DD247083A1 - EVALUATION ASSEMBLY FOR PIEZOELECTRIC KOERPERS - Google Patents

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DD247083A1
DD247083A1 DD86287506A DD28750686A DD247083A1 DD 247083 A1 DD247083 A1 DD 247083A1 DD 86287506 A DD86287506 A DD 86287506A DD 28750686 A DD28750686 A DD 28750686A DD 247083 A1 DD247083 A1 DD 247083A1
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DD86287506A
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Guenter Helke
Eberhard Hennig
Joachim Herrfurth
Wilfried Meier
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Hermsdorf Keramik Veb
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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. FigurTo evaluate a piezoelectric body with respect to its piezoelectric material coefficients, this body is arranged parallel to the direction of a force acting on it serially between two punches and generated by the force on the body a first measurement. The aim and object of the invention is to provide in routine operation using the direct piezoelectric effect, a simple, insensitive to wide variations in force variations and reproducible results delivering evaluation arrangement. For this purpose, an etalon is provided between one of the two punches and a third punch for producing a second measuring quantity which is functionally related to the force. A device is used to compare electrical signals derived from both measured quantities. figure

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.With the arrangement according to the invention, it is possible, regardless of fluctuations in the force as standard to assess the various objects to be measured and weed out those that are below a certain, previously definable Schweliwertes. It is accessible to automation.

Ausführungsbeispielembodiment

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.The invention will be explained in more detail with reference to the schematic drawing. In a column 18, a first punch 1, an etalon 2, a second punch 3, a piezoceramic body 4 and 5 are arranged serially. The contact surfaces 6, 7, 8, 9 between the punches 1, 3, 5 and the etalon 2 or the body 4 are designed so that a complete contact is ensured for a reliable contact. The stamp 1,3,5 are therefore made of conductive material. From the contact surfaces 6, 7, 8, 9, electric lines 10, 11, 12, 13 go to a comparator 14, wherein a capacitor 15, 16 is respectively provided between the lines 10, 11 and 12, 13. In the comparator 14, the charges applied to the line pairs 10, 11 and 12, 13, respectively, for deriving voltage signals are compared with one another and the difference between the voltages applied to the capacitors 15, 16 is measured with a voltmeter 17 connected to the comparator 14.

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 BeziehungIf a force F adf acts on the pillar 18 and thus on the etalon 2 and the body 4 via the punches 1.5, charges Q2 and Q4 are induced in the latter, which are dependent on the force F and the piezoelectric charge constant d. Since the etalon 2 in the present example is quartz and the body 4 is a piezoceramic, their piezoelectric modules are different from each other. The integration of the charges Q 2 of the etalon 2 and Q 4 of the body 4 takes place on the suitably dimensionierfen capacitors 15,16, whose inherent capacitances are substantially greater than those of the etalon 2 and the body 4. The voltage applied to the capacitors 15,16 electrical voltages are equal in amount if the ratio of the capacitances C 15 : Ci 6 of the measuring capacitors 15,16 gleiph the ratio of the piezoelectric modules d 2 , d 4 of Etalon 2 and Körper4. By an appropriate choice of the capacitances C 15 and C 16 , this condition can be met. Since for the piezoelectrically generated charge of the etalon 2 and the body 4, the relationship

Q2 = d2 F ' IQ 2 = d 2 F 'I

Q4 = d4 · F ' . IlQ 4 = d 4 · F '. Il

gilt und die elektrischen Spannungen U2 und Un infolge der Integration der piezoelektrisch erzeugten Ladungen Q2 und Q4 auf den Kondensatoren 15,16and the electrical voltages U 2 and Un due to the integration of the piezoelectrically generated charges Q 2 and Q 4 on the capacitors 15,16

d2 d 2 1-  1- ULUL C15.C 15 . CC 1515 auau Cl4 Cl 4

h. η. . ρH. η. , ρ

^16 U1S^ 16 U 1 S

sind, ergibt sich für den Piezomodul (die piezoelektrische Ladungskonstante) des Körpers 4are, results for the piezo module (the piezoelectric charge constant) of the body. 4

d4 Ci6 „j„_ j ' d2 · C1 6 d 4 Ci6 "j" _ j ' d 2 · C 1 6

— = ——oderd4 = —— , V- = --oderd 4 = -, V

d2 Ci5 Ci5 d 2 Ci 5 Ci 5

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.when U 2 = U 4 . It follows that changes in the force F within finite limits and with sufficient functional agreement of the dependence of the piezoelectric effect of the etalon 2 and the body 4 on the force F have no influence on the evaluation of the body 4. If the piezo module and the orientation change from body to body in the routine examination, it is possible for the capacitors 15, 16 and etalon 2 to be unchanged, for the voltmeter 17 to be in the form of an occurring voltage or to deviate from a predefined voltage for the fitness or unsuitability of the body 4 demonstrated. The comparison of the voltages is made in the comparator 14; the voltmeter 17 indicates the voltage difference.

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.Instead of the two electrical lines 11 and 12, it is also possible to use only one line, which is mounted centrally on the existing of conductive material stamp 3. The Quarzetalon 2 can also be replaced by a piezoelectric film of polyvinylidene fluoride or a piezoresistive material. When using a piezoresistive material, the capacitor 15 would be omitted. The force F can be exercised for example by means of an eccentric.

Claims (3)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 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.An arrangement for evaluating the direct piezoelectric effect of a piezoelectric body, which is arranged between two punches and with these substantially parallel to an acting force, wherein on the body a first measured quantity is generated, which is in a functional relationship to the force characterized in that between one of the two punches and a third punch an etalon for producing a functionally related second measurand is also arranged serially and that means are provided for comparing electrical signals derived from the measurands. 2. Anordnung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Etalon aus'Quarz besteht.2. Arrangement according to item 1, characterized in that the etalon aus'Quarz consists. 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.3. Arrangement according to item 2, characterized in that in the electrical connections des.Etalons or the body with the device in each case a capacitor is arranged and that the ratio of the capacitances of the capacitors substantially equal to the ratio of the piezoelectric charge coefficients of etalon and body is. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention 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. ·The invention relates to an arrangement for evaluating the direct piezoelectric effect of piezoelectric vibration, preferably piezoceramic body for use in force gauges, igniters, etc. In the evaluation arrangement, the piezoelectric body between two punches and with these arranged substantially parallel to an acting force serially, wherein The body generates a functionally dependent on the electric charge and is converted into an electrical signal. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions 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.As is known, piezoelectric, in particular piezoceramic, transducers are evaluated for the magnitude of the piezoelectric effect by measuring dynamic quantities, such as the resonant frequency, in accordance with the equivalent electromechanical circuit diagram. Thus, the electromechanical coupling factor can be determined exactly. The measurements are based on the reciprocal piezoelectric effect and allow the calculation, corresponding material coefficients. An immediate assessment of the direct piezoelectric effect is not possible by measuring dynamic quantities. In certain applications, however, it is of paramount importance to determine the charge constant by, for example, by repeated lifting of a weight, piezoelectrically generated charges are absolutely measured by charge integrations. The total generated charge can be calculated as the product of the observed voltage and the sum of the shunt and static capacitance of the piezoelectric body. Apart from the necessity of carrying out calculations, the reproducibility of the loading or unloading of the piezoelectric bodies under routine conditions is not guaranteed. Ziel der ErfindungObject of the invention Die aufgezeigten Mangel sollen durch die Erfindung behoben und eine einfache Möglichkeit der Bewertung der Qualität piezoelektrischer Körper bzw. Wandler als Ladungsquellen geschaffen werden.The indicated deficiency should be remedied by the invention and a simple way of assessing the quality of piezoelectric bodies or transducers as charge sources to be created. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention 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.The invention is therefore based on the object to enable a particularly suitable for routine operation arrangement for evaluating the direct piezoelectric effect of a piezoelectric body or transducer. The application of a Relativmeßverfahrens should result in a simple arrangement that is usable without calculations and reducible for quality control. 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.According to the invention, this object is achieved in that between one of said two punches and another punch an etalon for generating a functionally connected with the force acting on the body quantity is also arranged in series and that means for comparing the charge corresponding electrical Signal is provided with dem'der measured variable corresponding electrical signal. The functional relationship may be the same for the body and the etalon. Advantageously, the etalon is made of quartz, which has a high reproducibility and temperature independence of the piezoelectric values. Finally, it is advantageous for the use of the arrangement according to the invention if in each case a capacitor is arranged in the electrical connections of the etalon or of the body with the device. The ratio of the capacitances of the capacitors is chosen to be substantially equal to that of the piezoelectric charge coefficients of the etalon and of the body. The inherent capacitance of the capacitors is significantly higher than that of the piezoelectric charge sources.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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RU2730127C1 (en) * 2019-12-12 2020-08-17 Акционерное общество "Научно-исследовательский инженерный институт" (АО "НИИИ") Piezo-package non-destructive testing method

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