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Piezoelektrisches Schwingelement
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r e Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Schwingelement
zur Messung von Kontaktpotentialen zwischen relativ zueinander beweglichen Elektroden
und von Elektrodenaustrittsarbeiten aus Oberflächen oder Grenzflächen, bei dem eine
von einem mittels einer Erregerspannung erregten piezoelektrischen Material angetriebene
Schwingelektrode von einem am piezoelektrischen Material befestigten Federelement
gehalten ist und bei dem der Erregerspannung eine regelbare Spannung zur Variation
des mittleren Elektrodenabstandes überlagert ist.
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Ein piezoelektrisches Schwingelement dieser Art ist aus DE-PS 26 13
528 bekannt. Das Schwingelement ist als "Kelvinsonde" zur Bestimmung von Elektrodenaustrittsarbeit
aus Materialgrenzflächen beschrieben.
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Die Elektrodenaustrittsarbeit ist für die Beurteilung von Oberflächeneigenschaften
der Materialien von Bedeutung. Uber die Verwendung als Kelvinsonde hinaus läßt sich
das Schwingelement beispielsweise auch zur Modulation der optischen Durchlässigkeit
eines Strahlenganges einsetzen.
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Beim bekannten Schwiniement ist zur Erregung des piezoelektrischen
Materials ein Schaltkreis mit Transformator vorgesehen, dem als Wechselspannungsquelle
ein Sinuswellengenerator dient. Im Schaltkreis befindet
sich zum
Einstellen des mittleren Abstandes der gegeneinander beweglichen Elektroden eine
Gleichspannungsquelle, die eine Spannung liefert, die der Wechselspannung zur Erregung
des piezoelektrischen Materials überlagert wird. Nachteilig ist, daß eine Erregung
des Schwingelementes in Resonanzfrequenz durch Abstimmen des Sinuswellengenerators
sehr genau eingestellt werden muß. Darüber hinaus ist bei einer Anderung der Resonanzfrequenz
beispielsweise bei Temperaturschwankungen oder bei Alterung des Materials des Schwingelementes
die Frequenz des Sinuswellengenerators nachzuregeln und der Phasenabgleich neu vorzunehmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und selbstregelnden
Antrieb für das piezoelektrische Schwingelement zur Anregung und zum Betrieb des
Schwingelementes in Resonanzfrequenzen zu schaffen, wobei die zu ermittelnden Meßgrößen
störungsfrei bestimmbar sein sollen. Darübe +hinaus soll die Einstellung des mittleren
Abstandes zwischen den sich gegeneinander bewegenden Elektroden von der Erregung
des Schwingelementes entkoppelt sein.
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Auch wird eine unabhängige Handhabung der einzelnen Regelgrößen angestrebt.
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Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Schwingelement der
eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung durch die in Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Dabei wird das piezoelektrische Material einerseits
über einen Kondensator an einen in Selbsterregung arbeitenden Erregerkreis, andererseits
am Basispotenti .l des Erregerkreises angeschlossen, wobei parallel zu den Polen
des piezoelektrischen Materials eine die Variation des mittleren Elektrodenabstandes
bewirkende Spannungsquelle anliegt. Auf diese Weise wird eine Selbsterregung des
Schwingelementes in Resonanzfrequenzen unabhängig von der der Erregerspannung überlagerten
weiteren Spannung erreicht und die gewünschte Resonanzfrequenz (Grundfrequenz oder
Oberwellen) selbsttätig eingestellt. Der Erregerkreis weist darübeXhinaus einen
Steuerkreis zur Amplitudenvariation auf.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 besteht
der Erregerkreis in einfachster Weise aus einem Operationsverstärker mit einem am
invertierenden Eingang angeschlossenen Gegenkoppelkreis und einem am nicht invertierenden
Eingang angeschlossenen Rückkoppelkreis. Der eine mit dem Schwingkreis verbundene
st Pol des piezoelektrischen Materials über den Kondensator mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers verbunden.
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Um eine kontinuierliche Amplitudenveränderung des Schwingelementes
durchführen zu können, liegt am Operationsverstärker eine regelbareVersorgungsspannung
an. Die Amplitude läßt sich somit in gleicher Weise wie der mittlere Abstand der
gegeneinander schwingenden Elektroden des Schwingelementes ohne wesentlichen Einfluß
auf die Schwingeigenschaften des Erregerkreises einstellen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigen im einzelnen: Figur 1 Blockdiagramm für die Funktion eines
als Kelvinsonde verwendeten piezoelektrischen Schwingelementes; Figur 2 Schaltbild
eines Erregerkreises mit Abstands- und Amplitudenregelung.
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Wie die Zeichnung zeigt, weist das piezoelektrische Schwingelement
eine SchwingelekbDde 1 und eine Gegenelektrode 2 auf, die im Ausführungsbeispiel
ortsfest angeordnet ist. Für die Verwendung des Schwingelementes als 11Kelvinsonde"
bildet die Schwingelektrode 1 eine Referenzelektrode und besteht aus einem Material,
dessen Austrittsarbeit sich während der Messung nicht verändern soll, beispielsweise
aus Gold. Die Gegenelektrode 2 bildet das Prüfstück. Die Schwingelektrode 1 ist
an einem Federelement 3 befestigt, das als Blattfeder an seinem anderen Ende von
einem piezoelektrischen Material 4 zu transversalen Schwingungen angeregt wird.
Statt einer Blattfeder sind auch andere Federelemente, insbesondere Longitudinalschwinger
verwendbar. Das Federelement 3 ist aus Molybdän gefertigt.
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Das mit dem Federelement 3 verbundene piezoelektrische Material 4,
eine o,1 mm starke Piezokeramikfolie, ist beidseitig mit einer Metallschicht überzogenund
weist für den Anschluß elektrischer Leiter Pole 5,6 auf. Als
temperatur-
und ultrahochvakuumbeständige Piezokeramik wurde eine aus Blei-Zirkonat und -Titanat
bestehende Piezokeramikfolie verwendet.
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Am Pol 5 des piezoelektrischen Materials ist über einen elektrischen
Leiter 7 ein das piezoelektrische Material 4 antreibender Erregerkreis angeschlossen.
Der Erregerkreis besteht aus einem Operationsverstärker 8, einem Gegenkoppelkreis
9 mit Widerständen 1o, 11 und parallelgeschaltetem Kondensator 12 sowie einen Rückkoppelkreis
13 mit Widerständen 14, 15, wovon der Widerstand 14 regulierbar ist. Der Gegenkoppelkreis
9 ist zwischen invertierendem Eingang 16 und Ausgang 17 des Operationsverstärkers
8, der Rückkoppelkreis 13 am nicht invertierenden Eingang 18 angeschlossen, wobei
der Widerstand 1C des Rückkoppelkreises am Basispotential 19, der Widerstand 14am
Ausgang 17 des Operationsverstärkers 8 ariliegt.
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Der mit Pol 5 des piezolektrischen Materials 4 verbundene elektrische
Leiter 7 ist über einen Kondensator 20 am invertierenden Eingang 16 des Operationsverstärkers
8 angeschlossen, der Pol 6 des piezoelektrischen Materials 4 liegt über Leiter 21
am Basispotential 19 an.
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Die Widerstandswerte der Widerstände 10, 11, 14 und 15 sowie die Kapazitäten
der Kondensatoren 12 und 20 werden so gewählt, daß unter Berücksichtigung der elektrischen
Größen des piezoelektrischen Schwingelementes optimale Impedanz-Bedingungen für
den Erregerkreis gegeben sind.
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Der Rückkopplungsgrad des Erregerkreises wird mit Widerstand 14 eingestellt.
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Mit beiden Polen 5,6 ist eine regelbare Spannungsquelle 22 verbunden,
mittels der der vom Erregerkreis erzeugten Erregerspannung eine Spannung zur Einstellung
des mittleren Abstandes zwischen Schwingelektrode 1 und Gegenelektrode 2 überlagerbar
ist. Im Ausführungsbeispiel wird eine regelbare Gleichspannungsquelle verwendet,
die manuell einstellbar ist. Statt dessen läßt sich jedoch beispielsweise auch ein
selbsttätig wirkender Regelkreis zur automatischen Abstandsregelung oder ein Wechselspannungsgenerator
zur Doppelmodulation für das Schwingelement einsetzen.
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Der Operationsverstärker 8 wird von einer regelbaren VersDannungs
sorgungX uelle 23 gespeist. Eine Änderung der Versorgungsspannung bewirkt eine Amplitudenvariation.
Die Versorgungsspannungsquelle ist über Leiter 24, 25 mit dem Operationsverstärker
8 verbunden. Jeder der Leiter 24, 25 ist am Spannungsteilerausgang von Potentiometern
26, 27 angeschlossen, die ihrerseits mit Spannungsquellen 28, 29 in Verbindung stehen.
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Das piezoelektrische Schwinglement wird mit dieser Erregerkreisschaltung
selbsttätig auch bei Änderung der elastischen Eigenschaften des Schwingelementes
beispielsweise durch Temperaturänderungen oder Alterung des Materials in Eigenresonanz
(Grundfrequenz oder Oberwellen) betrieben..
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Die Resonanzbedingungen ändern sich auch dann nicht, wenn die Impedanz
des Schwingelementes durch Anlegen
von Spannungen mittels der Spannungsquelle
22 geändert wird. Die regelbare Versorgungsspannungsquelle 23 am Clerationsverstärker
8 ermöglicht eine kontinuierliche Amplitudenvariation.
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Das von der Kontaktpotentialdifferenz zwischen Schwingelektrode 1
und Gegenelektrode 2 bestimmte Meßsignal wird über einen elektrischen Leiter 30
einem phasenempfoindlichenVerstärker 31 zugeführt, der vom Erregerkreis über eine
Signalleitung 32 mit einem Phasenreferenzsignal synchronisiert wird. Vom phasenempfindlichen
Verstärker 31 wird das Meßsignal einer Signalverarbeitung 33 zugeführt, die mit
einem Registriergerät 34 zur Aufzeichnung des Meßsignals verbunden ist.
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Für einen automatischen Nullabgleich weist die Signalverarbeitung
33 einen Anschluß für eine Rückführleitung 35 auf, die über eine Spannungsquelle
36 an das Basispotential 19 führt. Die Spannungsquelle 36 dient zur Kompensation
und Simulation von Kontaktpotentialdifferenzen und zu Eichzwecken.
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Vom Erregerkreis wird unabhängig von Resonanzfrequenz und Amplitude
ein phasenstabiles Referenzsignal abgegeben. Der phasenempfindliche Verstärker ist
auch bei Änderung der Resonanzfrequenz insbesondere infolge einer Temperaturänderung
oder Alterung des Materials nicht nachzujustieren.