DE2724970A1

DE2724970A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der mechanischen vorspannung bei geschrumpften ringen rechteckigen querschnitts aus piezoelektrischer keramik

Info

Publication number: DE2724970A1
Application number: DE19772724970
Authority: DE
Inventors: Henri Louit
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1976-06-09
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1977-12-22
Also published as: GB1583779A; US4099407A; DE2724970C2; FR2354547B1; FR2354547A1

Description

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VERFAHREN UND VORRICIn¹UNG ZUM MESSEN DER MECHANISCHEN VORSPANNUNG BEI GESCHRUMPFTEN RINGEN RECHTECKIGEN QUERSCHNITTS AUS PIEZOELEKTRISCHER KERAMIK

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Vorspannung bei geschrumpften Ringen rechteckigen Querschnitts aus piezoelektrischer Keramik.

Es ist bekannt, Ringe aus piezoelektrischer Keramik zu schrumpfen, um deren Sprödigkeit zu verringern, so daß die Ermüdungsgrenze erhöht und somit die zulässige Krafteinwirkung gröeer werden kann.

Die durch das Schrumpfen erzeugte mechanische Vorspannung muß gemessen werden, damit man sicher ist, daß sie dem gewünschten Wert entspricht.

Das Verfahren zum Messen der mechanischen Vorspannung bei geschrumpften Ringen rechteckigen Querschnitts aus piezoelektrischer Keramik ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein radial nach außen gerichteter Druck auf die innere zylindrische Wandung eines Keramikrings ausgeübt wird, der aus einer wählbaren, konstanten Druckkomponente und einer diese überlagernden sinusförmigen Druckkomponente besteht, daß für mehrere Werte der konstanten Druckkomponente der Verformungskoeffizient d oder der Beanspruchungskoeffizient g des Keramikrings gemessen wird, und daß das Maximum des gemessenen Koeffizienten festgestellt wird und die zugehörige konstante Druckkomponente, deren Wert absolut gleich der auf die Schrumpfung zurückzuführenden Vorspannung ist.

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Das erfindungsgemäee Verfahren beruht auf der Tatsache, daß die piezoelektrischen Verformungskoeffizienten d oder Beanspruchungskoeffizienten g am größten sind, wenn die Keramik keiner statischen Beanspruchung, d.h. weder durch Kompression noch durch Zug unterworfen wird. Die Koeffizienten durchlaufen daher bei Nullbeanspruchung ein Maximum, d.h. wenn die durch die Schrumpfung erzeugte Vorspannung durch die konstante Druckkomponente gerade ausgeglichen wird.

Die erfindungsgemäee Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mit einer Flüssigkeit gefüllte vollkommen dichte Kammer aufweist, deren Seitenfläche zylindrisch ist und aus einer verformbaren Wandung besteht, auf die der Keramikring aufgesetzt wird, wobei die verformbare Wandung auf der zylindrischen Innenfläche des Rings aufliegt, daß Mittel, mit denen eine wählbare konstante Druckkomponente P in der Kammer erzeugt werden kann und mit denen dieser Druck verändert werden kann, Mittel zum Ablesen des Werts der konstanten Druckkomponente, Mittel, mit denen die konstante Druckkomponente von einer sich sinusförmig verändernden Druckkomponente, deren maximale Amplitude festgelegt ist, überlagert werden kann, sowie Mittel, mit denen die elektrische Spannung zwischen der zylindrischen Innenfläche und der zylindrischen Außenfläche des Keramikrings gemessen werden kann, wobei das Spannungsmaximum bei einer Druckkomponente P erhalten wird, die eine Beanspruchung hervorruft, deren absoluter Wert gleich der auf das Schrumpfen beruhenden Vorspannung ist, vorgesehen sind.

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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 2 stellt die Veränderungen der piezoelektrischen Koeffizienten des geschrumpften Keramikrings in Abhängigkeit von der auf seine Innenfläche einwirkenden Beanspruchung dar.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Meßvorichtung, die eine vollkommen dichte Ringkammer 1 mit senkrechter Achse in einem Gestell 2 umfaßt. Die zylindrischen Außenwandung dieser Kammer 1 besteht aus einer verformbaren Wandung 3. Der AuBendurchmesser der Kammer 1 ist gleich dem Innendurchmesser der torischen Ringe 4. Diese Ringe haben einen rechteckigen Querschnitt, und ihre Höhe ist gleich der Höhe der Kammer 1. Das Gestell 2 weist in seinem mittleren Bereich einen senkrechten Kanal 5 auf, der über eine Leitung 6 mit der Kammer 1 in Verbindung steht.

Dieser Kanal 5 wird oben durch den Kolben 7 eines Druckimpulserzeugers 8 verschlossen. Dieser Kolben kann senkrecht im Kanal 5 auf und ab gleiten.

Der untere Teil des Kanals 5 ist mit einer Hydraulikpumpe 9 verbunden, die mit einem Manometer 10 versehen ist.

Die Kammer 1 sowie der Kanal 5 sind mit Flüssigkeit gefüllt.

Die Klemmen eines Voltmeters 11 sind mit der zylindrischen Innenfläche und der zylindrischen Außenfläche des Rings 4 verbunden.

Hit Hilfe der Pumpe 9 wird ein wählbarer konstanter Druck P erzeugt. Dieser Druck wird mit dem Manometer 10

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gemessen, und da die zylindrische Außenfläche S der Kammer 1 bekannt ist, kann die auf die verformbare Wandung 3 einwir-

kende Beanspruchung T = ^r direkt errechnet werden.

Hit Hilfe des Druckimpulserzeugers 8 wird dem Druck P eine sich sinusförmig ändernde Druckkomponente überlagert, deren maximale Amplitude ρ ist.

Der Beanspruchungskoeffizient g ist durch die folgende

Formel gegeben : g =

p.e

wobei faie Dicke des Keramikrings und ρ die maximale Amplitude der sich sinusförmig ändernden Druckkomponente ist, und V die am Spannungsmesser 11 meßbare SpannungsSchwankung ist.

Ferner is t g eine Funktion der Grundbeanspruchung T. Diese Funktion hat ein Maximum, wenn T absolut gleich und vorzeichenmäßig der auf die Schrumpfung zurückzuführenden Vorspannung C entgegengesetzt ist, da bei diesem Wert von T die Keramik keinerlei statischer Zug- bzw. Kompressionsbeanspruchung unterworfen ist.

Für jeden Wert T, der vom Wert des auf dem Manometer abgelesenen Drucks P abgeleitet wird, liest man einen Wert V auf dem Spannungsmesser 11 ab, der einen Wert proportional zu g ergibt. Indem man als Ordinaten die Werte von g oder eines proportionalen Wertes wie beispielsweise V oder d (Verformungskoeffizient d * t ·?) ^für sämtliche als Abszisse abgetragenen Werte von T einzeichnet, erhält man die in Fig. 2 dargestellte Kurve.

Diese Kurve zeigt für einen bestimmten Beanspruchungswert To ein Maximum, aus dem die auf das Schrumpfen zurückzuführende Vorspannung C abgeleitet werden kann, da absolut der Wert von C gleich To ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Messen der mechanischen Vorspannung bei geschrumpften Ringen rechteckigen Querschnitts aus piezoelektrischer Keramik, dadurch gekennzeichnet, daß ein radial nach außen gerichteter Druck auf die innere zylindrische Wandung eines Keramikrings ausgeübt wird, der aus einer wählbaren, konstanten Druckkomponente und einer diese überlagernden sinusförmigen Druckkomponente besteht, daß für mehrere Werte der konstanten Druckkomponente der Verformungskoeffizient d oder der Beanspruchungskoeffizient g des Keramikrings gemessen wird, und daß das Maximum des gemessenen Koeffizienten festgestellt wird und die zugehörige konstante Druckkomponente, deren Wert absolut gleich der auf die Schrumpfung zurückzuführenden Vorspannung ist.

2 - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mit einer Flüssigkeit gefüllte vollkommen dichte Kammer aufweist, deren Seitenfläche zylindrisch ist und aus einer verformbaren Wandung besteht, auf die der Keramikring aufgesetzt wird, wobei die verformbare Wandung auf der zylindrischen Innenfläche des Rings aufliegt, daß Mittel, mit denen

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eine wählbare konstante Druckkomponente P in der Kammer erzeugt werden kann und mit denen dieser Druck verändert werden kann» Mittel zum Ablesen des Werts der konstanten Druckkomponente, Mittel, mit denen die konstante Druckkomponente von einer sich sinusförmig verändernden Druckkomponente, deren maximale Amplitude festgelegt ist, überlagert werden kann, sowie Mittel, mit denen die elektrische Spannung zwischen der zylindrischen Innenfläche und der zylindrischen Außenfläche des Keramikrings gemessen werden kann, wobei das Spannungsmaximum bei einer Druckkomponente P erhalten wird, die eine Beanspruchung hervorruft, deren absoluter Wert gleich der auf dem Schrumpfen beruhenden Vorspannung ist, vorgesehen sind.

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