DE2700342B2 - Piezoelektrischer Meßwandler - Google Patents
Piezoelektrischer MeßwandlerInfo
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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.
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 (6)
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.
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