DE2357692B2 - Vorrichtung zur Schwingungsmessung mit einem elektrische Ausgangssignale liefernden Meßwandler - Google Patents

Vorrichtung zur Schwingungsmessung mit einem elektrische Ausgangssignale liefernden Meßwandler

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Description

t] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Il Schwingungsmessung mil einem elektrische Ausgangs-
S signale liefernden Meßwandler in Form eines hochpolymeren piezoelektrischen Körpers, der auf beiden Seilen mit Elektroden verschen, an wenigstens einem Teil eines Prüfkörper anbringbar und mit diesem gekoppelt ist, und mit einer dem piez'^lektrischen Körper naehgeordneten Einrichtung zur Auswertung der mechanischen Schwingungen.
Bei einer bekannten Vorrichiung dieser Art (USPS 35 65 59J) besteht der hochpolymere piezoelektrische Körper aus nicht polarisiertem molekularem piezoelektrischem Material. Die Piezoelektrizität eines solchen Materials ist jedoch sehr gering, was bedeutet, daß bei einer Verformung nur schwache Signale erzeugt werden. Dies bedeutet wiederum, daß die Empfindlichkeil einer mit einem solchen piezoelektrischen Körpcv ausgerüsteten Schwingungsmcßvorrichtung gering ist.
Es ist auch eine Vorrichiung in Form eines akustischen Wandlers bekannt (FR-PS 20 00 770). bei welchem ein piezoelektrischer Körper in Form einer Polypcptidfolic verwendet wird. Soll eine solche Vorrichtung zur Schwingungsmessung verwendet werden, in welchem Fall der piezoelektrische Körper auf beiden Seiten mit Elektroden versehen ist. können ebenfalls nur schwache Signale erhallen werden, weil bei einer solchen Folie die Signale in den verschiedenen Phasen reehlwinklig zueinander versetzt sind. Außerdem ist auch die Piczoclektriziläi einer solchen Folie gering.
Atifgabc der Erfindung ist es, eine Vorrichiung der einleitend gcnannien Art so auszuführen, daß bei Verformung des piezoelektrischen Körpers starke Signale erhalten werden. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der hochpolymere piezoelektrische Körper ein polarisierter hochpolymcrer piezoelektrischer Körper ist, dessen Polarisation durch Einwirkung eines elektrostatischen Feldes erzeugt worden ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichiung isl dadurch gekennzeichnet, daß der hochpolymere piezoelektrische Körper piezoelektrische Charakteristiken der Expansions-Koniraktionsart hat.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung mit einem Meßwandler, welcher wegen seines außergewöhnlich niedrigen Gewichts den Änderungen der Verformung sogar bei den Schwingungen in einem Bereich sehr hoher Frequenz mit hoher Genauigkeit und ohne Wirkungen auf die Schwingungen des zu untersuchenden Prüfkörpers folgen kann. Die Vorrichtung kann aufgrund ihres Meßwandlers die Schwingungen an irgendeiner gewünschten Stelle des Prüfkörpers und bei beliebiger Oberflächengestaltung dieses Körpers messen. Da ferner der piezoelektrische Körper eine niedrige Elastizitälskonstante bzw. einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweisen, und die Form eines dünnen Films haben kann, ist keine große Druckbeanspruchung iüreine Verformung erforderlich.
Während das übliche Rochelle-Salz, Quarzkris;alle, piezoelektrische Keramikstoffe (wie z. B. PZT) usw. einen Elastizitätskoeffizienten in dem Bereich über 20-80 · 10'°dyn/cm haben, kommen in der Vorrichtung gemäß der Erfindung piezoelektrische Körper aus einer sehr weichen Substanz in Betracht, deren Elastizilätskoeffizient weniger als 5 ■ 10l0dyn/cm- betragen kann.
Bei Verwendung eines derartigen piezoelektrischen Körpers können schwache Schwingungen erfaßt bzw. gemessen werden, die bisher mit Vorrichtungen der eingangs genannten Gatiung nicht erfaßt oder gemessen werden konnten.
Der piezoelektrische Körper kann beispielsweise durch Polarisieren von Polyvinylidenfluoridharz oder Polyvinylfluoridharz hergestellt werden, und er hat bedeuicnd höhere Piezoelektrizität als übliche hochpolymere Harze. Weiterhin kann piezoelektrisches Material mit einer Dicke von 100 μ oder weniger mit niedrigem Youngschen Modul hergestellt werden. Bei Verwendung eines solch dünnen Folienmalcrials wird die Schwingung des Prüfkörpers nicht bccinfluUl.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann sowohl zur Feststellung von Änderungen der Schwingungen in der /eil als auch zur Bestimmung der Verteilung der .Schwingungsbeanspruchung des Prüfkörpers verwendet werden. Die Vorrichtung ist auch anwendbar, um sogenannte »Lunker«, d.h. die Unterschiede der inneren Dichten in .Stahlmaterialien od. dgl. festzustellen, indem an die Materialien bestimmte Schwingungen angelegt und Unterschiede der Schwingungen an jedem der Teile gemessen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erliiulerl.
Fig. I ist eine Darslcllung. welche den piezoelektrischen Effekt eines hochpolymeren piezoelektrischen E!."menIs veranschaulich!;
F i g. 2. j und 4 sind Blockdiagramme von McUsiromkrciscn;
F i g. 5 und 6 sind Blockdiagramme von Ausfühningsformen von SchwingungsmeUvorrichiungen.
Es ist bekannt, daß hochmolekulare polare Substanzen, wie Polyvinylidenfluorid (nachstehend PVDF genannt). Polyvinylfluorid, Polyvinylidenchlorid. Polyvinylchlorid. Nylon 11 od. dgl., einen piezoelektrischen Körper ergeben, wenn an einem Blatt oder Film von ihnen der Polarisationscffckl hervorgerufen wird, indem beispielsweise ein hohes stationäres elektrisches Feld unter Erhitzung angelegt wird.
lcdcs dieser piezoelektrischen Elemente zcigl einen piezoelektrischen Effekt der Expansionsart. In einem piezoelektrischen Element, das aus einem monoaxialoricnticrlcn Film oder Blatt hergestellt ist, kann ein
bedeutsamer piezoelektrischer Effekt als Polarisation dji 't/stellt die piezoelektrische Konstante dar) längs der Achse Vi beobachtet werden, wenn die Beanspruchung längs der Achse «ι gemäß Fig. I angelegt wird, wobei die Achsen jr(, *2 und .vj die Orientierungsrichtung bzw. die Breite und die Tiefe wiedergeben. Obgleich t/u nicht den Wert Null hat, wird es gewöhnlich nur in der Größenordnung von etwa Vio bis '/20 von c/jt angenommen.
Diese Anisotropie wird bei einem nicht-orientierten oder biaxial orientierten Film oder Blatt kaum gefunden.
Es wurde festgestellt, daß ein Blatt oder Film aus PVDF-Reihenharz, welches unter richtig gewählten Bedingungen verarbeitet ist, einen piezoelektrischen Körper ergeben kann, der eine piezoelektrische Konstante du von mehr als 1 · IO-7cgsesu (max. 2 - 10-6rgsesu) bei Monoaxialorientierung und von mehr als 5 · IO-"cgsesu bei NichtOrientierung und Biaxialoricntierung hat, was die Anwendung in einer weiten Vielheit von Gebieten ermöglicht.
Insbesondere bei PVDF-Material ist es erwünscht, einen Film von /^-Kristallstruktur zu wählen und zu polarisieren, da er eine besonders hohe piezoelektrische Konstante liefert. PVDF-Reihenhar/. schließt natürlich Mischpolymerisate von ihm ein. die PVDF als Grundkomponente enthalten. Ein solcher piezoelektrischer Film hat piezoelektrische Charakteristiken der Expansions-Kontraklionsari, die ganz verschieden von dem Effekt der gestreckten synthetischen Polypeptid-Filme sind, die piezoelektrische Charakteristiken der jo Facc-Shear-Art besitzen, wie dies in der FR-PS 20 00 770 aufgezeigt ist. Eine spezielle Ausführung ist für das Element der letzteren Art erforderlich, und in der Konstitution, wie sie beispielsweise in F i g. 2 wiedergegeben ist, bei welcher der piezoelektrische H Körper auf seinen beiden Seiten mit Elektroden versehen ist. kann es nur außerordentlich geringe Signale als Schwingungsabnchnicr liefern, weil die Signale in den verschiedenen Phasen rechtwinklig zueinander versetzt sind. Außerdem ist Festgestellt worden, daß seine Piezoelektrizität klein ist.
Das Prinzip des Vibromcierabnehmcrs. bei welchem ein hochmolekularer piezoelektrischer Körper als Meßelement verwendet wird, wird nachstehend anhand von I' i g. 2 beschrieben.
In Fig. 2 ist mil I ein als Meßwandler verwendeter hochmolekularer piezoelektrischer Körper bezeichnet, der auf seinen beiden Seilen Elektroden 2 und 2' in form einer leitenden Sch'chi aufweist, die nach einem bekannton Verfahren, wie Aufdampfen eines Filmes, w erzeugt ist. Mit 3 ist eine Klebschichl bezeichnet, die aus beidseitig klebendem Band oder zweckentsprechendem Klebstoff besteht und zum Hefestigen des Meßelemenls an dem /11 prüfenden Schwingungskörper 4 dient. Die Klebschichl 3 wird einfach dadurch hergestellt, daß 5 geeigncle druckempfindliche Klebstoffe auf die Oberfläche der Elektrode 2' aufgebracht werden und diese auf einen anderen Griindfilm aufgeklebt wird. Sie wird dann verwendet, indem dieser Grundfilm abgezogen wird, w)
Die Schwingungen werden an den Abnehmer beispielsweise in der in F i g. 2 durch einen Pfeil angedeuteten Richtung angelegt.
Heim Messen der Schwingungen des zu prüfenden Schwingungskörpers in einer bestimmten Richtung 6j bringt ein aus einem inonoaxialoricntierten Film hergestellter hochpolymeter piezoelektrischer Körper, wenn er als Mcßwandler verwendet wird, die Orienticrungsrichuing mit der Richtung der Schwingungen >n Ausrichtung. Beim Messen der Schwingungen in unbestimmten Richtungen wird ein hochmolekularer piezoelektrischer Körper verwendet, der keine Anisotropie der Piezoelektrizität aufweist und aus einem nicht-orientierten oder biaxial orientierter. Film hergestellt ist.
Die von solchen Schwingungen erzeugte elektrische Spannung wird über einen Impedanzumwandlungskreis 5 abgegeben und mittels einer Meß- oder Detektionsvorrichtung 6, beispielsweise ein Voltmeter, ein Aufzeichner oder ein Oszilloskop, gemessen. Die durch die Schwingungen hervorgerufene Verschiebung wird mittels der vorbestimmten Beziehung zwischen der Verformung und der Ausgangsspannung des Mcßwandlers bestimmt. Zusätzlich kann durch Verwendung eines Aufzeichners oder eines Oszilloskops dip Frequenz gemessen werden, und die genaue Wellenform kann durch Verwendung eines zweckentsprechenden Inlegrationsstromkreises gemessen werd^i.
Bei der Ausführungsform gemäß Fi^. 3 weist der hochpolymere piezoelektrische Körper 1 auf seinen beiden Seiten Elektroden 2, 2' auf. die an dem zu prüfenden Schwingungskörper 4 mittels Klebstreifen 3, 3' teilweise befestigt sind. Der Meßwandlcr kann an dem Schwingungskörper in zweckentsprechender Weise angebracht werden, beispielsweise durch Festschrauben mittels kleiner Schrauben, odnr indem Klemmeinrichtungen zusätzlich zu der Verklebung vorgesehen werden. Der hochpolymere piezoelektrische Körper I als Meßwandler kann an seinem einen Ende mit dem zu prüfenden Schwingungskörper 4 gekoppelt und an seinem anderen Ende an einem feststehenden Körper 7 befestigt werden, wie dies in Fi g. 4 dargestellt ist.
In Fig.4 ist mit I ein hochpolymere!' piezoelektrischer Körper bezeichnet, der auf seinen beiden Seilen mil !eilenden Elektroden 2, 2' versehen ist. die nach einem bekannten Verfahren, wie Aufdampfen von Metallfilm, hergestellt sind. Das eine Ende des Meßwandlers ist mittels beidseitig klebenden Bändern oder Klebstoffen 3 oder mittels üblicher liefestigungsmiliel. wit- kleiner Schrauben. Klammern od. dgl., an dem feststehenden Körper 7 befestigt.
Das iinderc Ende des Meßwandlers i't an drin zu prüfenden Schwingungskörper 4 mittels des Teils V in der gleichen Weise befestigt, wie das erste Ende an dem fesistchenden Körper 7. Die Schwingungen des Prüfkörpers, die in F i g. 4 durch den Pfeil angedeutet sind, werden somit über einen solchen Aufbau auf den Mcßwandler übertragen.
Die erzeugte Spannung wird über einen Impedanzumuandlungsslromkrcis 5 abgegeben und mittels einer Mc1)- oder Dclcktionseinrichlung 6. /. W. einem Voltmeter, einem Aufzeichner oder einem Oszilloskop, gemessen. Die Amplitude der Schwingungen wird mittels einer vorbestimmten Beziehung zwischen der Verformung und der Ausgangsspannung des Mcßwandlers bestimmt. Es isl auch möglich, die Frequenz der Schwingungen durch Verwendung eines Aufzeichners oder Os/illoskops zu messen sowie ihre Wellenform durch die Verwendung eines zweckentsprechenden Integrators zu messen.
Bei der Schwingungsmessung wird das eine Ende des Meßwandlers an dcrr feststehenden Körper befestigt, und die Änderung des Abstands zwischen dem zu prüfenden Schwingungskörpers und dem fesisiehendcn Körper ist gleich der Verschiebung, die der ganzen Länge des Mcßwandlcrs erteilt wird. Daher wird eine
große Verschiebung auf den Meßwandfcr ausgeübt, was erinöglichl. eine hohe Ausgangsspannung zu enlnehinen und auf diese Weise sogar außerordentlich schwache Schwingungen des zu prüfenden Schwingungskörpers zu messen oder zu bestimmen.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung vermag über einen weiten Frequenzbereich zu messen: denn ihre Frequenzcharakteristik ist über diesen weilen Frequenzbereich flach.
Es ist erwünscht, das ganze System des Mcßwandlers mit einem Schirm zu verschen, um die Geräusche möglichst wcilgcncnd /u verhindern, wenn er /um Messen verwendet wird, weil das elektrische Feld oder die Änderungen der Kapazität, falls überhaupt vorhanden, in seiner Nähe Fehler in der Messung verursachen können.
Hei der oben beschriebenen Vorrichtung kann ein Feldeffekttransistor als Impedan/umwandlungsstromlirpic ynrvunnrint WCfiicn.
Fine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung wird nachstehend anhand von F i g. 5 beschrieben, in der mil I ein hochpolymerer piezoelektrischer Körper bezeichnet ist. der auf seinen beiden Seiten mn Elektroden 2, 2' verschen ist. Mit 8 ist ein Feldeffckitransistorstromkrcis und mit 6 eine Meß- oder Dete kl ionsei η richtung bezeichnet.
Der mit Elektroden versehene hochpolymere piezoelektrische Körper 1 wird an dem zu prüfenden .Schwingungskörper 4 angebracht.
Die erzeugte Spannung wird über einen Feldeffekttransistor abgegeben und mittels der Meß- oder Detcktionseinrichlung 6. wie einem Voltmeter, einem Aufzeichner oder einem Os/illoskop. gemessen. Sie kann auch über einen Rclaisstromkreis eine Alarmeinrichtung betätigen.
Wenn die vorbc:.timmte .Spannungshöhe aufgrund der Erzeugung abnormaler Schwingungen überschritten wird, wird die mit dem piezoelektrischen Körper verbundene Alarmcinrichiung betätigt, um über die abnormalen Schwingungen in dem Schwingungskörper zu informieren. Bei der vorgenannten Ausführungsform ist zwischen dem piezoelektrischen Körper und dem Relaissiromkreis zum Betätigen der Alarmeinrichtung ein Feldeffekttransistor vorgesehen, um die Impedanz umzuwandeln, so daß der mit der Alarmeinrichtung verbundene Rclaisstromkreis durch die in dem piezoelektrischen Körper erzeugte Spannung betätigt werden kann.
Die direkte Kopplung des piezoelektrischen Körpers an einen zweckentsprechenden Relaisstromkreis kann ebenfalls die Alarmeinrichtung betätigen.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung wiedergegeben, bei welcher mit 1 ein hochpolymerer piezoelektrischer Körper bezeichnet ist. der auf seinen beiden Seiten mit Elektroden 2, 2' in Form leitender Schichten als Anschlüsse nach einem bekannten Verfahren, wie dem Aufdampfen von Metallfilmen, versehen ist. Die Anschlüsse werden, wenn die Messung erfolgt, auf dem Schwingungskörper 4 unter Verwendung von beidseitig klebenden Bändern oder zweckentsprechenden Klebstoffen oder von üblichen Befestigungsmitteln, wie kleinen Schrauben oder Klammern, angebracht. Die Anschlüsse sind ferner über den Feldeffekttransistorkreis 8 mit dem Relaiskreis 9 verbunden, der seinerseits mit der Alarmeinrichtung 30 verbunden ist und diese betätigt, wenn eine vorbestimmte Spannungshöhe erreicht ist. Eine übliche Einrichtung, beispielsweise ein Voltmeter, kann als kelaiskreis verwendet werden. Das hier verwendete Voltmeter ist in dem Stromkreis derart angeordnet, dall sein Zeiger die Alarmcinrichiung betätigt, wenn eine vorbcslimmte Spannlingshöhe überschritten wird. Die ί Schwingungen des Schwingungskörpers 4 werden von dem piezoelektrischen Körper I transformiert und über den Fcldcffckttransistorkreis 8 an das Voltmeter abgegeben, und die Änderungen der Amplitude der Schwingungen als Spannungsä'nderungen festgestellt, ι» Wenn abnormale Schwingungen in dem Schwingungskörper und damit eine bestimmte elektrische Spannung erzeugt werden, schließt der Zeiger des Voltmeters den Stromkreis und betätigt die Aliirmeinrichiiing.
ι ■> Beispiel I
Ein monoaxial orientierter I'VDI -Film wurde auf seinen beiden Seilen durch Niederschlagen \on
!„I.* 1 I
-'<> I i g. 2 wiedergegeben ist. und dann wurde ein stationäres elektrisches Feld von 500 kV/cm unter Erhitzung angelegt, um einen piezoelektrischen Körper /u erhalten, der eine piezoelektrische Konstante </n von 4.0 · 10 cgscsu hatte.
.'"> Es wurde ein Meßwandler gemäß F i g. 2 unter Verwendung dieses piezoelektrischen Korpers (/OxlOxO.Olmm1) hergestellt. Der zu prüfende Sch»1 Tgungskörper 4. der aus Aluminiumblech (80x12x1111111') hergestellt war. wurde mit dem
i" Meßelement mittels Klehinaterials J verbunden, das aus beidseitig klebendem Hand bestand.
Das eine Ende des Aluminiu iiblechs wurde festgelegt, und an sein anderes Ende wurden sinusförmige Schwingungen von 10-100 11/ unier Verwendung
i'> eines Vibrators angelegt, wobei die Schwingungen in 10 Hz-Stufen von 10 II/ aiii 100 II/ erhöht wurden.
Die erzeugte Spannung wurde über einen Feldeffekttransistor dem Impedanzumwandliingskreis zugeführt und unter Verwendung eines ()s/ilioskops gemessen.
4(i Die Wellenform, welche die gleiche Frequenz wie die an das Aluminiumblech angelegt hatte, wurde beobachtet. Die Frequen/charakterisiiken waren flach. Die relaii\e Verformung, bestimmt aus der Ausgangsspannung des Meßwandlers, /eigl einen konstanten Wen von
ή 4.8- 10 4. und zwar unabhängig von Frcqucnzänderungen. Die relative Verformung, bestimmt durch Verwendung eines Bcanspruchiingsmessers. betrug 5 · 10 4.
Beispiel 2
Ein monoaxial orientierter PVDF-Film wu.de auf beiden Seiten durch Niederschlagen von Aluminium mit Elektroden 2, 2' versehen, wie dies in F i g. 4 wiedergegeben ist. und dann wurde ein stationäres elektrisches Feld von 500 kV/cm unter Erhitzung angelegt, um einen piezoelektrischen Körper mit einer Größe von 70x10x0.01 mm3 zu erhalten, der eine piezoelektrische Konstante d» von 4.0 · 10-7 cgsesu hatte.
Der piezoelektrische Körper wurde an seinem einen Ende mit dem feststehenden Körper 7 und an seinem anderen Ende mit dem Aluminiumblech 4 verbunden, das seinerseits an den Vibrator gekoppelt war. Für die Klebmaterialien 3, 3' wurde beidseitig klebendes Band verwendet.
Der Vibrator wurde mit sinusförmigen Schwingungen von 1 Hz bis 100 Hz betätigt, und die erzeugte Spannung wurde über den Feldeffekttransistorkreis 5
für die Impedanzumwandlung geführi und dann mittels des Oszilloskops 6 festgestellt. Die Ausgangsspannung bei einer relativen Verformung von I · 10~4 betrug 0,16 V.
Die Frequcn/charakleristiken bis /u 100 Hz waren flach.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Schwingungsmessung mit einem elektrische Ausgangssignale liefernden Meßwandler in Form eines hochpolymeren piezoelektrischen Körpers, der auf beiden Seiten mit Elektroden versehen, an wenigstens einem Teil eines Prüfkörpers anbringbar und mit diesem gekoppelt ist, und mit einer dem piezoelektrischen Körper nachgeordneten Einrichtung zur Auswertung der mechanischen Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß der hochpolymere piezoelektrische Körper (I) ein polarisierter hochpolymerer piezoelektrischer Körper ist, dessen Polarisation durch Einwirkung eines elektrostatischen Feldes erzeugt worden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der hochpolymere piezoelektrische Körper (J) piezoelektrische Charakteristiken der Expansions-Kontrakiionsart hai.
DE2357692A 1972-11-20 1973-11-19 Vorrichtung zur Schwingungsmessung mit einem elektrische Ausgangssignale liefernden Meßwandler Ceased DE2357692B2 (de)

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