Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Druckwandler, bei welchem ein elektrisches Signal an zwei parallelen Planflächen eines piezoelektrischen Elementes als Reaktion auf die Relativbewegung zweier mechanischer Glieder, die durch parallel zu einer auf den Planflächen senkrechten Achse wirkende Kräfte aufeinander zu bewegt werden können, entwickelt wird, wobei das piezoelektrische Element zwischen den beiden mechanischen Gliedern angeordnet ist und Mittel zum Zuleiten eines solchen Signals zu einer auf das Signal ansprechende Nutzeinrichtung vorgesehen sind.
Zweck der Erfindung ist, einen elektrostatischen Druckwandler zu schaffen, der in einem weiten Temperaturbereich mit Temperaturen oberhalb 540 C einen hohen Wirkungsgrad aufweist und der insbesondere als piezoelektrischer Beschleunigungsmesser ausgebildet werden kann.
Ein solcher elektrostatischer Druckwandler ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element aus mindestens einem Lithium-Niobat-Kristall besteht, dessen Z-Achse mit einer auf den parallelen Planflächen senkrechten Achse einen Winkel im Bereich von -51,4 # 10 einschliesst.
Es ist bekannt, dass Lithium-Niobat in monokristalliner Form piezoelektrisch ist und dass seine piezoelektrischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen, wie bei Temperaturgraden oberhalb von 760 OC, sowie bei niedrigen Temperaturen, wie bei Temperaturgraden von -50 C, erhalten bleiben. Die Empfindlichkeit eines ein solches Material enthalten den Beschleunigungsmessers hängt z. T. davon ab, wie der Kristall geschnitten ist und wie er der Beschleunigung unterworfen wird. Bei dem Druckwandler nach der Erfindung kann der Lithium-Niobat-Kristall die Form eines Drehkörpers haben, der einem Kompressionsdruck ausgesetzt wird, wobei die Achse grösster Empfindlichkeit unter einem Winkel von rund -51,4 zur Z-Achse oder optischen Kristallachse geneigt ist und im ersten und dritten Quadranten der Y-Z-Ebene des Kristalls liegt.
Die Elektroden sind auf Kristallflächen angeordnet, die in Normalebenen zur Achse maximaler Empfindlichkeit liegen und die Druckkräfte wirken senkrecht auf diese Kristallflächen. Beschleunigungsmesser mit einem solchen Lithium-Niobat-Kristall besitzen nicht nur eine hohe Empfindlichkeit bei hohen Temperaturen, sondern sind auch im wesentlichen frei von Querachsen-Empfindlichkeit. Mit besonderen Vorsichtsmassnahmen kann für einen Lithium-Niobat enthaltenden Beschleunigungsmesser auch bei solchen hohen Temperaturen eine lange Lebensdauer erreicht werden.
Der Druckwandler nach der Erfindung ist besonders in einem Beschleunigungsmesser nützlich. Ein solcher Beschleunigungsmesser weist eine hohe Resonanzfrequenz auf.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung und teilweise im Schnitt einen symmetrischen Beschleunigungsmesser von Ringform in einer beispielsweisen Ausführung nach der Erfindung und
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Erfindung.
Der in Fig. 1 gezeigte Beschleunigungsmesser 8 weist einen Behälter mit einer Grundplatte 10 und einem einen zylindrischen Hohlraum 14 umschliessenden Gehäuse 12 auf und enthält ein Paar beschleunigungsempfindlicher Elemente 16, die auf einem von der Grundplatte 10 abstehenden Zapfen 18 konzentrisch mit Abstand vom Zapfen angeordnet sind. Auf der Grundplatte 10 ist ein Isolator in Form einer isolierenden Scheibe oder Plattform 11 montiert, durch die das anliegende beschleunigungsempfindliche Element 16 von der Grundplatte 10 elektrisch isoliert ist. Der Beschleunigungsmesser ist an einem der Erprobung unterzogenen Objekt 9 befestigt. Der Beschleunigungsmesser ist so konstruiert, dass seine Achse A-A maximaler Empfindlichkeit parallel zur Achse des Zapfens 18 und senkrecht auf der Grundplatte 10 ist.
Der Beschleunigungsmesser wird in einer Montage zur Bestimmung der Beschleunigungskomponente längs einer vertikalen Achse beschrieben.
Die beiden beschleunigungsempfindlichen Elemente 16 be stehen aus zwei piezoelektrischen Kristallen, die bei Beschleunigung des Beschleunigungsmessers 8 die Werte der Beschleunigungskomponente in Richtung der Achse A-A dar stellen. Die bei einer solchen Beschleunigung von den Kristallen abgegebenen elektrischen Signale werden einer Nutzeinrichtung 24 mit einem Ladungsverstärker 20 und einem Registriergerät 22 zugeleitet.
Der Zapfen 18 kann mit der Grundplatte 10 einstückig oder auf der Grundplatte durch Verschrauben, Verlöten oder sonstwie befestigt sein. Das Gehäuse 12 ist an die Grundplatte 10 angeschweisst oder an dieser auf irgendeine Art befestigt Das Gehäuse 12 ist mit einer kleinen Öffnung 30 versehen, durch die der Hohlraum 14 mit der Aussenatmosphäre für einen an späterer Stelle beschriebenen Zweck in Verbindung steht.
Der zylindrische Zapfen 18 weist eine glatte Aussenfläche auf und seine vertikale Achse verläuft parallel zur Beschleunigungsachse A-A. Das obere Ende des Zapfens 18 ist mit einem Gewinde zum Aufschrauben einer Schraubenmutter 19 versehen. Jedes der beiden beschleunigungsempfindlichen Elemente 16 ist zwischen einer plattenförmigen Aussenelektrode 50 und einer gemeinsamen inneren plattenförmigen Elektrode 51 gehalten.
Die beiden beschleunigungsempfindlichen Elemente 16 sind Kristalle, wie erwähnt, und so angeordnet, dass ihre positiv gepolten Flächen an der gemeinsamen Elektrode 51 anliegen. In jedem Falle sind die beiden Kristalle mit antiparallelen Z-Achsen montiert. Die plattenförmigen Elektroden 50 und 51 sind aus einem weichen elektrisch leitenden Metall, wie aus Gold oder einem ähnlichen Material hergestellt.
Es ist zu bemerken, dass die Anordnung symmetrisch ist.
Die Elektroden und Kristallelemente haben je ein zentrales Loch mit glatter Wandung, so dass der Stapel aus Elektroden und Kristallen auf dem Zapfen 18, der von der Grundplatte 18 mitten durch den Stapel aufwärts ragt, angeordnet werden kann, ohne dass die Elektroden und Kristalle den Zapfen berühren. Zwischen Zapfen 18 und den Elektroden sowie Kristallen kann auch eine elektrisch isolierende Buchse eingesetzt werden.
Oben auf dem Stapel aus Elektroden und Kristallen ist eine ringförmige Inertialmasse 70 mit zentraler Bohrung angeordnet. Zwischen der Inertialmasse 70 und der oberen plattenförmigen Elektrode 50 befindet sich ein elektrischer Isola- tor 74, in der Form einer isolierenden Scheibe. Der gesamte Stapel wird durch die Schraubenmutter 19, die auf das obere Ende des Zapfens 18 aufgeschraubt und in einer oben in der Inertialmasse 70 vorhandenen Ausnehmung 72 versenkt ist.
an die Grundplatte 10 angedrückt.
Die Isolatoren 11 und 74 bilden zwischen der Grundplatte 10 und der zugekehrten plattenförmigen Elektrode 50 sowie zwischen der Inertialmasse 70 und der dieser zugekehrten Elektrode 50 Gleitflächen. Lithium-Niobat-Kristalle haben die Eigenschaft, sich längs verschiedenen Achsen um unterschiedliche Beträge auszudehnen und zusammenzuziehen und eine solche Gleitfläche verringert Deformationen, die ohne sie infolge der sich ausbildenden Spannungen zwischen den aneinanderliegenden Flächen des Kristalls und der Grundplatte und des Kristalls und der Inertialmasse auftreten würden.
Die Stirnflächen 52a und 52b (Fig. 2) sind bei jedem Kri stallelement 16 mit Elektroden 54a und 54b beschichtet.
Jede der Elektroden besteht aus einer dünnen inneren Schicht LI aus einem leitenden Material, wie aus aufgedampftem oder aufgestäubtem Chrom, und einer dünnen Aussenschicht LO aus einem korrosionsbeständigen, weichen, geschmeidigen Material, wie z. B. Gold. Die eine Stirnfläche 52b jedes Kristall-Elementes 16 ist in metallischem Kontakt mit der plattenförmigen Elektrode 50. Die andere Stirnfläche 52a jedes Kristalls ist in metallischem Kontakt mit der gemeinsamen inneren plattenförmigen Elektrode 51.
Die Kristalle 16 haben die Form zylindrischer Ringe oder Platten und die zylindrischen Mantelflächen sind frei von Metall, so dass die beiden Elektrodenschichten 54a und 54b bei jedem Kristall voneinander elektrisch isoliert sind und einen Kondensator bilden, bei dem die durch die Elektrodenschichten 54a und 54b gebildeten Beläge durch das aus dem piezoelektrischen Element gebildeten dielektrischen Material auf Abstand gehalten sind. Die Stirnflächen der Kristalle sind auf optische Güte polierte Schnittflächen und die Chrom- und Goldschichten sind dünn und von gleichmässiger Dicke. Das Gold ist ausreichend weich und geschmeidig, um einen völlig gleichmässigen Kontakt der Kristallstirnflächen mit den plattenförmigen Elektroden 50 und 51 zu gewährleisten.
Die Inertialmasse 70, die Kristalle 16 und die Elektrodenplatten 50 und 51 sind mittels des Zapfens 18, welcher sich durch die im Durchmesser grösseren Zentralbohrungen der Elektrodenplatten und der Kristalle vertikal hindurch erstreckt und die den gesamten Stapel unter Druck setzende Schraubenmutter 19 zusammengehalten.
Die Aussenelektroden 50 sind elektrisch miteinander durch zwei Paare Befestigungslappen 60 und 62 verbunden.
Bei zusammengesetztem Beschleunigungsmesser haben die Befestigungslappen jedes Paares miteinander Kontakt. Die Paare Befestigungslappen 60 und 62 sind miteinander durch eine leicht flexible elektrische Verbindung 80 verbunden, die von der Grundplatte 10 elektrisch isoliert ist und durch eine Bohrung 65 in der Grundplatte 10 zum Kontakt 66 eines Kabelanschlusses 64 führt. Die Elektrodenplatte 51 ist mit einander gegenüberliegenden Befestigungslappen 63 versehen, die miteinander durch eine andere elektrische Verbindung 82 verbunden sind, welche ebenfalls von der Grundplatte 10 elektrisch isoliert ist und durch die Bohrung 65 zum Kontakt 68 des Kabelanschlusses 64 führt.
Alle mechanischen Teile, d. h. die Grundplatte 10, der Zapfen 18, das Gehäuse 12 und die Schraubenmutter 19 sind aus Inconel gefertigt. Dieses Metall ist für diesen Zweck vorzuziehen, da sein Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem des Lithium-Niobat-Kristalls praktisch übereinstimmt und es bei hohen Temperaturen korrosionsbeständig ist. Die Isolatoren 11 und 74 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. aus Aluminiumoxyd.
Bei der z. Zt. bekannten besten Ausführung des Erfindungsgegenstandes sind die piezoelektrischen Kristalle 16 ringförmige Lithium-Niobat-Kristalle, die mit ihren parallelen Stirnflächen 52a und 52b senkrecht zu einer Achse in der Y-Z-Kristallebene geschnitten sind, welche Achse unter einem Winkel # von etwa -51,4 + 10 zur Z-Achse eines gedrehten Z-Schnitt-Kristalls geneigt ist. Dies wird im folgenden als die Z-51,4 -Ebene bezeichnet. Die Z-51,4 -Achse ist somit in der Y-Z-Ebene um etwa 51,4 von der Z-Achse des Kristalls gedreht und liegt im ersten und dritten Quadranten.
Die Z-51,4 -Achse ist der A-A-Achse maximaler Empfindlich keit parallel. Die Y-52,4 -Achse ist in der Y-Z-Ebene um etwa 51,4 von der Y-Kristallachse gedreht und liegt im zweiten und vierten Quadranten.
Es ist experimentell festgestellt worden, dass ein Beschleunigungsmesser nach der Erfindung eine Ausgangsspannung liefert, die proportional zur Grösse der Beschleunigungskomponente senkrecht zur Z-51,4 + 10 -Ebene ist und dass der Beschleunigungsmesser unempfindlich auf Beschleunigungskomponenten in anderen Richtungen ist. Erfolgt die Beschleunigung parallel zu einer Achse, die in der Y-Z-Ebene gegen über der Z-Achse um weniger als -41,4 oder mehr als -61,4 gedreht ist, so wird die Quer-Achsen-Empfindlichkeit unannehmbar gross, d. h. es zeigt sich eine Empfindlichkeit auf Beschleunigungen in anderen Richtungen. Bei Beanspruchung durch Scherkräfte liefert der Beschleunigungsmesser im wesentlichen keine Signale.
Lithium-Niobat-Kristalle sind Kristalle der Kristallklasse mit zur Gruppe 3m gehörigen Symmetrieeigenschaften. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt der Kristall drei Spiegelebenen M, die sich in Richtungen parallel zur Z- oder optischen Achse erstrecken. Diese Ebenen schneiden einander paarweise in zur optischen- oder Z-Achse parallelen Schnittlinien und die Dihedralwinkel betragen 120 . In Fig. 2 sind die Spiegelebenen so dargestellt, als ob sie von einer gemeinsamen Achse D-D, die parallel zur optischen Achse Z ist, ausgehen würden. Tatsächlich sind die Ebenen jedoch unbegrenzt, so dass jede Ebene den Flächenwinkel zwischen den jeweils beiden anderen Ebenen schneidet. Wegen der dreifachen Symmetrie kann die zur Z-Achse senkrechte Y-Achse in jeder Spiegelebene M angenommen werden.
Ferner ist für jede Symmetrieebene die X-Achse senkrecht sowohl zur Y-Achse wie auch zur Z-Achse, anders ausgedrückt, eine X-Achse ist senkrecht auf der entsprechenden Spiegelebene M.
Die maximale Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers auf Kompressionskräfte tritt bei Kräften auf, die in einer zur Z-51,4 -Ebene des Kristalls senkrechten Richtung wirken.
Ein Lithium-Niobat-Kristall ist durch acht piezoelektrische Koeffizienten gekennzeichnet, von welchen vier voneinander unabhängig sind, wie dies aus der nachfolgenden Aufstellung hervorgeht:
Beanspruchungs-Mode Ausgangs- 1 2 3 4 5 6 Mode Kompressionsachse Scherachse
X Y Z X Y Z 1. X 0 0 0 0 d15 d16 = -2d22 2 Y d21 = -d22 d22 0 d24 = d15 0 0 3. Z d31 d32 = d31 d33 0 0 0
Die verschiedenen piezoelektrischen Koeffizienten dij haben folgende Werte: d15 = 6,8 X 10-11 C/N d22 = 2,1 x 10-11 C/N d31 = 0,1 X 10-11 C/N d33 = 0,6 x 10-11 C/N wobei C/N eine Abkürzung für Coulomb per Newton bedeutet. Bei dem Glied du bezieht sich die erste Indexzahl auf die elektrodenbeschichtete Kristallfläche und die zweite Indexzahl auf den Typ und die Richtung der Beanspruchung.
Mit den Ziffern 1, 2 und 3 sind Kompressionsbeanspruchungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achse bezeichnet.
Die vorstehend aufgeführte piezoelektrische Matrix ist ein Beispiel für einen mathematischen Tensor. Es sind mathematischen Gesetze für die Berechnung bekannt, wie sich ein in einem gegebenen Koordinatensystem ausgedrückter Tensor beim Übergang in ein gedrehtes anderes Koordinatensystem ändert. Das Ausdrücken des vorstehenden piezoelektri schen Tensors in einem gedrehten Koordinatensystem ist das Äquivalent für die Berechnung der piezoelektrischen Matrix für einen Kristallwürfel, dessen Flächen in einem solchen gedrehten Koordinatensystem orientiert sind. Eine solche Berechnung für Lithium-Niobat kann mittels eines Rechners ausgeführt werden.
Für den ringförmigen piezoelektrischen Kristall, dessen Achse A-A unter einem Winkel von -51,4 zur Z-Achse verläuft, zeigt die nachstehende Matrix die piezoelektrischen Koeffizienten in 10-12 CoulomblNewton:
Beanspruchungs-Mode Ausgangs- 1 2 3 4 5 6 Mode Kompressions-Achse Scherachse
X Y-51,4 Z-51,4 X Y-51,4 Z-51,4 1. X 0 0 0 0 9,59 -79,37 2. Y-51,4 -12,32 -18,15 27,34 8,71 0 -79,37 3. Z-51,4 -17,04 -17,48 37,01 -0,02 0 0
Bei dem vorstehend beschriebenen Kristall mit den Elektroden auf den Z-51,4 Kristallflächen werden auf Scherung um die Y-51,4 -Achse oder Z-51,4 -Achse keine Signale und bei Scherung um die X-Achse wegen des niedrigen Koeffizienten d34 = -0,02 nur sehr schwache Signale erhalten.
Durch Verfeinerung des Drehwinkels kann der d34-Koeffi- zient so klein wie gewünscht gemacht werden. So ist z. B.
bei einer Z-51,383 -Drehung der d34-Koeffizient 0,001 x 1012 C/N. Dass der d34-Koeffizient für gewisse Drehwinkel um die Achse gleich Null ist, beruht auf der 3m-Symmetrie des Kristalls. Die genaue Position des Winkels ist von den Werten für die piezoelektrischen Koeffizienten abhängig. Ein Kristall der im wesentlichen aus Lithium-Niobat besteht, jedoch auch Störstellen enthält, wird für die Koeffizienten von den vorstehend angegebenen etwas abweichende Werte haben und deshalb wird sein d34-Koeffizient bei einem von Z-51,4 etwas abweichenden Winkel gleich Null sein.
Bei dem vorstehend beschriebenen Kristall stehen lediglich die Z-51,4 -Flächen in elektrischer Verbindung mit der Nutzeinrichtung 24. Da alle Scherkoeffizienten vernachlässigbar niedrig sind, spricht der Wandler nur auf Kompressionskräfte an, die parallel zur Y-, Y-51,4 und Z-51,4 -Achse wir ken. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beschleunigungsmesser ist die Inertialmasse so angeordnet, dass auf den Kristall Kompressionskräfte parallel zur Z-51,4 -Achse einwirken, wenn der Beschleunigungsmesser in Richtung parallel zur Z-51,4 -Achse beschleunigt ist.
Eine Beschleunigung senkrecht zur Z-51,4 -Achse führt zu keiner Kompression längs der X- oder Y-51,40-Achse.
Das Instrument ist deshalb auf Beschleunigung in Richtung parallel zur Z-51,4 -Achse empfindlich, nicht aber auf Beschleunigung senkrecht zur Z-51,4 -Achse.
Bei dem Beschleunigungsmesser treten jedoch primäre und sekundäre pyroelektrische Effekte in Erscheinung, die Änderungen des Ausgangssignals verursachen. Solche Tempe raturänderungen finden jedoch im allgemeinen nur langsam statt und die durch sie verursachten Signaländerungen haben im Vergleich mit den Beschleunigungssignalen eine extrem niedrige Frequenz, so dass diese niederfrequenten Ände rungen ausgefiltert werden können und nur die Beschleunigungssignale erhalten werden.
Wenn der in Fig. 1 gezeigte Beschleunigungsmesser in
Richtung der A-A-Achse maximaler Empfindlichkeit beschleunigt wird, werden bei jedem Kristall die Elektroden 54a und 54b proportional zur Beschleunigung elektrisch aufgeladen und wenn der Beschleunigungsmesser in irgendeiner anderen Richtung beschleunigt wird, rührt ein abgegebenes Signal von einiger Bedeutung nur von der Beschleunigungskomponente in Richtung der Achse A-A her.
Besondere Vorsichtsmassnahmen sind zur Erzielung einer langen Lebensdauer solcher Beschleunigungsmesser vorzusehen, wenn diese bei hohen Temperaturen und niedrigen Drücken oder in Anwesenheit von leicht reduzierender Atmosphäre betrieben werden. Solche Vorsichtsmassnahmen sind wichtig, weil, wie gut bekannt ist, Lithium-Niobad verhältnismässig leicht reduziert, d. h. seinen Sauerstoff verliert, wenn es einer Atmosphäre ausgesetzt wird. in der der Partialdruck des Sauerstoffs niedrig ist. Die Reduktionsgeschwindigkeit nimmt mit der Temperatur zu. Durch den Verlust an Sauerstoff wird der spezifische Widerstand des Kristalls reduziert. Eine solche Reduktion wird verzögert, wenn nicht gänzlich verhindert, indem der Kristall einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre ausgesetzt wird.
Zu diesem Zweck weist der in Fig. 1 gezeigte Beschleunigungsmesser in der Wand des Gehäuses 12 eine Öffnung 30 auf. die einen Kanal für das Eindringen von Sauerstoff aus der Aussenatmosphäre in den Hohlraum im Gehäuse bildet.
Die Erfindung ist vorstehend anhand eines Beschleunigungsmessers beschrieben worden, weil sie gerade für einen solchen Beschleunigungsmesser von besonderer Nützlichkeit ist. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere Wandler-Typen, bei denen kraftempfindliche Elemente verwendet werden, wie z. B. bei Druckwandlern angewendet werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich. dass die Erfindung einen Beschleunigungsmesser ermöglicht. der für längere Zeit bei hohen Temperaturen verwendet werden kann; und wenn ein Lithium-Niobat-Kristall verwendet wird, der, wie vorstehend beschrieben, geschnitten und benutzt ist.
wird ein Beschleunigungsmesser erhalten, der während ausge- dehnter Zeitperioden bei hohen Temperaturen insbesondere auch eine hohe Empfindlichkeit besitzt. Obgleich ein solcher Beschleunigungsmesser wegen der hohen elektromechanischen Güte (Verhältnis der erzeugten elektrischen Leistung zur in dem Kristall durch Beschleunigung erzeugten mechanischen Leistung) besonders für eine Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist, können diese Beschleunigungsmesser mit Vorteil auch bei niedrigen Temperaturen benutzt werden.
The invention relates to an electrostatic pressure transducer in which an electrical signal is developed on two parallel plane surfaces of a piezoelectric element in response to the relative movement of two mechanical members which can be moved towards one another by forces acting parallel to an axis perpendicular to the plane surfaces, wherein the piezoelectric element is arranged between the two mechanical members and means are provided for supplying such a signal to a useful device responsive to the signal.
The purpose of the invention is to create an electrostatic pressure transducer which has a high efficiency in a wide temperature range with temperatures above 540 ° C. and which can in particular be designed as a piezoelectric accelerometer.
Such an electrostatic pressure transducer is characterized according to the invention in that the piezoelectric element consists of at least one lithium niobate crystal, the Z axis of which encloses an angle in the range of -51.4 # 10 with an axis perpendicular to the parallel plane surfaces.
It is known that lithium niobate is piezoelectric in monocrystalline form and that its piezoelectric properties are retained even at high temperatures, such as at temperatures above 760.degree. C., and at low temperatures, such as at temperature levels of -50.degree. The sensitivity of such a material containing the accelerometer depends e.g. T. on how the crystal is cut and how it is subjected to acceleration. In the pressure transducer according to the invention, the lithium niobate crystal can have the shape of a rotating body which is subjected to a compression pressure, the axis of greatest sensitivity being inclined at an angle of around -51.4 to the Z axis or optical crystal axis and im first and third quadrants of the YZ plane of the crystal.
The electrodes are arranged on crystal faces which are in normal planes to the axis of maximum sensitivity and the pressure forces act perpendicularly on these crystal faces. Accelerometers with such a lithium niobate crystal not only have high sensitivity at high temperatures, but are also essentially free from cross-axis sensitivity. With special precautionary measures, an accelerometer containing lithium niobate can have a long service life even at such high temperatures.
The pressure transducer of the invention is particularly useful in an accelerometer. Such an accelerometer has a high resonance frequency.
In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 is a perspective view and partially in section a symmetrical accelerometer of ring shape in an exemplary embodiment according to the invention and
Fig. 2 is a perspective view to explain the invention.
The accelerometer 8 shown in Fig. 1 has a container with a base plate 10 and a housing 12 enclosing a cylindrical cavity 14 and contains a pair of acceleration-sensitive elements 16 which are concentrically spaced from the pin on a pin 18 protruding from the base plate 10 . An insulator in the form of an insulating disk or platform 11 is mounted on the base plate 10, by means of which the adjacent acceleration-sensitive element 16 is electrically isolated from the base plate 10. The accelerometer is attached to an object 9 being tested. The accelerometer is designed so that its axis A-A of maximum sensitivity is parallel to the axis of the pin 18 and perpendicular to the base plate 10.
The accelerometer is described in an assembly for determining the acceleration component along a vertical axis.
The two acceleration-sensitive elements 16 are made up of two piezoelectric crystals which, when the accelerometer 8 accelerates, represent the values of the acceleration component in the direction of the axis A-A. The electrical signals emitted by the crystals during such an acceleration are fed to a utilization device 24 with a charge amplifier 20 and a recording device 22.
The pin 18 can be integral with the base plate 10 or fastened to the base plate by screwing, soldering or otherwise. The housing 12 is welded to the base plate 10 or fastened to it in some way. The housing 12 is provided with a small opening 30 through which the cavity 14 communicates with the outside atmosphere for a purpose described later.
The cylindrical pin 18 has a smooth outer surface and its vertical axis runs parallel to the acceleration axis A-A. The upper end of the pin 18 is provided with a thread for screwing on a screw nut 19. Each of the two acceleration-sensitive elements 16 is held between a plate-shaped outer electrode 50 and a common inner plate-shaped electrode 51.
The two acceleration-sensitive elements 16 are crystals, as mentioned, and are arranged in such a way that their positively polarized surfaces lie against the common electrode 51. In each case the two crystals are mounted with anti-parallel Z axes. The plate-shaped electrodes 50 and 51 are made of a soft electrically conductive metal such as gold or a similar material.
It should be noted that the arrangement is symmetrical.
The electrodes and crystal elements each have a central hole with a smooth wall so that the stack of electrodes and crystals can be arranged on the peg 18, which protrudes upward from the base plate 18 through the middle of the stack, without the electrodes and crystals touching the peg touch. An electrically insulating socket can also be used between the pin 18 and the electrodes and crystals.
On top of the stack of electrodes and crystals is an annular inertial mass 70 with a central bore. Between the inertial mass 70 and the upper plate-shaped electrode 50 there is an electrical insulator 74 in the form of an insulating disk. The entire stack is secured by the screw nut 19, which is screwed onto the upper end of the pin 18 and sunk into a recess 72 present at the top in the inertial mass 70.
pressed against the base plate 10.
The insulators 11 and 74 form sliding surfaces between the base plate 10 and the facing plate-shaped electrode 50 and between the inertial mass 70 and the electrode 50 facing it. Lithium niobate crystals have the property of expanding and contracting by different amounts along different axes, and such a sliding surface reduces deformations that occur without it as a result of the stresses that develop between the adjacent surfaces of the crystal and the base plate and the crystal and the inertial mass would.
The end faces 52a and 52b (Fig. 2) are coated with each Kri stall element 16 with electrodes 54a and 54b.
Each of the electrodes consists of a thin inner layer LI made of a conductive material, such as vapor-deposited or sputtered chrome, and a thin outer layer LO made of a corrosion-resistant, soft, pliable material, such as. B. Gold. One end face 52b of each crystal element 16 is in metallic contact with the plate-shaped electrode 50. The other end face 52a of each crystal is in metallic contact with the common inner plate-shaped electrode 51.
The crystals 16 have the shape of cylindrical rings or plates and the cylindrical outer surfaces are free of metal, so that the two electrode layers 54a and 54b in each crystal are electrically isolated from one another and form a capacitor in which the deposits formed by the electrode layers 54a and 54b are kept at a distance by the dielectric material formed from the piezoelectric element. The end faces of the crystals are cut surfaces polished to optical quality and the chrome and gold layers are thin and of uniform thickness. The gold is sufficiently soft and pliable to ensure a completely uniform contact of the crystal end faces with the plate-shaped electrodes 50 and 51.
The inertial mass 70, the crystals 16 and the electrode plates 50 and 51 are held together by means of the pin 18, which extends vertically through the larger diameter central bores of the electrode plates and the crystals and the screw nut 19 which pressurizes the entire stack.
The external electrodes 50 are electrically connected to one another by two pairs of fastening tabs 60 and 62.
When the accelerometer is assembled, the tabs of each pair are in contact with one another. The pairs of fastening tabs 60 and 62 are connected to one another by a slightly flexible electrical connection 80 which is electrically insulated from the base plate 10 and leads through a bore 65 in the base plate 10 to the contact 66 of a cable connection 64. The electrode plate 51 is provided with opposing fastening tabs 63 which are connected to one another by another electrical connection 82 which is also electrically isolated from the base plate 10 and leads through the bore 65 to the contact 68 of the cable connection 64.
All mechanical parts, i.e. H. the base plate 10, the pin 18, the housing 12 and the screw nut 19 are made of Inconel. This metal is preferable for this purpose because its coefficient of thermal expansion is practically the same as that of lithium niobate crystal and it is resistant to corrosion at high temperatures. The insulators 11 and 74 are made of an electrically insulating material such as. B. from aluminum oxide.
At the z. Currently known best embodiment of the subject of the invention are the piezoelectric crystals 16 ring-shaped lithium niobate crystals, which are cut with their parallel end faces 52a and 52b perpendicular to an axis in the YZ crystal plane, which axis at an angle # of approximately -51, 4 + 10 is inclined to the Z-axis of a rotated Z-cut crystal. This is referred to below as the Z-51.4 plane. The Z-51.4 axis is thus rotated in the Y-Z plane by about 51.4 from the Z axis of the crystal and lies in the first and third quadrants.
The Z-51.4 axis is parallel to the A-A axis of maximum sensitivity. The Y-52.4 axis is rotated in the Y-Z plane by about 51.4 from the Y crystal axis and lies in the second and fourth quadrants.
It has been experimentally found that an accelerometer according to the invention provides an output voltage which is proportional to the magnitude of the acceleration component perpendicular to the Z-51.4 + 10 plane and that the accelerometer is insensitive to acceleration components in other directions. If the acceleration takes place parallel to an axis which is rotated in the Y-Z plane with respect to the Z axis by less than -41.4 or more than -61.4, the transverse axis sensitivity becomes unacceptably high, ie. H. there is a sensitivity to accelerations in other directions. When subjected to shear forces, the accelerometer provides essentially no signals.
Lithium niobate crystals are crystals of the crystal class with symmetry properties belonging to group 3m. As shown in Fig. 2, the crystal has three mirror planes M which extend in directions parallel to the Z or optical axis. These planes intersect one another in pairs in cutting lines parallel to the optical or Z axis and the dihedral angles are 120. In FIG. 2, the mirror planes are shown as if they were starting from a common axis D-D, which is parallel to the optical axis Z. In fact, however, the planes are unlimited, so each plane intersects the dihedral angle between the other two planes. Because of the triple symmetry, the Y-axis perpendicular to the Z-axis can be assumed in every mirror plane M.
Furthermore, for each plane of symmetry, the X-axis is perpendicular to both the Y-axis and the Z-axis, in other words, an X-axis is perpendicular to the corresponding mirror plane M.
The accelerometer's maximum sensitivity to compressive forces occurs with forces acting in a direction perpendicular to the Z-51.4 plane of the crystal.
A lithium niobate crystal is characterized by eight piezoelectric coefficients, four of which are independent of one another, as can be seen from the following list:
Stress mode output 1 2 3 4 5 6 mode compression axis shear axis
X Y Z X Y Z 1st X 0 0 0 0 d15 d16 = -2d22 2 Y d21 = -d22 d22 0 d24 = d15 0 0 3rd Z d31 d32 = d31 d33 0 0 0
The different piezoelectric coefficients dij have the following values: d15 = 6.8 X 10-11 C / N d22 = 2.1 x 10-11 C / N d31 = 0.1 X 10-11 C / N d33 = 0.6 x 10-11 C / N where C / N is an abbreviation for Coulomb per Newton. For the term du, the first index number relates to the electrode-coated crystal face and the second index number to the type and direction of the stress.
The numbers 1, 2 and 3 indicate compression loads in the direction of the X, Y and Z axes.
The above piezoelectric matrix is an example of a mathematical tensor. Mathematical laws are known for calculating how a tensor expressed in a given coordinate system changes on transition to another rotated coordinate system. Expressing the above piezoelectric tensor in a rotated coordinate system is the equivalent of calculating the piezoelectric matrix for a crystal cube whose faces are oriented in such a rotated coordinate system. Such a calculation for lithium niobate can be carried out using a calculator.
For the ring-shaped piezoelectric crystal, whose axis A-A runs at an angle of -51.4 to the Z-axis, the following matrix shows the piezoelectric coefficients in 10-12 Coulombl-Newtons:
Stress mode output 1 2 3 4 5 6 mode compression axis shear axis
X Y-51.4 Z-51.4 X Y-51.4 Z-51.4 1. X 0 0 0 0 9.59 -79.37 2. Y-51.4 -12.32 -18, 15 27.34 8.71 0 -79.37 3rd Z-51.4 -17.04 -17.48 37.01 -0.02 0 0
In the case of the above-described crystal with the electrodes on the Z-51.4 crystal faces, no signals are generated when sheared about the Y-51.4 axis or Z-51.4 axis and when sheared about the X axis because of the low coefficient d34 = -0.02 only received very weak signals.
By refining the angle of rotation, the d34 coefficient can be made as small as desired. So is z. B.
with a Z-51.383 rotation the d34 coefficient is 0.001 x 1012 C / N. The fact that the d34 coefficient is zero for certain angles of rotation around the axis is based on the 3m symmetry of the crystal. The exact position of the angle depends on the values for the piezoelectric coefficients. A crystal which consists essentially of lithium niobate, but also contains impurities, will have values for the coefficients slightly different from those given above and therefore its d34 coefficient will be zero at an angle slightly different from Z-51.4.
In the case of the crystal described above, only the Z-51.4 surfaces are in electrical connection with the utility device 24. Since all shear coefficients are negligibly low, the transducer only responds to compression forces that are parallel to the Y-, Y-51.4 and Z-51.4 axis works. In the accelerometer shown in FIG. 1, the inertial mass is arranged such that compression forces act on the crystal parallel to the Z-51.4 axis when the accelerometer is accelerated in the direction parallel to the Z-51.4 axis.
An acceleration perpendicular to the Z-51.4 axis does not result in any compression along the X or Y-51.40 axis.
The instrument is therefore sensitive to acceleration in the direction parallel to the Z-51.4 axis, but not to acceleration perpendicular to the Z-51.4 axis.
However, the accelerometer exhibits primary and secondary pyroelectric effects that cause changes in the output signal. However, such temperature changes generally take place only slowly and the signal changes caused by them have an extremely low frequency compared to the acceleration signals, so that these low-frequency changes can be filtered out and only the acceleration signals are obtained.
When the accelerometer shown in Fig. 1 is in
If the accelerometer is accelerated in the direction of the AA axis of maximum sensitivity, the electrodes 54a and 54b of each crystal are electrically charged in proportion to the acceleration and if the accelerometer is accelerated in any other direction, an output signal of some significance is only due to the acceleration component in the direction of the axis AA.
Special precautionary measures must be taken to achieve a long service life for such accelerometers when they are operated at high temperatures and low pressures or in the presence of a slightly reducing atmosphere. Such precautions are important because, as is well known, lithium niobium is relatively easily reduced; H. loses its oxygen when exposed to an atmosphere. in which the partial pressure of oxygen is low. The rate of reduction increases with temperature. The loss of oxygen reduces the resistivity of the crystal. Such reduction is retarded, if not prevented entirely, by exposing the crystal to an atmosphere containing oxygen.
For this purpose, the accelerometer shown in FIG. 1 has an opening 30 in the wall of the housing 12. which forms a channel for oxygen from the outside atmosphere to penetrate into the cavity in the housing.
The invention has been described above with reference to an accelerometer because it is of particular usefulness precisely for such an accelerometer. However, the invention can also be applied to other types of transducers in which force-sensitive elements are used, e.g. B. be used in pressure transducers.
It can be seen from the above description. that the invention enables an accelerometer. which can be used for long periods of time at high temperatures; and when using a lithium niobate crystal cut and used as described above.
an accelerometer is obtained which, in particular, also has a high sensitivity during extended periods of time at high temperatures. Although such an accelerometer is particularly suitable for use at high temperatures because of the high electromechanical quality (ratio of the electrical power generated to the mechanical power generated in the crystal by acceleration), these accelerometers can also be used with advantage at low temperatures.