DE2700342A1

DE2700342A1 - Messwandler

Info

Publication number: DE2700342A1
Application number: DE19772700342
Authority: DE
Inventors: Donald Jack Birchall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-05
Filing date: 1977-01-05
Publication date: 1977-07-14
Also published as: US4075525A; DE2700342B2; GB1507251A; DE2700342C3

Description

Messwandler.

Die Erfindung betrifft piezoelektrischen Messwandler, insbesondere einen Beschleunigungsaufnehmer, zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangs nach Massgabe einer mechanischen Spannung, welcher der Messwandler ausgesetzt ist.

Es sind Messwandler für die Beschleunigung bzw. Beschleunigungsaufnehmer vorgeschlagen worden, bei denen ein keramisches piezoelektrisches Element sandwich-artig zwischen zwei metallischen Massen gefasst ist, so dass bei einer Beschleunigung des Wandlers Trägheitskräfte dem keramischen Element Dehnungen erteilen, welche aufgrund des piezoelektrischen Effektes zur Erzeugung von Ausgangsspannungen führen. Solche Messwandler werden umfangreich z.B. für Schwingungsanalysen und dgl. eingesetzt.

Bei einem Typ eines gegenwärtig benutzten Beschleunigungsaufnehmers, dem sogenannten Druckscheiben-Beschleunigungsaufnehmer, ist eine Scheibe piezoelektrischen Materials sandwich-artig zwischen zwei metallischen Massen gefasst, und es werden Beschleunigungskräfte in axialer Richtung eingeleitet. Solche Messwandler haben den Nachteil, dass sie auch unechte Ausgangssignale, also Störsignale, abgeben und dass

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sich ihre Empfindlichkeit in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen ändert. Bei einem anderen Typ eines Beschleunigungsaufnehmers, dem sogenannten Scherring-Beschleunigungsaufnehmer, ist ein hohler Zylinder aus piezoelektrischem, keramischem Material zwischen einem inneren zylindrischen Druckzapfen und einer äusseren zylindrischen Masse montiert, wobei Scherdehnungen durch axiale Beschleunigungen hervorgerufen werden.

Obwohl Scherring-Beschleunigungsaufnehmer im allgemeinen gegenüber den Umgebungseinflüssen weniger empfindlich sind, verbleibt doch der Nachteil, dass das piezoelektrische Element gewöhnlich mit den Massen mittels eines Klebers oder mittels Lötzinn verbunden ist. Daher kann der Messwandler nur bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Klebers oder Lötzinns benutzt werden. Jedoch müssen Beschleunigungsaufnehmer bei vielen Anwendungen, z.B. bei der Untersuchung von Gasturbinen, höheren Temperaturen widerstehen können.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen ohne Störsignale arbeitenden und gegenüber Umgebungseinflüssen weitgehend unempfindlichen Beschleunigungsaufnehmer zu schaffen, welcher auch bei hohen Temperaturen verwendbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten piezoelektrischen Messwandler gelabt.

Bei der erfindungsgemässen Anordnung ist kein Kleber zur Verbindung des piezoelektrischen Elementes mit dem Druckzapfen und der Hülse erforderlich, weshalb der Messwandler, der im übrigen die guten Eigenschaften eines Scherring-Beschleunigungsaufnehmers hat, auch für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen geeignet ist.

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Das keramische bzw. piezoelektrische Element des neuen Messwandlers ist bevorzugt gemäss Anspruch 2 gestaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Neigungswinkel der Flächen des Elementes gegenüber seiner Achse unterschiedlich sind.

Die Klemmeinrichtung des Messwandlers ist zweckmässigerweise gemäss Anspruch 3 ausgebildet. Anstatt einer solchen Klemmeinrichtung kann alternativ aber auch eine starke Federklammer verwendet werden.

Die piezoelektrische Eigenschaft des· keramischen Elementes wird durch Polarisation erhalten, die auf elektrischem Wege vor der Formung des Elementes erzeugt werden kann. Die Polarisationsrichtung wird dabei von der beabsichtigten Schwingungsart abhängen. Für Axialschwingungen wird eine Axial-Polarisation bevorzugt. Für Drehschwingungen kann eine Ring-Polarisation angewandt werden. Letztere kann durch Aufbau des Elementes aus einer Anzahl geeignet polarisierter Segmente erzielt werden. Bei Axialschwingungen beruht die Wirkungsweise des Messwandlers überwiegend auf Scherung des Elementes, obwohl, je nach Neigung der Oberflächen, auch eine Druckkomponente vorliegt. Im allgemeinen wird der Messwandler so verwendet werden, dass der Druckzapfen fest mit der zu beschleunigenden Oberfläche verbunden ist und die Trägheits-Reaktion der Masse der Hülse die Erzeugung der Ausgangspotentiale bewirkt. Jedoch lässt sich der Beschleunigungsaufnehmer auch in umgekehrter Weise verwenden, indem die Hülse mit der zu beschleunigenden Oberfläche verbunden ist und das Ausgangssignal als Ergebnis der entsprechenden Schwingung des inneren Druckzapfens erhalten wird.

Die Hülse besteht bevorzugt aus dem im Anspruch 4 angegebenen Material, das eine hohe Dichte hat und sich gut bearbeiten lässt. Der Druckzapfen kann aus dem gleichen Material hergestellt sein, besteht besser aber gemäss Anspruch 5 aus rostfreiem Stahl. Ein anderes geeignetes Material für den Druckzapfen ist Titan.

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Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Seitenansicht eines Messwandlers nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Messwandler nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand.

Der dargestellte Messwandler umfasst einen inneren Druckzapfen 1 aus rostfreiem Stahl mit einem Gewindestutzen 2, mit welchem sich der Messwandler an einer Fläche anschrauben lässt, deren Beschleunigung gemessen werden soll. Der Druckzapfen umfasst einen mit dem Gewindestutzen 2 einstUckigen Körper 3, der eine konische Aussenflache 4 besitzt und mit einem Innengewinde versehen ist.

Ein keramisches piezoelektrisches Element aus Blei-Zirkonat-Titanat, einem auch als PZT5A bekannten Material, ist als hohler Kegelstumpf 5 mit einer konischen Innenfläche 6 und einer dazu parallelen konischen Aussenfläche 7 ausgebildet. Die Innenfläche 6 hat die gleiche Gestalt und Grosse wie die konische Aussenfläche 4 des Druckzapfens.

Eine Hülse 8 aus einer Wolfram-Kupfer-Legierung sitzt auf dem Element 5. Die Hülse hat eine konische Innenfläche 9, welche die gleiche Grosse und Gestalt wie die Aussenfläche 7 des Elementes 5 hat. Der Messwandler ist mittels eines Bolzens 10 zusammengehalten, der durch eine Klemmplatte 11 aus rostfreiem Stahl und eine Isolierscheibe 12 aus Glimmer hindurchreicht. Der Bolzen 10 ist in den Druckzapfen eingeschraubt, so dass eine Klemmeinrichtung gebildet ist, welche die Bauteile des Messwandlers mittels axialer Klemmkräfte zusammenhält. Hierbei ist das Element 4 sandwich-artig zwischen dem Druckzapfen und der Hülse eingespannt, wobei die konischen Innen- und Aussenflächen in innigem gegenseitigem Kontakt stehen.

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Beim Einsatz wird der Messwandler mittels des Gewindestutzens 2 in ein Aufnahmegewinde eines Körpers eingeschraubt, dessen Schwingungen analysiert werden sollen. Die Schwingungen des Körpers führen dazu, dass das piezoelektrische Element aufgrund des piezoelektrischen Effekts Spannungen zwischen seiner Innen- und seiner Aussenflache erzeugt. Das Element 5 ist hierzu in axialer, durch kleine Pfeile angedeuteter Richtung piezoelektrisch polarisiert. Die Spannungen im Element 5 werden durch die Trägheitsreaktion der Hülse 8 hervorgerufen; die der Beschleunigung proportionalen Potentiale werden durch nicht gezeigten elektrischen Kontakt mit der Hülse 8 abgegriffen und beziehen sich deshalb auf das Potential des Druckzapfens 1.

Der Schraubbolzen 10 erzeugt eine statische Vorbelastung des Elementes 5. Spannungen, die auf die Beschleunigung zurückgehen werden im keramischen Element hervorgerufen, wobei die Ansprecheigenschaften teilweise von der relativen Nachgiebigkeit der piezoelektrischen Anordnung und des aus Stahl bestehenden Schraubbolzens 10 abhängen. Die Spannungen im Element 5 sind teilweise Scherspannungen und teilweise Druckspannungen.

Bei dem genannten piezoelektrischen Material PZT5A ist die obere Grenze der Arbeitstemperatur dvirch den piezoelektrischen Curie-Punkt von 38O⁰C festgelegt. Es können Jedoch auch andere piezoelektrische Keramikwerkstoffe benutzt werden, z.B. Blei-Metaniobat (Pb Nbp 0/-), bei welchem der Curie-Punkt bei 570⁰C liegt.

Nesswandler mit einem konischen piezoelektrischen Keramikelement der oben erläuterten Bauart können natürlich auch für andere Anwendungen, z.B. als Kraft oder Druckaufnehmer verwendet werden.

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Claims

Ansprüche

Piezoelektrischer Messwandler mit einem hohlen piezoelektrischen keramischen Element, das sandwich-artig zwischen einem metallischen Druckzapfen und einer metallischen Hülse gefasst ist, dadurch gekennzeichnet , dass das Element (5) eine konische Innenfläche (6) und eine konische Aussenfläche (7) besitzt, dass die Innen- und die Aussenfläche beide gegenüber der Achse des Elementes im gleichen Sinne geneigt sind, dass der Druckzapfen (3) und die Hülse (8) konische Flächen (4; 9) besitzen, welche einen innigen Flächenkontakt mit der konischen Innenfläche bzw. der konischen Aussenfläche des Elementes (5) herstellen, und dass eine Klemmeinrichtung (10, 11) vorgesehen ist, welche den Druckzapfen, das Element und die Hülse mittels einer axialen Kraft zusammenhält.
2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das keramische Element (5) ein hohler Kegelstumpf ist, dessen beide konischen Flächen (6, 7) den gleichen Neigungswinkel gegenüber der Achse haben.
3. Messwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,' dass die Klemmeinrichtung einen Bolzen (10) umfasst, welcher in den Druckzapfen (3) eingeschraubt ist und eine Klemmplatte (11) an die Hülse (8) heranzieht.
4. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , dass mindestens die Hülse (8) aus einer gesinterten Wolfram-Kupfer-Legierung besteht.

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5. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet , dass mindestens der Druckzapfen (3) aus rostfreiem Stahl besteht.
6. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , dass das piezoelektrische
keramische Element (5) axial polarisiert ist.

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