DE2437922A1 - Verfahren und vorrichtung zur schwingungsmessung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur schwingungsmessung

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Hiroshi Obara
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Description

2Λ379??
Or. E. Wicgsiiil, D;pi.-fnn. W. fiJenienn V* - '■v*-z· Dr.M. Köhler, ΟϊρΙ.-ΐΓ,β. G. Ssrniierdl "
Patentanwälte Hamburg 50 - Königstraße 28
β. Λ
W.26 426/74 20/Hh
Kureha Kagaku Kogyo Xabushiki Kaisha, Tokio (Japan)
Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsmessung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Schwingung eines festen Gegenstandes vermittels eines Schwingungsmessers, der einen piezo-elektrischen Film hohen Molekulargewichts als Scm/ingungsdetektoreleiaent auf'.feist, in welchem mit aller Wahrscheinlichkeit auftretende Störungen hzw. Gerauschstörungen vermieden werden können, welche durch Schallwellen verursacht werden.
Es ist bekannt, daß bestimmte Materialien, beispielsweise Substanzen mit hohem Molekulargewicht, beispielsweise Proteine, Poly-/^Methylglutamate und dgl. piezo-elektrisch sind. Es ist außerdem bekannt, daß aus Polyvinylchlorid, Polymethylmethakrylat oder aus anderen entsprechenden
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hochmolekularen polaren Substanzen gebildete Gegenstände einer sogenannten Polarisierungsbehandlung unterworfen werden können, bei welcher sie einer Wärmebehandlung unter ' einem hohen statischen elektrischen Feld ausgesetzt werden, um geformte Gegenstände aus hochmolekularen Substanzen zu bilden, die piezo-elektrische Eigenschaften aufweisen. Insbesowere wenn Polyvinylidenfluorid als hochmolekulare polare Substanz verwendet wird und die Moleküle des Polyvinylidenfluorid in solchem Kristallaufbau angeordnet werden, daß sie leicht die höchste Polarisation erzeugen können, werden piezo-elektrische Konstanten bzw. Werte erreicht, die mit denen des Rochelle-Salz verglichen werden können. Typische Kristallaufbauten von Polyvinylidenfluorid weisen einen g( -Typ und einen β -Typ auf, wobei der Letztere einen zick— zackförmigen ebenen Kristallaufbau aufweist und daher ohne weiteres in einen polaren Aufbau umgebildet werden kann. Häufig nimmt für gewöhnlich Polyvinylidenfluorid, wenn es geschmolzen und extrudiert worden ist, den Kristallaufbau vom ei -Typ ein, jedoch wird der Kristallaufbau des extrudierten Produkts vollständig oder teilweise in den Kristallaufbau vom β -Typ verändert, wenn das extrudierte Produkt bei einer, verhältnismäßig niedrigen Temperatur (beispielsweise unter 13O0C für das Homopolymere) gestreckt wird.
Wenn die Achsen X^ und X„ längs der Ebene eines Filmes angeordnet werden und die Achse X, in die Richtung der Dicke eines Filmes fällt, wie es in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt ist, und wenn eine Kraft bzw. Spannung längs der Richtung der X^-Achse in dem Film angelegt wird, wird die längs der Richtung der Achse X- erzeugte Polarisation als d,^ bezeichnet. Wenn eine Zugspannung in der gleichen Achsenrichtung wie der Richtung, in welcher das Polyvinylidenfluorid gestreckt ist, angelegt wird, erreicht die piezo-elektrische Konstante d.^ manchmal eine Größenordnung von i χ i0~ c.g.s.es.E, als Maximalwert. Außerdem erzeugt die an eine nicht orientierte oder in irgend_>zwei Richtungen biaxial orientierte
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Folie oder ein solcher Film einen piezo-elektrischen Körper mit einer Konstanten d„. in der Höhe von 5 χ 10"" c.g.s.es.E.
Viele polarisierten Folienprodukteaus natürlichen hochmolekularen Substanzen, beispielsweise aus Proteinen oder hochmolekularen polaren Substanzen, beispielsweise auch andere als Polyvinylidenfluorxd, beispielsweise Polyvinylfluorid, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylchlorid, Polymethylniethakrylate oder dgl., weisen ein Maximum von d_^ von ungefähr 10" -Ίσ " Cg.s.es.E. auf, und diese Substanzen mit piezo-elektrischen Konstanten einer solchen Größenordnung können auch verwendet werden als piezo-elek.trische Elemente, indem sie mit Verstärkern kombiniert werden, die für den vorgesehenen Anwendungszweck geeignet sind.
Für die hochmolekularen Substanzen, die piezo-elektrisehe Eigenschaften wie oben festgestellt aufweisen, können verschiedene Anwendungszwecke als elektrisch-mechanische oder mechanisch-elektrische Umwandlungselemente in Betracht gezogen werden, beispielsweise für Rochelle-Salz und keramische piezoelektrische Materialien. Insbesondere wenn sie als Messeinrichtungen für mechanische Schwingungen eingesetzt werden, können Filme oder Folien irgendeiner gewünschten Größe zufolge der Eigenart der hochmolekularen Verbindung erhalten werden, und allgemein bieten sie viele Vorteile, beispielsweise wie hohe Schlagfestigkeit im Vergleich mit anorganischen piezoelektrischen Materialien, einen niedrigen Young-Modul, welcher kaum mit der mechanischen Schwingung interferiert, wenn sie als dünne Filme oder Folien verwendet werden, die den auszumessenden Gegenstand über einen weiten Bereich berühren oder mit ihm in Verbindung stehen, keinen Resonanzpunkt oder Resonanzbereich für irgendeine bestimmte Wellenlänge, da sie keinen merklichen Resonanzpunkt aufweisen, usw.
Venn derartige hochmolekulare piezo-elektrische Filme als Messeinrichtung für mechanische Schwingung verwendet werden, werden für gewöhnlich zweckmäßige dünne Metallfilme beispielsweise aus Gold, Platin, Silber, Kupfer, Nickel, Chrom-
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eisen, Aluminium, Zinn, Zink oder dgl. auf beide Flächen des hochmolekularen Films als Elektroden durch Plattleren, Aufstäuben usw. aufgebracht, und das piezo-elektrische Element wird mit der Oberfläche des auszumessenden Gegenstandes durch zweckmäßige Mittel beispielsweise durch Verschraubung, Flanschverbindung usw. in Berührung bzw. in Verbindung gebracht. Mechanische Schwingung wird durch Umwandlung der Schwingung in Veränderungen der Intensität des elektrischen Feldes an der Filmoberfläche umgewandelt, welche durch die Schrumpfung und die Streckung des hochmolekularen piezo-elektrischen Filmes verursacht werden.
Es ist jedoch gefunden worden, daß manchmal durch umgebende Schallwellen erzeugte Störungen bzw. Geräuschstörungen, in den erhaltenen Messresultaten der mechanischen Schwingung eines festen Materials, bei Verwendung von Einrichtungen mit hochmolekularen piezo-elektrischen Filmen, Fehler erzeugen. Es wird angenommen, daß die Störungen erzeugt werden, wenn die hochmolekularen Folien oder Filme Schallwellen in der Umgebung zufolge ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Schallwellen aufnehmen.
Durch die Erfindung wird bezweckt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen mechanischer Schwingung fester Materialien zu schaffen, welche in der Lage sind, Störungen bzw. Interferenzen von Schallwellen zu vermeiden, indem die Elektrode an der gegenüberliegenden Fläche des hochmolekularen piezo-elektrischen Elementes, welche mit dem zu messenden Gegenstand kontaktiert ist, mit einem flexiblen schallabsorbierenden Material versehen bzw. abgedeckt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.
Fig. 1 ist eine zur Erläuterung der piezo-elektrischen Konstante dienenden Darstellung.
Fig. 2 ist eine der Erläuterung des Prinzips gemäß der
vorliegenden Erfindung dienende Darstellung. Gemäß Fig. 2 sind dünne Metallfilmelektroden 1 und 1* an
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beiden Flächen eines hochmolekularen piezo-elektrischen Filmes 2 angebracht. Die Oberfläche der einen Elektrode i ist mit einem flexiblen bzw. dehnbarem schallabsorbierenden Material 3 versehen, und die Oberfläche der anderen Elektrode I1 ist nicht mit einem derartigen schallabsorbierenden Material abgedeckt, sondern mit dem zu messenden Objekt h in Berührung bzw. in Kontakt. Leitungen 5 und 5* von den Elektroden i und i1 sind über einen Impedanzwandlerkreis 6 mit einer Messeinrichtung bzw. einem Detektor 7 verbunden, wo die Veränderungen in dem elektrischen Feld an dem piezo-elektrischen Film, welche durch die Schwingung des zu messenden Objekts verursacht werden, gemessen oder festgestellt werden. Mit 8 ist ein Feldeffekttransistor bezeichnet, welcher durch andere zweckmäßige Impedanzwandlereinrichtungen, beispielsweise durch eine Vakuumröhre oder dgl«, ersetzt werden kann. Als Messeinrichtung oder Detektor 7 können verschiedene Mittel eingesetzt werden, unter anderem ein Voltmeter, ein Amperemeter, ein Schreiber,'ein Oszillograph, eine Kombination irgendwelcher dieser Elemente mit einem Rechner oder eine Alarmeinrichtung oder dgl.
Flexible schallabsorbierende Materialien werden vorzugsweise aus denjenigen Materialgruppen ausgewählt, welche hohe schallabsorbierende Wirkungen aufweisen, beispielsweise hochmolekulare elastische Materialien oder Schaumstoffe, beispielsweise Gummi, Polyuretan, Schaumstoffe oder Gummischaumstoffe, Polyäthyrenschaumstoffe, Polyäthylenschaumstoffe^thylen Äthyren-Vinylacetat-Schaumstoffe und dgl. Sehr hohe Messgenauigkeit ist nicht erforderlich, Kunststoffe mit niedrigen schallabsorbierenden Wirkungen können auch verwendet werden, . beispielsweise ein Film aus Weichpolyäthylen, beispielsweise Weich-Polyvinylchlorid usw., jedoch müssen die geschmolzenen Gegenstände aus diesen Kunststoffilmen mit verhältnismäßig geringen Absorptionseffekten einen niedrige"enYoung-Modul aufweisen, als denjenigen der hochmolekularen piezo-elektrischen Filme. Es wird bemerkt, daß das flexible schallabsorbierende
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Material nicht notwendigerweise einstückig bzw. ganzflächig abdeckend an der einen Elektrode des hochmolekularen piezo-elektrischen Filmes angebracht sein muß, vorausgesetzt, daß das Material die Fläche bzw. Oberfläche des piezo-elektrischen Elements zum Zeitpunkt der Schwingungsmessung berührt bzw. abdeckt, um so Schall in der Umgebung daran zu hindern, direkt zum hochmolekularen piezo-elektrischen Film überzugehen .
Obwohl es nicht bevorzugt wird, die Fläche des hochmolekularen piezo-elektrischen Films, welcher das zu messende Objekt abdeckt, mit schallabsorbierenden Materialien abzudecken, kann die piezo-elektrische Folie zu Zwecken der Isolierung oder zum Schutz der Elektrode mit einer dünnen (ο,Ι-loju) hochmolekularen Folie versehen werden, welche kaum die mechanischen Schwingungen absorbiert, und daher keine Schwierigkeiten bei der Messung verursacht. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung können alle Arten mechanischer Schwingungen, die durch feste Gegenstände hindurchgehen, gemessen werden, beispielsweise das Schlagen des Herzens und Konvulsionen in lebenden Körpern und dgl. als auch Maschinenschwingungen .
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Claims (9)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Messen und Feststellen von Schwingung, bestehend aus dem Kontaktieren einer Oberfläche eines piezoelektrischen Elementes, welches eine hochmolekulare piezoelektrische Folie mit einem dünnen Metallfilm als Elektroden, die an beiden Flächen angeordnet sind, aufweist, mit einem zu messenden Gegenstand, während die gegenüberliegende Fläche des piezoelektrischen Elements, welche mit dem zu messenden Gegenstand in Berührung ist, mit einem flexiblen schallabsorbierenden Material versehen wird und bestehend aus Messen oder Feststellen der Schwingung des Gegenstandes durch die Veränderungen im elektrischen Feld, welches durch die Schwingung des Gegenstandes verursacht und an der Oberfläche des piezo-elektrischen Elements erzeugt wird.
2. Vorrichtung zum Messen und Feststellen von Schwingung, bestehend aus einem piezo-elektrischen Element, welches eine hochmolekulare piezo-elektrische Folie aufweist, einem dünnen Metallfilm, der auf beiden Seiten der Folie aufgebracht ist und bestehend aus einem flexiblen schallabsorbierenden Material, welches die eine Elektrode an der einen Fläche des piezo-elektrischen Filmes abdeckt, wobei die der mit dem absorbierenden Material abgedeckten Fläche gegenüberliegende Fläche als Kontakt- bzw. Berührungsfläche zur Messung der Schwingung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flexibles schallabsorbierendes Material ein hochmolekularer elastischer Schaumstoff verwendet wird.
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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß als piezo-elektrischer Film ein Polyvinylidenfluoridfilm verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flexibles schallabsorbierendes Material ein Weich-Polymerfilm verwendet wird, der einen niedrigeren Young-Modul als der hochmolekulare piezo-elektrische Film aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche weiterhin mit einem dünnen hochmolekularen Film versehen ist, welcher die mechanische Schwingung nicht bzw.-kaum absorbiert.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der piezo-elektrische Film aus Iblyvinylidenfluorid besteht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible schallabsorbierende Material aus einem hochmolekularen elastischen Schaumstoff besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible schallabsorbierende Material aus einem Weichpolymerfilm besteht, der einen niedrigeren Young-Modul als der hochmolekulare piezo-elektrische Film aufweist.
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