes an allen Punkten dar. Für eine direkt ablesbare und wirklich quantitative Messung der Größe der mechanischen Spannung muß man einen proportionalen Helligkeitswert gegen eine Kenngröße des elektrisch anzuregenden Leuchtstoffes verwenden, die mit der angelegten elektrischen Spannung zusammenhängt. Andererseits kann ein passendes Anzeigegerät, z. B. ein Lichtmesser, geeicht werden, wodurch die im voraus gemessenen Kenngrößen des elektrisch anzuregenden Leuchtstoffs berücksichtigt werden, so daß an dem Meßinstrument die an der piezoelektrischen Schicht 10 auftretende elektrische Spannung direkt ablesbar ist. In vielen Fällen ist man jedoch ----- - interessiert, die geometrische Verteilung der Punkte maximaler, mechanischer Spannung bei Resonanz der Platte 10 zu beobachten oder zu messen.
  • Bei Resonanz verlaufen stehende Zug- und Druckwellen gleichzeitig in Langs- und Querrichtung über die Platte 10. Es ist leicht möglich, die Punkte maximaler Spannung bei einer derartigen Wellenausbreitung als Punkte maximaler Helligkeit der vom elektrisch anzuregenden Leuchtstoff 16 ausgesandten Strahlung einfach visuell zu beobachten oder durch irgendein auf Strahlung ansprechendes Gerät, z. B. durch eine Kamera, aufzunehmen. Wenn die Frequenz der Stromquelle 15 verändert wird, kann man feststellen, welche Klangfiguren sich für die betreffenden Frequenzen ergeben und bei welchen Frequenzen Resonanz für die besonderen Abmessungen der Platte 10 auftritt. Zusammengesetzte mechanische Schwingungen, die sogar für relativ einfache, geometrische Formen schwierig zu analysieren sind, können auf diese Weise leicht geprüft werden.
  • Es sei hervorgehoben, daß ein beliebiger Spannungszustand sichtbar gemacht werden kann, gleichgültig, ob er von stehenden Wellen oder von fortschreitenden akustischen Wellen herrührt. Wenn die Platte 10 zwangsweise mechanisch an einer Stelle festgehalten oder z. B. durch einen elektromechanischen Wandler, mit dem sie mechanisch gekoppelt ist, und nicht von der Quelle 15 über die Elektroden 11 und 12 angetrieben wird, ist es möglich, eine zeitliche, sich ändernde, visuelle Anzeige zu erhalten, wobei die Klangfiguren durch den elektromechanischen Wandler verändert werden. Im allgemeinen braucht man die Klangfigur nur auf einer Hälfte der Platte 10 zu beobachten, wenn eine symmetrische Platte benutzt wird, da sich infolge der Symmetrie ein gleiches Bild auf beiden Hälften ergibt. Wie man versteht, läßt sich die Form des akustisch-optischen Umwandlungsgeräts ändern, und das Gerät kann auch anderweitig als zum Bau elektromechanischer Filter Verwendung finden.
  • In Fig. 2 ist beispielsweise ein ähnliches Gerät zu sehen, das als Schwingungsmesser oder Meßgerät für mechanische Beanspruchungen dienen kann. Die dünne, piezoelektrische Platte 10 ist hier als Scheibe dargestellt, die in Richtung des Pfeils P senkrecht zu ihren großen Seitenflächen polarisiert ist. Auf der Platte 10 ist die elektrisch anzuregende Leuchtstoffschicht 16 aufgetragen, die aus demselben Stoff wie die Schicht 16 der Fig. 1 sein kann. Auf der Schicht 16 befindet sich die durchsichtige Elektrode 18, während die gegenüberliegende Seitenfläche der Schicht 10 mit der Elektrode 17 ausgestattet ist. Die Elektroden 17 und 18 sind durch einen Leiter 21 miteinander verbunden, der von den Schichten 10 und 16 durch einen Isolationskörper 20 getrennt ist. Natürlich könnte der Leiter 21 auch einfach ein isolierter Draht ähnlich wie der Leiter 19 sein.
  • Die Elektrode 17, die das Umwandlungsgerät trägt, ist an einem beliebigen Körper 22 festgekittet oder andersartig festgemacht, an dem man die in Längsrichtung parallel zu der Ebene des Kittmittels auftretenden mechanischen Schwingungen zu messen wünscht. Durch das Kittmittel werden die Schwingungen zwangläufig auf das piezoelektrische Material übertragen. Der Körper 22 könnte z. B. eine Stahlschiene sein, die durch irgendeine Belastung beansprucht wird. Die meisten dieser Umwandlungsgeräte können eine bestimmte Form und Größe haben, die an den Umriß eines speziellen Körpers angepaßt sein kann und an der Oberfläche eines solchen schwingenden Körpers befestigt werden. Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Stoffes sollte jedoch senkrecht zur Oberfläche des schwingenden Körpers sein, damit ein elektrisches Feld senkrecht zum elektrisch anzuregenden Leuchtstoff wirken kann. Das piezoelektrische Material 10 wird infolge der Schwingungen der Oberfläche des Körpers 22, an dem das Umwandlungsgerät befestigt ist, ins Schwingen gebracht. Wie beim Betrieb des zuvor beschriebenen Geräts der Fig. 1 ermöglicht die Stärke der vom elektrisch anzuregenden Leuchtstoff 16 ausgesandten Strahlung eine Angabe der im piezoelektrischen Material 10 und an einer beliebigen ausgewählten Stelle des Körpers 22 herrschenden mechanischen Spannung. Ein besonderer Vorteil des Geräts gemäß der Erfindung gegenüber bekannten Geräten zur Messung dynamischer Beanspruchungen ist die Einfachheit und Genauig keit, mit der hochfrequente Schwingungen angezeigt werden.
  • Wenn die mechanischen Schwingungen relativ schwach sind, so daß es schwierig ist, sie in die von der elektrisch anzuregenden Leuchtstoffschicht emittierende Strahlung umzuwandeln, kann das Umwandlungsgerät der Fig. 2 auf die in Fig. 3 anschaulich dargestellte Weise durch einen Lichtverstärker ergänzt werden. In Fig. 3 sind wieder die gleichen Bezugsnummern wie bisher benutzt. Das akustisch-optische Umwandlungsgerät ist hier in Rechteckform dargestellt und am schwingenden Körper 22 festgekittet oder andersartig befestigt. Die elektrisch anzuregende Leuchtstoffschicht 16 ist vorzugsweise aus Galliumphosphid oder einem anderen Leuchtmittel hergestellt, das Maxima im oder nahe beim Gebiet der roten Wellenlängen in seinem Emissionsspektrum aufweist. Auf der durchsichtigen Elektrode 18 befindet sich eine Schicht 23 eines Photoleiters. Die lichtleitende Schicht 23 kann aus einem beliebigen Stoff sein, dessen elektrischer Widerstand oder Impedanz sich in Abhängigkeit von der auf ihn von der elektrisch anzuregenden Leuchtstoffschicht 16 her einfallenden Strahlung verändert. Solche Stoffe sind z. B. die Sulfide, Selenide und Telluride des Zinks, Kadmiums oder BIeis. Vorzugsweise sollte jedoch die Schicht 23 aus Kadmiumselenid bestehen, dessen lichtleitendes Ansprechvermögen ebenfalls Maxima im oder nahe beim roten Spektralgebiet aufweist, und das daher am empfindlichsten gegenüber der von der Galliumphosphidschicht 16 abgegebenen Strahlung ist.
  • Die lichtleitende Schicht 23 kann auf die Elektrode 18 aufgesprüht, aufgespritzt, aufgedampft oder durch ein anderes Verfahren aufgebracht werden. Die Verwendung des Leuchtstoffs Galliumphosphid in Verbindung mit dem Photoleiter Kadmiumselenid ist jedoch nur ein Beispiel, wie sich ein Maximum des Emissionsspektrums eines Leuchtstoffes mit einem Maximum des spektralen Ansprechvermögens eines Lichtleiters annähernd deckt. Andere spezielle Stoffe, zwischen denen eine ähnliche Beziehung besteht, könnten natürlich ebenfalls verwendet werden.
  • Falls man es wünscht, könnte der Photoleiter23 auf einer durchsichtigen Elektrode (nicht gezeigt) niedergeschlagen sein, die gegenüber der Elektrode 18 durch einen durchsichtigen Isolator getrennt ist. Es sei hinzugefügt, daß die Elektrode 18 gemeinsam mit dem akustisch-optischen Umwandlungsgerät und dem Lichtverstärker vorhanden sein kann, aber nicht unbedingt zu sein braucht.
  • Auf der lichtleitenden Schicht 23 befindet sich eine zweite Schicht 24 aus einem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff. Die Schicht 24 kann aus einem beliebigen, elektrisch anzuregenden Leuchtstoff bestehen, der auch für die Schicht 16 vorgesehen ist. Vorzugsweise sollte jedoch der für die Schicht 24 verwendete Leuchtstoff mit 0,3 Gewichtsprozent Kupfer aktiviertes Zinksulfid oder ein solcher sein, dessen Emissionsspektrum Maxima bei grünen Wellenlängen oder in deren Nähe aufweist. Die fehlende Deckung zwi- schen dem Spektrum der elektrisch anzuregenden Leuchtstoffschicht 24 und des spektralen Ansprechvermögens der lichtleitenden Schicht 23 soll die Möglichkeit einer Rückkopplung durch das Licht von der Schicht 24 zur Schicht 23 weitgehend unterbinden, die sonst in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Schaltung so stark sein könnte, daß die Linearität der Anzeige des ganzen Geräts gegenüber den Schwingungen des Körpers 22 gestört wird. Auf der Schicht 24 befindet sich eine andere Schicht 25, die eine zweite durchsichtige Elektrode ähnlich der Elektrode 18 darstellt.
  • Die Elektrode 18 ist über einen Leiter 28 mit der Erde und einer elektrischen Stromquelle 26 verbunden, deren anderer Pol über einen Leiter 27 mit der Elektrode 25 in Verbindung steht. Die Stromquelle 26 stellt ein elektrisches Feld an der elektrisch anzuregenden Leuchtstoffschicht 24 und an der lichtleitenden Schicht 23 her, die mit der Stromquelle 26 in Reihe geschaltet sind und daher als Spannungsteiler arbeiten. Wenn die elektrisch anregbare Leuchtstoffschicht 16 durch das elektrische Feld angeregt wird, was von den mechanischen Längsschwingungen des Körpers 22 herrührt, die auf das piezoelektrische Material 10 übertragen werden, fällt die von der Schicht 16 emittierende Strahlung auf die lichtleitende Schicht 23, deren Widerstand sich von Punkt zu Punkt entsprechend der Intensität der örtlich einfallenden Strahlung ändert. Wenn der Widerstand der lichtleitenden Schicht 23 mit zunehmender Intensität der von der Schicht 16 emittierten Strahlung abnimmt, erscheint an der elektrisch angeregten Leuchtstoffschicht 24 eine größere, von der Quelle 26 herrührende elektrische Spannung. Die von der elektrisch angeregten Schicht 24 emittierte Strahlung wird infolgedessen stärker. Solange die Energie, die diese verstärkte Strahlung bewirkt, von einer unabhängigen Stromquelle 26 geliefert und nur durch die von der elektrisch angeregten Leuchtstoffschicht 16 kommende Strahlung gesteuert wird, kann bei passender Wahl der Dicke und elektrischen Kenngrößen der Schichten 23 und 24 und der Stärke der Quelle 26 die Intensität der von der elektrisch angeregten Leuchtstoffschicht 24 emittierten Strahlung ein Vielfaches der von der elektrisch angeregten Leuchtstoffschicht 16 emittierten Strahlung betragen. Fernerhin kann infolge des relativ großen, spezifischen, elektrischen Widerstandes an der Grenzschicht von lichtleitender Schicht 23 und elektrisch angeregter Leuchtstoffschicht 24 das von der Schicht 24 abgegebene Bild dem von der Schicht 16 abgegebenen entsprechen, das seinerseits den Spannungszustand im Körper 22 wiedergibt.
  • Wie man versteht, soll die Zusammenstellung von akustisch-optischem Umwandlungsgerät und Lichtverstärker, wie in Fig. 3 gezeigt ist, zur Anzeige schwacher, mechanischer Schwingungen oder von akustischen Klangfiguren dienen, die nicht gut mit dem Umwandlungsgerät der Fig. 2 sichtbar gemacht werden können. Je nach Wunsch können weitere Lichtverstärkerstufen hinzugefügt werden. Fernerhin können Größe und Form des Geräts den Erfordernissen des besonderen Anwendungsgebiets angepaßt werden.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Beobachtung, Anzeige oder Messung eines durch Schwingungen mittels eines piezoelektrischen Materials hervorgerufenen Spannungszustandes, dadurch gekennzeichnet, daß durch die an der Oberfläche des pi?zoelektrischen Materials entstehenden, örtlich unterschiedlichen elektrischen Spannungen elektrolumineszente Leuchtstoffe zum Aufleuchten gebracht werden, wobei die Stärke der ausgesandten Strahlung ein Maß für die örtliche Spannung im piezoelektrischen Material ist, und daß diese Strahlung gegebenenfalls verstärkt wird.
  2. 2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material (10) und eine weitere Schicht (16) aus einem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff miteinander eine Grenzschicht bilden und daß außerhalb dieser Grenzschicht mit den beiden Schichten eine gemeinsame, dreiteilige Elektrode (17, 18, 19) verbunden ist, von der wenigstens ein Teil (18) mit dem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff verbunden ist und für die vom Leuchtstoff emittierte Strahlung durchlässig ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schicht aus einem elektrischen Leiter (17), durch eine zweite Schicht (10) aus einem piezoelektrischen Material, die auf der ersten Schicht aufgebracht ist und mit dieser einen Flächenkontakt bildet, durch eine dritte Schicht (16) aus einem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff, die auf der zweiten Schicht (10) aufgebracht ist und mit dieser einen Flächenkontakt bildet, durch eine vierte Schicht (18) aus einem elektrisch leitenden, lichtdurchlässigen Material und durch einen die erste Schicht mit der vierten verbindenden elektrischen Leiter (19 und 21), wobei durch diese Verbindung eine gemeinsame Elektrode entsteht.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine fünfte lichtleitende Schicht (23), die auf der vierten Schicht (18) aufgebracht ist und mit dieser einen Flächenkontakt bildet, durch eine sechste Schicht (24) aus einem elektrisch anzuregenden Leuchtstoff, die auf die fünfte Schicht (23) aufgebracht ist und mit dieser einen Flächenkontakt bildet, durch eine siebte Schicht (25) aus einem elektrisch leitenden, lichtdurchhåssigen Stoff, die auf der sechsten Schicht (24) aufgebracht ist und mit dieser einen Flächenkontakt bildet, und durch eine Vorrichtung (21), die zwischen der vierten und siebten Schicht (18, 25) eine elektrische Spannung anlegt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende fünfte Schicht (23) aus einem Stoff besteht, dessen größtes spektrales Ansprechvermögen bei etwa der gleichen Wellenlänge liegt wie das Maximum des Emissionsspektrums von dem Material, das als elektrisch anzuregender Leuchtstoff für die dritte Schicht (16) ausgewählt ist, und daß der elektrisch anzuregende Leuchtstoff der sechsten Schicht (24) aus einem Material besteht, das ein Maximum bei einer wesentlich anderen Wellenlänge im Emissionsspektrum als der Stoff aufweist, der als lichtleitende fünfte Schicht (23) ausgesucht ist.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 856 230; Zeitschrift für angewandte Physik, 1955, Heft 5, S. 213 bis 217; Trans. Illum. Eng. Soc. (London), 1955, S. 223 bis 243; Elektrizität, 1956, Februarheft, S. 45 bis 49; radio mentor, 1951, Heft 11, S. 547; Nachrichtentechnik, 1955, Februarheft, S.49 bis 51.
DEG22329A 1956-06-19 1957-06-18 Verfahren zur Beobachtung, Messung oder Anzeige eines durch Schwingungen mittels eines piezoelektrischen Materials hervorgerufenen Spannungszustandes Pending DE1115471B (de)

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