DD247083A1

DD247083A1 - Bewertungsanordnung fuer piezoelektrische koerper

Info

Publication number: DD247083A1
Application number: DD28750686A
Authority: DD
Inventors: Guenter Helke; Eberhard Hennig; Joachim Herrfurth; Wilfried Meier
Original assignee: Hermsdorf Keramik Veb
Priority date: 1986-03-03
Filing date: 1986-03-03
Publication date: 1987-06-24

Abstract

Zur Bewertung eines piezoelektrischen Koerpers hinsichtlich seiner piezoelektrischen Materialkoeffizienten wird dieser Koerper parallel zur Richtung einer auf ihn einwirkenden Kraft seriell zwischen zwei Stempeln angeordnet und durch die Kraft am Koerper eine erste Messgroesse erzeugt. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, im Routinebetrieb unter Anwendung des direkten piezoelektrischen Effektes eine einfache, in weiten Grenzen gegenueber Variationen der Kraft unempfindliche und reproduzierbare Ergebnisse liefernde Bewertungsanordnung zu schaffen. Dazu ist zwischen einem der zwei Stempel und einem dritten Stempel ein Etalon zur Erzeugung einer zweiten Messgroesse vorgesehen, die mit der Kraft im funktionellen Zusammenhang steht. Eine Einrichtung dient zum Vergleich von aus beiden Messgroessen abgeleiteten elektrischen Signalen. Figur

Description

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, unabhängig von Schwankungen der Kraft serienmäßig die verschiedenen Meßobjekte zu bewerten und diejenigen auszusondern, die unterhalb eines gewissen, vorher festlegbaren Schweliwertes liegen. Sie ist einer Automatisierung zugänglich.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. In einer Säule 18 sind seriell ein erster Stempel 1, ein Etalon 2, ein zweiter Stempel 3, ein piezokeramischer Körper.4 und'Stempel 5 angeordnet. Die Berührungsflächen 6,7,8, 9 zwischen den Stempeln 1,3, 5 und dem Etalon 2 bzw. dem Körper 4 sind so gestaltet, daß eine vollständige Berührung zur sicheren Kontaktgabe gewährleistet ist. Die Stempel 1,3,5 bestehen deshalb aus leitendem Material. Von den Kontaktflächen 6,7,8, 9 gehen elektrische Leitungen 10,11, .12,13 zu einem Komparator 14, wobei jeweils zwischen den Leitungen 10,11 bzw. 12,13 ein Kondensator 15 bzw. 16 vorgesehen ist. Im Komparator 14werden die an den Leitungspaaren 10,11 bzw. 12,13 anstehenden Ladungen zur Ableitung von Spannungssignalen miteinander verglichen und mit einem an den Komparator 14 angeschlossenen Spannungsmesser 17 die Differenz der an den Kondensatoren 15,16 anliegenden Spannungen gemessen.

Wirkt über die Stempel 1,5 eine Kraft F adf die Säule 18 und damit auf den Etalon 2 und den Körper 4 ein, so werden in den letzteren Ladungen Q2 und Q4 induziert, die von der Kraft F und der piezoelektrischen Ladungskonstante d abhängig sind. Da es sich bei dem Etalon 2 im vorliegenden Beispiel um Quarz und beim Körper 4 um eine Piezokeramik handelt, sind deren Piezomoduln voneinander verschieden. Die Integration der Ladungen Q₂ des Etalons 2 und Q₄ des Körpers 4 erfolgt auf den geeignet dimensionierfen Kondensatoren 15,16, deren Eigenkapazitäten wesentlich größer sind als die des Etalons 2 und des Körpers 4. Die an den Kondensatoren 15,16 anstehenden elektrischen Spannungen sind im Betrag gleich, wenn das Verhältnis der Kapazitäten C₁₅:Ci₆ der Meßkondensatoren 15,16 gleiph dem Verhältnis der Piezomoduln d₂, d₄ von Etalon 2 und Körper4 ist. Durch eine entsprechende Wahl der Kapazitäten C₁₅ und C₁₆ läßt sich diese Bedingung erfüllen. Da für die piezoelektrisch erzeugte Ladung des Etalons 2 bzw. des Körpers 4 die Beziehung

Q₂ = d₂ F ' I

Q₄ = d₄ · F ' . Il

gilt und die elektrischen Spannungen U₂ und Un infolge der Integration der piezoelektrisch erzeugten Ladungen Q₂ und Q₄ auf den Kondensatoren 15,16

	d₂	1-	UL
C₁₅.	C	15
au	Cl₄

h. η. . ρ

^₁₆ U₁S

sind, ergibt sich für den Piezomodul (die piezoelektrische Ladungskonstante) des Körpers 4

d₄ Ci6 „j„_ j ' d₂ · C₁ ₆

— = ——oderd₄ = —— , V

d₂ Ci₅ Ci₅

wenn U₂ = U₄ ist. Daraus folgt, daß Veränderungen der Kraft F innerhalb endlicher Grenzen und bei hinreichender funktioneller Übereinstimmung der Abhängigkeit des piezoelektrischen Effektes des Etalons 2 und des Körpers 4 von der Kraft F keinen Einfluß auf die Bewertung des Körpers 4 haben. Ändert sich der Piezomodul und die Orientierung bei der Routineuntersuchung von Körperzu Körper, so ist es bei unveränderten Kondensatoren 15,16 und Etalon 2 möglich, am Spannungsmesser 17 in Form einer auftretenden Spannung oder der Abweichung von einer vorgegebenen Spannung die Tauglichkeit oder Untauglichkeit des Körpers 4 nachzuweisen. Der Vergleich der Spannungen wird im Komparator 14 vorgenommen; der Spannungsmesser 17 zeigt die Spannungsdifferenz an.

Anstatt der beiden elektrischen Leitungen 11 und 12 ist es auch möglich, nur eine Leitung zu verwenden, die mittig an dem aus leitendem Material bestehenden Stempel 3 angebracht ist. Der Quarzetalon 2 kann auch durch eine piezoelektrische Folie aus Polyvinylidenfluorid oder ein piezoresistives Material ersetzt werden. Bei Verwendung eines piezoresistiven Materials würde der Kondensator 15 entfallen. Die Kraft F kann beispielsweise mit Hilfe eines Exzenters ausgeübt werden.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Anordnung zur Bewertung des direkten piezoelektrischen Effektes eines piezoelektrischen Körpers, der zwischen zwei Stempeln und mit diesen im wesentlichen parallel zu einer wirkenden Kraftseriell angeordnet ist, wobei am Körper eine erste Meßgröße erzeugt wird, die zur Kraft in einem funktionellen Zusammenhang steht, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen einem der zwei Stempel und einem dritten Stempel ein Etalon zur Erzeugung einer mit der Kraft im funktionellen Zusammenhang stehenden zweiten Meßgröße ebenfalls seriell angeordnet ist und daß eine Einrichtung zum Vergleich von aus den Meßgrößen abgeleiteten elektrischen Signalen vorgesehen ist.
2. Anordnung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Etalon aus'Quarz besteht.
3. Anordnung gemäß Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß in den elektrischen Verbindungen des.Etalons bzw. des Körpers mit der Einrichtung jeweils ein Kondensator angeordnet ist und daß das Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren im wesentlichen gleich dem Verhältnis der piezoelektrischen Ladungskoeffizienten von Etalon und Körper ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bewertung des direkten piezoelektrischen Effektes piezoelektrischer Schwingungsaufnehmer, vorzugsweise piezokeramischer Körper zur Verwendung" in Kraftmessern, Zündern u.a. Bei der Bewertungsanordnung ist der piezoelektrische Körper zwischen zwei Stempeln und mit diesen im wesentlichen parallel zu einer wirkenden Kraft seriell angeordnet, wobei an dem Körper eine von der Kraft funktionell abhängige elektrische Ladung erzeugt und zu einem elektrischen Signal umgeformt wird. ·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekanntlich werden piezoelektrische, insbesondere piezokeramische Wandler bezüglich der Größe des piezoelektrischen Effektes durch die Messung dynamischer Größen, wie der Resonanzfrequenz, entsprechend dem elektromechanischen Ersatzschaltbild bewertet. So kann auch der elektromechanische Kopplungsfaktor genau bestimmt werden. Die Messungen basieren auf dem reziproken piezoelektrischen Effekt und gestatten die Berechnung, entsprechender Materialkoeffizienten. Eine unmittelbare Beurteilung des direkten piezoelektrischen Effektes ist durch die Messung dynamischer Größen nicht möglich. In bestimmten Anwendungsfällen ist es jedoch von erstrangiger Bedeutung, die Ladungskonstante zu bestimmen, indem beispielsweise durch wiederholtes Abheben eines Gewichtes piezoelektrisch erzeugte Ladungen durch Ladungsintegrationen absolut gemessen werden. Die gesamte erzeugte Ladung kann als Produkt aus der beobachteten Spannung und der Summe von Shunt- und statischer Kapazität des Piezokörpers berechnet werden. Abgesehen von der Notwendigkeit der Durchführung von Berechnungen, ist die Reproduzierbarkeit der Be- oder Entlastung der Piezokörper unter Routinebedingungen nicht gewährleistet.

Ziel der Erfindung

Die aufgezeigten Mangel sollen durch die Erfindung behoben und eine einfache Möglichkeit der Bewertung der Qualität piezoelektrischer Körper bzw. Wandler als Ladungsquellen geschaffen werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine für den Routinebetrieb besonders geeignete Anordnung zur Bewertung des direkten piezoelektrischen Effektes eines piezoelektrischen Körpers bzw. Wandlers zu ermöglichen. Durch die Anwendung eines Relativmeßverfahrens soll sich eine einfache Anordnung ergeben, die ohne Berechnungen und reduzierbar zur Qualitätskontrolle benutzbar ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen einem der genannten zwei Stempel und einem weiteren Stempel ein Etalon zur Erzeugung einer mit der auf den Körper wirkenden Kraft funktionell zusammenhängenden Meßgröße ebenfalls seriell angeordnet ist und daß eine Einrichtung zum Vergleich des der Ladung entsprechenden elektrischen Signals mit dem'der Meßgröße entsprechenden elektrischen Signal vorgesehen ist. Derfunktionelle Zusammenhang kann für den Körper und den Etalon der gleiche sein. Vorteilhaft besteht der Etalon aus Quarz, der eine große Reproduzierbarkeit und Temperaturunabhängigkeit der piezoelektrischen Werte besitzt. Schließlich ist es für die Benutzung der erfindungsgemäßen Anordnung von Vorteil, wenn in den elektrischen Verbindungen des Etalons bzw. des Körpers mit der Einrichtung jeweils ein Kondensator angeordnet ist. Das Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren ist dabei im wesentlichen gleich dem der piezoelektrischen Ladungskoeffizienten des Etalons und des Körpers gewählt. Die Eigenkapazität der Kondensatoren liegt wesentlich über der der piezoelektrischen Ladungsquellen.