UA65037A - Piezoelectric mechanical-electric transducer - Google Patents

Abstract

The proposed piezoelectric mechanical-electric transducer contains an asymmetric bimorph transducer and a matching amplifier. The bimorph transducer contains a metallic plate and a thickness-polarized disk piezoelectric element with a disk electrode and a ring-shaped electrode that are arranged coaxially to each other. The disk electrode is connected to the output of the matching amplifier. The ring-shaped electrode and the metallic plate are connected to the common terminal of the transducer electric circuit. Between one of the end surfaces of the piezoelectric element and the metallic plate, a layer of dielectric material is provided.

Description

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний в промисловості і лабораторній практиці для виміру механічних величин.The invention relates to measuring equipment and can be used in industry and laboratory practice to measure mechanical quantities.

Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить два п'єзоелемента, які з'єднаних між собою механічно та електрично, узгоджувальний підсилювач напруги, вхід якого з'єднаний з електродом одного з п'єзоелементів, а вихід - з електродом другого п'єзоелемента, інші електроди п'єзоелементів з'єднані між собою та з загальним проводом схеми (див. Джагупов Р.Г. Ерофеев А.А. Пезоелектроннье устройства вьічислительной техники и систем контроля и управления. Спр. - СПб. Политехника, 1994, стр.138, рис.4.8).A known piezoelectric transducer of mechanical quantities, containing two piezo elements that are mechanically and electrically connected to each other, a matching voltage amplifier, the input of which is connected to the electrode of one of the piezo elements, and the output to the electrode of the second piezo element piezoelectric element, the other electrodes of the piezo elements are connected to each other and to the common wire of the circuit (see Dzhagupov R.G. Erofeev A.A. Piezoelectronic devices of computer equipment and systems of control and control. Spr. - St. Petersburg Polytechnic, 1994, p. .138, fig. 4.8).

Недоліком цього перетворювача є порівняно вузький частотний діапазон. Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить узгоджувальний підсилювач напруги та асиметричний біморфний елемент, який складається з металевої пластини та дискового п'єзоелемента, який поляризований по товщині, з електродами, що розміщені на торцевих поверхнях п'єзоелемента (див. патент України 43964 А, МКИ СО0111/16,The disadvantage of this converter is a relatively narrow frequency range. A known piezoelectric transducer of mechanical quantities, containing a matching voltage amplifier and an asymmetric bimorph element, which consists of a metal plate and a disc piezo element, which is polarized in thickness, with electrodes placed on the end surfaces of the piezo element (see patent of Ukraine 43964 A, MKY СО0111/16,

С0О1Р15/09 по заявці Ме2000063244 від 06.06.00, опубл. 15.01.02, Бюл. Ме1).С0О1Р15/09 according to the application Me2000063244 dated 06.06.00, publ. 15.01.02, Bul. Me1).

Недоліком цього перетворювача є порівняно вузький частотний діапазон. Зазначений перетворювач найбільш близький по технічній сутності й обраний в якості прототипу.The disadvantage of this converter is a relatively narrow frequency range. The specified converter is the closest in terms of technical essence and was chosen as a prototype.

В основу винаходу поставлена задача розширення робочого діапазону частот перетворювача шляхом додавання і місця розташування діелектрика.The basis of the invention is the task of expanding the operating frequency range of the converter by adding and locating the dielectric.

Перетворювач, що заявляється, містить асиметричний біморфний елемент, що складається з металевої пластини та дискового п'єзоелемента, який поляризований по товщині, з електродами, які підключені до входу узгоджувального підсилювача та загального проводу схеми.The claimed transducer comprises an asymmetric bimorph element consisting of a metal plate and a disk piezo element which is thickness polarized, with electrodes which are connected to the input of the matching amplifier and the common wire of the circuit.

Перетворювач відрізняється тим, що між однією з торцевих поверхонь п'єзоелемента та металевою пластиною розміщений діелектрик, а електроди п'єзоелемента на другій торцевій поверхні виконані у вигляді диска та кільця та розміщені співвісно, причому дисковий електрод підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги, а кільцевий електрод з металевою пластиною - до загального проводу схеми.The converter differs in that a dielectric is placed between one of the end surfaces of the piezo element and the metal plate, and the electrodes of the piezo element on the second end surface are made in the form of a disk and a ring and are placed coaxially, and the disk electrode is connected to the input of the matching voltage amplifier, and the ring electrode an electrode with a metal plate - to the common wire of the circuit.

Усі перераховані у формулі ознаки є необхідними і достатніми для досягнення технічного результату.All the features listed in the formula are necessary and sufficient to achieve a technical result.

Технічним результатом винаходу є розширення робочого діапазону частот.The technical result of the invention is the expansion of the working frequency range.

Винахід пояснюється кресленнями, де: на фіг.1 - показана електрична схема перетворювача, що заявляється.The invention is explained by the drawings, where: Fig. 1 shows the electrical circuit of the claimed converter.

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин містить асиметричний біморфний елемент, що складається з металевої пластини 71 та дискового п'єзоелемента 2, який поляризований по товщині, з електродами у вигляді диска З та кільця 4, які розміщені співвісно, причому дисковий електрод З підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги 5, а кільцевий електрод з металевою пластиною - до загального проводу схеми. Між металевою пластиною 1 та п'єзоелементом 2 розміщений діелектрик 6.The piezoelectric transducer of mechanical quantities contains an asymmetric bimorph element consisting of a metal plate 71 and a disc piezo element 2, which is polarized in thickness, with electrodes in the form of a disc Z and a ring 4, which are placed coaxially, and the disc electrode Z is connected to the input matching voltage amplifier 5, and the ring electrode with a metal plate - to the common wire of the circuit. A dielectric 6 is placed between the metal plate 1 and the piezo element 2.

Перетворювач працює наступним чином. Механічний вплив Е (сила, тиск, прискорення та ін.) створює на електродах З та 4 п'єзоелемента 2 електричну напругу, яка підсилюється узгоджу вальним підсилювачем 5.The converter works as follows. The mechanical effect E (force, pressure, acceleration, etc.) creates an electric voltage on the electrodes З and 4 of the piezo element 2, which is amplified by the matching shaft amplifier 5.

Так як між металевою пластиною 1 та п'єзоелементом 2 розміщений діелектрик, то металева пластина 1 не виконує роль електрода на другій торцевій поверхні п'єзоелемента. В результаті цього, вектор напруженості електричного поля вихідного сигналу створює з вектором поляризації Р кут 4, причому 0 (о 90 - Це, як показали експерименти, приводить до збільшення власного опору п'єзоелемента перетворювача (внутрішнього тертя), за рахунок чого коливальний п'єзокерамічний елемент перетворюється в аперіодичний ланцюг. В результаті цього амплітудно-частотна характеристика п'єзоперетворювача вирівнюється (зникає резонанс), а отже, розширюється робочий діапазон частот.Since a dielectric is placed between the metal plate 1 and the piezo element 2, the metal plate 1 does not act as an electrode on the second end surface of the piezo element. As a result, the electric field intensity vector of the output signal creates an angle of 4 with the polarization vector P, and 0 (about 90 - This, as experiments have shown, leads to an increase in the own resistance of the piezo element of the transducer (internal friction), due to which the oscillating p' the isoceramic element turns into an aperiodic circuit.As a result of this, the amplitude-frequency characteristic of the piezo transducer is leveled (resonance disappears), and therefore the operating frequency range is extended.

Причина зміни власного опору пов'язана з впливом упорядкованої доменної структури поляризованої п'єзокераміки на рух носіїв заряду - активний опір втрат уздовж вектора поляризації в кілька разів менше тієї ж величини, яка обміряна перпендикулярно вектору поляризації.The reason for the change in intrinsic resistance is related to the influence of the ordered domain structure of polarized piezoceramics on the movement of charge carriers - the active resistance of losses along the polarization vector is several times less than the same value, which is measured perpendicular to the polarization vector.

Підключення дискового електрода З до входу узгоджувального підсилювача напруги 5, а кільцевого електрода з металевою пластиною - до загального проводу схеми, дозволяє одержати максимальну чутливість п'єзоперетворювача.Connecting the disc electrode C to the input of the matching voltage amplifier 5, and the ring electrode with a metal plate to the common wire of the circuit, allows you to get the maximum sensitivity of the piezo transducer.

Приклад конкретного застосування.An example of a specific application.

Був виготовлений п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить металеву пластину з напівтвердої латуні Лб3, діаметром 36 мм та товщиною 0,З3мм, і дисковий п'єзоелемент діаметром 30 та товщиною 0,Змм із п'єзокераміки ЦТО-19 з електродами у вигляді диска діаметром 15мм та кільця з внутрішнім діаметром 17 та зовнішнім - ЗОмм. Між металевою пластиною та п'єзоелементом була розміщена діелектрична (склотекстолітова) пластина діаметром 30 та товщиною 0,Змм. Дисковий електрод підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги, а кільцевий електрод з металевою пластиною - до загального проводу схеми. Узгоджувальний підсилювач зібраний на мікросхемі К140УДв8, вхідний опір 1, 8МОМм.A piezoelectric transducer of mechanical quantities containing a metal plate made of semi-solid brass Lb3, with a diameter of 36 mm and a thickness of 0.33 mm, and a disc piezo element with a diameter of 30 and a thickness of 0.3 mm made of piezoceramic TsTO-19 with electrodes in the form of disc with a diameter of 15 mm and a ring with an inner diameter of 17 mm and an outer diameter of 3 mm. A dielectric (glass-textile) plate with a diameter of 30 mm and a thickness of 0.3 mm was placed between the metal plate and the piezo element. The disk electrode is connected to the input of the matching voltage amplifier, and the ring electrode with a metal plate is connected to the common wire of the circuit. The matching amplifier is assembled on the K140UDv8 microcircuit, the input resistance is 1.8 MΩm.

П'єзоперетворювач піддавався впливу акустичного тиску 10 Па, яке створювалося акустичною камерою в діапазоні від 20Гц до 1О0кГц. До виходу підключався цифровий вольтметр В7-38. Як показали експерименти, АЧХ перетворювача лінійна в діапазоні від 20Гц до 1ОкГц. При підключенні ж прототипу, був резонанс на частоті 4 8кГц, що обмежувало робочий діапазон частот приблизно до ЗкГЦц.The piezo transducer was exposed to an acoustic pressure of 10 Pa, which was created by an acoustic chamber in the range from 20Hz to 1O0kHz. A digital voltmeter B7-38 was connected to the output. As experiments have shown, the frequency response of the converter is linear in the range from 20 Hz to 1 kHz. When connecting the prototype, there was a resonance at a frequency of 4 8kHz, which limited the operating frequency range to approximately 3kHz.

во і о. ! ши шк чЩ пе й ра: Ше» "6in and out ! ши шк чЩ pe и ra: Ше» "6

Фіг.Fig.

Claims (1)

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин, який містить асиметричний біморфний елемент, що складається З металевої пластини та дискового п'єзоелемента, який поляризований по товщині, з електродами, що підключені до входу узгоджувального підсилювача та загального проводу схеми, який відрізняється тим, що між однією з торцевих поверхонь п'єзоелемента та металевою пластиною розміщений діелектрик, а електроди п'єзоелемента на другій торцевій поверхні виконані у вигляді диска та кільця 1 розміщені співвісно, причому дисковий електрод підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги, а кільцевий електрод з металевою пластиною - до загального проводу схеми.A piezoelectric transducer of mechanical quantities that contains an asymmetric bimorph element consisting of a metal plate and a disk piezo element that is thickness polarized, with electrodes connected to the input of a matching amplifier and a common wire of the circuit, which is distinguished by the fact that between one a dielectric is placed from the end surfaces of the piezo element and a metal plate, and the electrodes of the piezo element on the second end surface are made in the form of a disc and ring 1 are placed coaxially, and the disc electrode is connected to the input of the matching voltage amplifier, and the ring electrode with a metal plate is connected to the common wiring diagram.