DE2700342B2

DE2700342B2 - Piezoelektrischer Meßwandler

Info

Publication number: DE2700342B2
Application number: DE2700342A
Authority: DE
Inventors: Donald Jack Mildenhall Suffolk Birchall (Ver. Koenigreich)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-05
Filing date: 1977-01-05
Publication date: 1980-01-31
Also published as: US4075525A; GB1507251A; DE2700342A1; DE2700342C3

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen MeIiwandler für Kräfte, Beschleunigungen, Drücke oder dergleichen gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Meßwandler dieser Art sind bekannt (GB-PS 9 01 195 bzw. 9 59 453). Bei einem ersten Typ eines solchen Meßwandlers ist eine Scheibe aus piezoelektrischem Material sandwichartig zwischen zwei metallischen Platten angeordnet, und es werden Beschleunigungskräfte in axialer Richtung eingeleitet (Fig. 2 und 3 der GB-PS 9 59 453). Ein solcher Meßwandler besitzt den Nachteil, daß er auch unechte Ausgangssignale als Fehlsignale erzeugt und daß sich seine Empfindlichkeit in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen ändert. Bei einem anderen Typ eines solchen Meßwandlers ist ein hohler Zylinder aus piezoelektrischem Material zwischen einem inneren zylindrischen Druckzapfen und einer äußeren zylindrischen Hülse montiert, wobei Scherdrehungen durch axiale Beschleunigungen hervorgerufen werden (GB-PS 9 01 195 bzw. Fig. I nach GB-PS 9 59 453). Letzterer Typ von Meßwandler ist zwar gegenüber Umgebungseinflüssen weniger empfindlich, er besitzt jedoch den Nachteil, daß das piezoelektrische Element mittels eines Klebers oder mittels Lötzinn mit dem metallischen Druckzapfen bzw. der metallischen Hülse verbunden werden muß. Solche Meßwandler sind daher nur bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Klebers bzw. des Lötzinns benutzbar. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei der Untersuchung von Gasturbinen, müssen solche Meß'.vandler jedoch oft wesentlich höheren Temperaturen widerstehen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Meßwandler der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der weitgehendst gegenüber Umgebungsein flüssen unempfindlich ist und keine Fehlsignalt erzeugt und auch bei hohen Temperaturen verwendbar ist

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Meßwandler laut Oberbegriff des Hauptanspruchs durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst

is Bei dem erfindungsgemäßen Meßwandler ist kein Kleber zum Verbinden des piezoelektrischen Elementes mit dem Druckzapfen bzw. der Hülse erforderlich, so daß ein solcher Meßwandler, der ansonsten die gleich guten Eigenschaften wie ein Meßwandler der oben erwähnten zweiten Art besitzt auch bei hohen Umgebungstemperaturen verwendet werden kann. Ein solcher erfindungsgemäßer Meßwandler eignet sich beispielsweise gut zur Schwingungsanalyse, er kann jedoch genauso gut zum Messen von Kräften, Drücken oder dgl. verwendet werden.

Das keramische bzw. piezoelektrische Element des neuen Meßwandlers ist bevorzugt gemäß Anspruch 2 gestaltet. Es ist jedoch auch möglich, daß die Neigungswinkel der Flächen des Elementes gegenüber seiner Achse unterschiedlich sind.

Die Klemmeinrichtung des Meßwandlers ist zweckmäßigerweise gemäß Anspruch 3 ausgebildet Anstatt einer solchen Klemmeinrichtung kann alternativ aber auch eine starke Federklammer verwendet werden.

Die piezoelektrische Eigenschaft des keramischen Elementes wird durch Polarisation erhalten, die auf elektrischem Wege vor der Formung des Elementes erzeugt werden kann. Die Polarisationsrichtung wird dabei von der beabsichtigten Schwingungsart abhängen.

Für Axialschwingungen wird eine Axial-Polarisation bevorzugt. Für Drehschwingungen kann eine Ring-Polarisation angewandt werden. Letztere kann durch Aufbau des Elementes aus einer Anzahl geeignet polarisierter Segmente erzielt werden. Bei Axialschwin gungen beruht die Wirkungsweise des Meßwandlers überwiegend auf Scherung des Elementes, obwohl, je nach Neigung der Oberflächen, auch eine Druckkomponente vorliegt. Im allgemeinen wird der Meßwandler so verwendet werden, daß der Druckzapfen fest mit der zu beschleunigenden Oberfläche verbunden ist und die Trägheits-Reaktion der Masse der Hülse die Erzeugung der Ausgangspotentiale bewirkt. Jedoch läßt sich der Beschleunigungsaufnehmer auch in umgekehrter Weise verwenden, indem die Hülse mit der zu beschleunigen den Oberfläche verbunden ist und das Ausgangssignal als Ergebnis der entsprechenden Schwingung des inneren Druckzapfens erhalten wird.

Die Hülse besteht bevorzugt aus dem im Anspruch 4 angegebenen Material, das eine hohe Dichte hat und sich gut bearbeiten läßt. Der Druckzapfen kann aus dem gleichen Material hergestellt sein, besteht besser aber gemäß Anspruch 5 aus rostfreiem Stahl. Ein anderes geeignetes Material für den Druckzapfen ist Titan.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati-

scher Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine auseinandergezogene Seitenansicht eines Meßwandlers:

F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt dieses MeQwandlers nach F i g, I im zusammengebauten Zustand.

Der dargestellte Meßwandler umfaß: einen inneren Druckzapfen 1 aus rostfreiem Stahl mit einem Gewindestutzen 2, mit welchem sich der Meßwandler an einer Fläche anschrauben läßt, deren Beschleunigung gemessen werden solL Der Druckzapfen umfaßt einen mit dem Gewindestutzen 2 einstückigen Körper 3, der eine konische Außenfläche 4 besitzt und mit einem Innengewinde versehen ist

Ein keramisches piezoelektrisches Element aus Blei-Zirkonat-Titanat, einem auch als PZT5A bekannten Material, ist als hohler Kegelstumpf 5 mit einer konischen Innenfläche 6 und einer dazu parallelen konischen Außenfläche 7 ausgebildet Die Innenfläche 6 hat die gleiche Gestalt und Größe wie die konische Außenfläche 4 des Druckzapfens.

Eine Hülse 8 aus einer Wolfram-Kupfer-Legierung sitzt auf dem Element 5. Die Hülse hat eine konische Innenfläche 9, welche die gleiche Größe und Gestalt wie die Außenfläche 7 des Elementes 5 hat Der Meßwandler ist mittels eines Bolzens !0 zusammengehalten, der durch eine Klemmplatte 1! aus rostfreiem Jvtahl und eine Isolierscheibe 12 aus Glimmer hindurchreicht Der Bolzen 10 ist in den Druckzapfen eingeschraubt, so daß eine Klemmeinrichtung gebildet ist welche die Bauteile des Meßwandlers mittels axialer Klemmkräfte zusammenhalt. Hierbei ist das Element 4 sandwichartig zwischen dem Druckzapfen und der Hülse eingespannt, wobei die konischen Innen- und Außenflächen in innigem gegenseitigem Kontakt stehen.

Beim Einsatz wird der Meßwandler mittels des Gewindestutzens 2 in ein Aufnahmegewinde eines Körpers eingeschraubt, dessen Schwingungen analysiert werden sollen. Die Schwingungen des Körpers führen dazu, daß das piezoelektrische Element aufgrund des piezoelektrischen Effekts Spannungen zwischen seiner Innen- und Außenfläche erzeugt Das Element 5 ist hierzu in axialer, durch kleine Pfeile angedeuteter Richtung piezoelektrisch polarisiert Die Spannungen im Element 5 werden durch die Trägheitsreaktion der Hülse 8 hervorgerufen; die der Beschleunigung proportionalen Potentiale werden durch nicht gezeigten elektrischen Kontakt mit der Hüise 8 abgegriffen und beziehen sich deshalb auf das Potential des Druckzapfens 1.

Der Schraubbolzen 10 erzeugt eine statische Vorbelastung des Elementes 5. Spannungen, die auf die Beschleunigung zurückgehen, werden im keramischen Element hervorgerufen, wobei die Ansprecheigenschaften teilweise von der relativen Nachgiebigkeit der piezoelektrischen Anordnung und des aus Stahl bestehenden Schraubbolzens 10 abhängen. Die Spannungen im Element 5 sind teilweise Scherspannungen und teilweise Druckspannungen.

Bei dem genannten piezoelektrischen Ma.erial PZT5A ist die obere Grenze der Arbeitstemperatur durch den piezoelektrischen Curie-Punkt von 380⁰C festgelegt. Es können jedoch auch andere piezoelektrische Keramikwerkstoffe benutzt werden, z. B. Blei-Metaniobat (PbNb₂O₆), bei welchem der Curie-Punkt bei 57O°C liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Meßwandler für Kräfte, Beschleunigungen, Drücke oder dergleichen, mit einem hohlen piezoelektrischen keramischen Element, das sandwichartig zwischen einem metallischen Druckzapfen und einer metallischen Hülse gefaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (5) eine konische Innenfläche (6) und eine konische Außenfläche (7) besitzt, daß die Innen- und die Außenfläche beide gegenüber der Achse des Elementes im gleichen Sinne geneigt sind, daß der Druckzapfen (3) und die Hülse (8) konische Flächen (4; 9) besitzen, welche einen innigen Flächenkontakt mit der konischen Innenfläche bzw. der konischen Außenfläche des Elementes (5) herstellen, und daß eine Klemmeinrichtung (10, 11) vorgesehen ist, welche den Druckzapfen, das Element und die Hülse mittels einer axialen Kraft zusammenhält.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Element (5) ein hohler K.c«relstumpf ist. dessen beide konischen Flächen (6, 7) den gleichen Neigungswinkel gegenüber der Achse haben.

3. Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung einen Bolzen (10) umfaßt, welcher in den Druckzapfen (3) eingeschraubt ist und eine Klemmplatte (11) an die Hülse (8) heranzieht.

4. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Hülse (8) aus einer gesinterten Wolfram-Kupfer-Legierung besteht.

5. Meßwandler nad/ einen; Jer Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichne;, daß mindestens der Druckzapfen (3) aus rostfreiem Stahl ö steht.

6. Meßwandler nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische keramische Element (5) axial polarisiert ist.