DK147741B - Piezoelektrisk transducerelement i indbygning i tryk-, kraft- eller accelerationsfoeler - Google Patents
Piezoelektrisk transducerelement i indbygning i tryk-, kraft- eller accelerationsfoeler Download PDFInfo
- Publication number
- DK147741B DK147741B DK025480AA DK25480A DK147741B DK 147741 B DK147741 B DK 147741B DK 025480A A DK025480A A DK 025480AA DK 25480 A DK25480 A DK 25480A DK 147741 B DK147741 B DK 147741B
- Authority
- DK
- Denmark
- Prior art keywords
- pressure
- transducer element
- piezoelectric
- compression molding
- plates
- Prior art date
Links
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000000748 compression moulding Methods 0.000 claims description 30
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 9
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 9
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 8
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 229910001235 nimonic Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 2
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000007573 shrinkage measurement Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000011032 tourmaline Substances 0.000 description 1
- 229940070527 tourmaline Drugs 0.000 description 1
- 229910052613 tourmaline Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
- G01P15/0915—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up of the shear mode type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/302—Sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
- H10N30/886—Additional mechanical prestressing means, e.g. springs
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Description
i 147741
Opfindelsen angår et piezoelektrisk transducerelement til indbygning i en tryk-, kraft- eller accelerationsføler med mindst to forskydningsfølsomme, plant bearbejdede piezoelektriske plader, som er anbragt på hver side af en central bærende del, og to uden på piezopladerne liggende trykfordelingsstykker, der har form som cirkelafsnit, og hvor trykfordelings— stykker, piezoelektriske plader og den bærende del sammenholdes af et påkrympet kompressionsformstykke under en forspænding.
Inden for måleteknikken har man i årtier med succes anvendt piezoelektriske transducerelementer til måling af mekaniske svingninger, kræfter og tryk, altså til måling af mekaniske størrelser. Hertil er transducerelementet indbygget i fuldstændigt lukkede accelerations- eller svingnings-, kraft- eller trykfølerhuse. Disse måleværdifølere har tilsvarende monteringsorganer, krafttilledningsflader og trykpåvirkningsmembraner samt tilslutninger til udtag af målesignaler, således at de alt efter anvendelsesformål kan have helt forskellige ydre former. Der er dog væsentligt, at transducerelementet i alle tilfælde har den samme opgave, nemlig at omforme en mekanisk kraft til et proportionalt elektrisk signal. Det er gang på gang forsøgt at fremskaffe et enhedstransducerelement, som lader sig anvende til indbygning i alle måleværdifølere til måling af mekaniske størrelser, men indtil nu har disse forsøg ikke ført til et universelt anvendeligt transducerelement, som kan seriefremstilles og anvendes til alle de nævnte måleværdifølere uden større tilpasningsarbejder.
Der kendes transducersystemer, ved hvilke massedelene, piezopladerne og den bærende del er forsynet med en boring, med en .gennemgående skrue, således at hele systemet sættes under en mekanisk forspænding. Skønt en sådan anordning år let at montere, har den den ulempe, at piezopladerne skal forsynes med gennemboringer, hvad der væsentligt forøger deres tilbøjelighed til at danne revner og endvidere fremkalder en fare for kortslutninger langs skruegennemboringen.
147741 2
Endvidere kendes der forskellige piezoelektriske transducer-systemer, som arbejder efter forskydningsprincippet. Ved anordningen ifølge tysk fremlæggelsesskrift 27 12 359 findes to forskydningsfølsomme, retvinklede piezoplader, som er anbragt på hver sin side af en flad central pladebsrende del, og hvorpå der endvidere ligger et trykfordelingsstykke, der er udformet som et cirkelafsnit. Anordningen bestående af piezoelektriske plader, trykfordelingsstykker og bæredel sammenholdes af en ydre omgribende fjederring, der udsætter piezo-pladerne for en vis forspændingskraft. Den tynde bærende plade bevirker en dårlig tilkobling for det piezoelektriske system til en følerbundplade med en tilsvarende lav egenfrekvens. Endvidere er en fjederring for elastisk til at kunne give piezopladerne en forspænding, som er stor nok til at overføre store trykkræfter, således at det kendte transducerelement kun egner sig til anvendelse ved relativt lave omgivelsestemperatur er.
På trods af disse ulemper foreslås det i US-PS 3.725.986 at sammenholde den i øvrigt uændrede anordning af piezoplader, trykfordelingsstykker og en tynd pladebare-del ved hjælp af et på trykfordelingsstykket påkrympet kompressionsformstykke i stedet for med fjederringen, således at der kommer til at virke væsentligt højere forspændings-kræfter. Med denne kendte forholdsregel kan der dog ikke opnås nogen ensartet trykfordeling vinkelret på krystalfladerne, da piezopladerne, trykfordelingsstykkerne og pladebæredelen er optaget i en cirkulær udboring i kompressionsformstykket. Udboringen i forbindelse med det resterende tværsnit af kompressionsformstykket tilvejebringer ingen veldefinerede kraftlinie-zoner, jf. fig. 2. Som følge af den ujævne trykfordeling medfører de høje forspændingskræfter let krystalbroer, især ved kanten af de piezoelektriske plader, der på grund af den cirkulære udformning af optageboringen er udsat for høje radiale trykspændinger. I øvrigt har den tynde pladebæredel til følge, at transducerelementet har en alt for lav egenfrekvens til, at accelerationsmålinger kan komme på tale.
I modsætning hertil er det formålet med opfindelsen at tilveje- 3 147741 bringe et universelt anvendeligt transducerelement af den i indledningen nævnte og fra US-PS 3.725.986 kendte art, og med en for accelerationsmålingen egnet masse, som også ved høje driftstemperaturer garanterer en veldefineret ensartet trykpåvirkning af de piezoelektriske plader.
Dette formål opnås ifølge opfindelsen ved, at trykfordelingsstykker, piezoelektriske plader og bæredel er optaget i et i kompressionsformstykket udformet aflangt hul, der har afrundede ender, der er tilpassede trykfordelingsstykkernes krumningsradier.
Ifølge en foretrukken udførelsesform af opfindelsen er afstanden mellem midterpunkterne af de to udboringer, der danner det aflange huls runde ender større end deres diameter, d.v.s. ved fremstillingen af det aflange hul bliver begge de to udboringer udført i massivt materiale, hvorefter man udfræser eller på anden måde fjerner den tilbageværende skillevæg mellem de to udboringer under dannelse af det færdige aflange hul. Tilpasningen af det aflange huls runde ender til trykfordelingsstykkernes krumningsradier kan således let opnås med den nødvendige tolerance, selv ved seriefremstilling.
I modsætning til den ved de kendte transducerelementer anvendte cirkulære udboring er trykfordelingsstykker, piezoplader og bæredel ifølge opfindelsen optaget i et aflangt hul, som opdeler kompressionsformstykket, især i forbindelse med den kendetegnende del af underkrav 3, i en voluminøs kraftig trækzone og en elastisk omlednings- eller fordelingszone. Den på trykfordelingsstykket virkende trykspænding bliver derfor på optimal måde ledt ind via trykfordelingsstykket med det til følge at piezopladerne over deres samlede flade udsættes for en ensartet påvirkning vinkelret på krystalfladerne. Krystalbroer som følge af ikke homogen spændingsfordeling kan derfor ikke længere optræde ved transducerelementet ifølge opfindelsen.
147741 4
En anden fordel, der skyldes indretningen af det aflange hul, som optager piezoplader, trykfordelingsstykker og bæredel, som angivet i krav 1, ligger i, at der ikke er nogen begrænsning på tykkelsen af bæredelen, således at den kan have den til accelerationsmålinger nødvendige massive udformning, og f.eks. være udformet med et massivt cylindrisk fodstykke, fortrinsvis med en diameter, der er større end eller lig med tykkelsen af den bærende del. Transducerelementet kan derfor som følge af den høje egenfrekvens ikke alene indsættes til statiske tryk- og kraftmålinger, men også til accelerationsmålinger og dermed anvendes universelt. Transducerelementet kan have kompressionsformstykke med en i hovedsagen cirkulær omkreds, og et sådant kompressionsformstykke kan let fremstilles med en periferisk flange, der gør det muligt at fastgøre transduceren til et følerhus, via kompressionsformstykket.
I en anden udførelsesform kan transducerelementet være forsynet med en udvidet periferisk flange, der er udformet mellem den bærende del og det cylindriske fodstykke, på hvilken flange en beskyttelseshstte er fastgjort. En sådan hætte kan være en afskærmningshætte til elektrisk afskærmning af kompressionsformstykket, trykfordelingsstykkerne, de piezoelektri-ske plader og den bærende del. Dermed kan transducerelementet også anvendes i støjende omgivelser, hvorved elementets universelle anvendelighed forøges, jvf. opfindelsens formål.
Krav 7 angiver hvorledes man kan opnå en transducer med en særlig stor følsomhed, ved anvendelse af flere piezoplader.
Krav 8 angiver hvorledes et helt universelt anvendeligt transducerelement, der kan måle kraftpåvirkninger i to eller tre på hinanden vinkelrette retninger, kan være opbygget. Det må forstås, at det er den specielle udformning af kompressionsformstykket, som angivet i krav 1, der gør det muligt i praksis at montere så mange piezoplader i én holder. Krav 9 angiver at kompressionsformstykket kan indgå som et styrelegeme eller en seismisk masse, der fortrinsvis fremstilles af et tungmetal og kan indbygges i et accelerometer.
5 147741
Ifølge opfindelsen er tilvejebragt et piezoelektrisk transducerelement, som kan anvendes universelt såvel til tryk-, kraftsom til accelerationsmålinger og især, men ikke udelukke egnet til anvendelse ved højere temperaturer. Især i temperaturområdet fra ca. 600°C er det en forudsætning, at der anvendes perfekte, forskydningsfrie krystallag og en meget høj om muligt enakset og ensartet forspænding af krystallen. Kombinationen af et påkrympet, massivt og formstift kompressionsformstykke med en udformning af optagehullet i form af et veldefineret aflangt hul muliggør en belastning af piezopladerne med en ens- 2 artet fordelt specifik fladespænding på f.eks. 30 kg/mm og mere.
Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et snit på langs gennem et transducerelement, opbygget ifølge opfindelsen, især med henblik på en bygning i trykfølere, fig. 2 et snit langs linien 2 i fig. 1, fig. 3 et snit gennem trykfordelingsstykkerne, fig. 4 en udførelsesform for en trykføler med et transducerelement ifølge opfindelsen, fig. 5 en udførelsesform for en særlig afskærmet accelerationsføler med et modificeret transducerelement ifølge opfindelsen, fig. 6 et snit langs linien 6-6 i fig. 5, og 147741 6 fig. 7 transducerelementet til accelerationsmåling i 3 ortogonale koordinatretninger X, Y, Z, hvor kompressionsformstykket fungerer som seismisk masse, transducerelementets enkelte dele er adskilte og vist i perspektiv.
Ved piezoelektriske transducerelementer ifølge den foreliggende opfindelse anvendes plant forarbejdede piezoelektriske plader i stedet for cylindriske piezoelementer. Det har vist sig, at til anvendelse i temperaturområder fra over 400°C er plant bearbejdede piezoplader og ligeledes plant bearbejdede bæreflader bedre egnet.
Opbygningen af et transducerelement ifølge opfindelsen er vist i fig. 1, 2 og 3. En fastgørelsesdel 1 består fortrinsvis af en temperaturbestandig Ni-legering, f.eks. nimonic, og har et cylindrisk fodstykke 2. På fodstykket 2 er der son vist, f .des. ved fræsning, udformet en rektangulær påsætningsdel eller bærende del 3 med to planparallelle slebne over for hinanden liggende trykflader 10 til piezopladerne. Diameteren d af en udboring 9, udført i midten af den basrende del 3, er af stor betydning for opnåelsen af den nødvendige elasticitet og for sikringen af den ønskede formfasthed for trykfladerne 10 under forskellige temperaturbetingelser . Som piezoelement benyttes mindst en planparallel piezoplade 6, som ligger an imod hver trykflade 10.
Under indvirkning af en aksial trykpåvirkning P (jf. fig. 1) afgiver hvert piezoelement på kendt måde, alt efter retningen af kraften P, negative eller positive ladninger til den bærende del 3. I det viste eksempel indgår tre piezoplader 6,mellem hvilke der på kendt måde er indlagt elektroder 7. I almindelighed udstanses disse elektroder af tynde metalfolier og indlægges ved monteringen. I stedet for metalfolier kan der dog også benyttes metallag direkte på piezopladerne 6.
7 147741
Erfaringen har dog vist, at de fra halvlederteknikken overtagne forbindelsesraetoder ved anvendelse ved højere temperaturer er underlegne i forhold til indlagte metalfolier.
Som piezoplade 6 kan såvel piezokeramisk som enkrystallinske materialer anvendes. Velegnede enkrystallinske materialer er kvartskrystaller, turmalin, lithiumniobat, lithiumtantalat og andre. Orienteringen af sådanne krystalplader med henblik på aksiale trykpåvirkninger er velkendt for fagverdenen. Det er derfor ikke nødvendigt at komme nærmere ind på dette.
Som vist har den beskrevne anordning endvidere to trykfordelingsstykker 4, som fortrinsvis dannes ved opsplitning af en bolt med diameteren D, som ifølge fig. 3 er afslebet på to diametralt over for hinanden liggende flader, hvorved der opstår to i hovedsagen halvcirkulære cylindriske dele. Afstanden mellem de to afslebne flader har en passende værdi B, der svarer til bredden af piezopladerne 6. De overflader på trykfordelingsstykket 4, der kommer i berøring med piezopladerne 6, er plant bearbejdet til et tolerancemål T, jf. fig. 3.
Et sådant trykfordelingsstykke 4 er som vist i fig. 1 og 2 anbragt på den side af piezopladen 6, der vender bort fra påsætningsdelen 3, således at piezopladerne er indesluttede mellem påsætningsdelen og trykfordelingsstykket. Fortrinsvis er trykfordelingsstykkerne 4 forsynet med håndteringsudboringer 11 (kun en er vist i fig. 2),som gør det muligt at fastgøre piezopladerne 6 til den bærende del 3 ved hjælp af trykfordelingsstykkerne 4, hvorved en bestemt minimal forspænding kan indbygges. Herpå kan hovedmålet M, som er vigtig for den i det følgende nærmere beskrevne krympeproces, afmåles på den således foreløbigt monterede anordning langs dens længste hovedakse, jf. fig. 2.
Som det fremgår af fig. 1 og 2, er der tilvejebragt en massiv struktur med et i hovedsagen formstift kompressionsstykke 5 8 147761 med et fortrinsvis cirkulært tværsnit, hvilket kan bestå af en temperaturbestandig legering, som nimonic eller inconel, og som har et i forhold til sin hovedakse centralt placeret langagtigt hul 12 med et rektangulært udsnit A, hvortil der på begge sider umiddelbart slutter sig cirkelformede cylindriske udsnit 13, 13'. Dette kan fremstilles ved at påspænde et cirkulært emne på en koordinatboremaskine,og i en centerafstand A langs en hovedakse af emnet foretages en udboring med diameteren D, jf. fig. 3, hvorefter man udfræser eller eroderer det resterende materiale mellem boringerne i en bredde svarende til D. Dermed opstår grupper af kompressionsformstykker 5 med forskellige tolerancemål M ifølge fig. 2.
Ved monteringen bliver de, som tidligere nævnt, foreløbigt monterede anordninger, bestående af fastgørelsesdelen 1, piezo-pladerne 6 og trykfordelingsstykkerne 4, inddelt i grupper med tilsvarende hovedmål M og sammensat i par, omfattende kompressionsstykker 5 og foreløbigt monterede anordninger med tilpassede foreskrevne krympeovermål. Derpå ophedes kompressionsformstykket 5 og skubbes svarende til fig. 2 ind over den foreløbigt monterede anordning og afkøles til sidst efter kendte metoder inden for krympeteknikken. Efter temperaturudligningen foreligger et piezoelektrisk transducerelement, som kan overføre store forskydningskræfter i et stort temperaturområde som følge af det ved hjælp af det påkrympede fjederstive kompressionsstykke 5 tilvejebragte høje fladetryk. Gennem den beskrevne udformning af kompressionsformstykket 5 ifølge opfindelsen opnås en symmetrisk kraftoverførelse til trykfordelingsstykkerne 4, som overfører den ved krympeproces-sen resulterende trækkraft Z jævnt til piezopladerne 6 og til piezobæreren 3. Kredsen af kræfter er dermed sluttet på den snævreste måde. Til indbygningen i tryk- og kraftføleren kan kompressionsformstykket med fordel forsynes med en udadvendt periferisk flange 8, jf. fig. 1.
Fig. 4 viser indbygningen af et piezoelektrisk transducerelement ifølge opfindelsen i en trykføler.. Flangen 8 på kom- 9 147741 pressionsformstykket 5 er indspændt på kendt måde i trykfø-lerhuset 20, f.eks. ved hjælp af en gevindring, som er indskruet i udboringen i huset. En membran 24, der er fastgjort eller svejst til huset, har i sin midte et stempel 23, der er forsynet med et isolerende lag 22, og som er forbundet med det her afkortede som trykoverføringsstempel fungerende fodstykke , 2 på transducerelementet, f.eks. ved hjælp af en skrueforbindelse. Som isolering 22 er påsprøjtede metaloxidbelægninger, f.eks. med eller MgO, som påsprøjtes ifølge kendte plasma eller flammesprøjtefremgangsmåde på de pågældende metaloverflader, velegnede.
Signalafledningen fra piezobæreren 3 sker ved hjælp af en elektrode 26, som fører til et ikke vist stik. På grund af den meget stive tilkobling mellem fodstykket 2 og kompressionsformstykket 5 fås en trykføler med en høj egenfrekvens .
Fig. 5 viser et anvendelseseksempel med et piezoelektrisk transducerelement ifølge opfindelsen i en fuldstændig afskærmet og grundisoleret accelerationsføler. Sådanne følere kan f.eks. finde anvendelse til overvågningsopgave^ i reaktoranlæg, fly og stationære turbiner. Fig. 6 viser et snit igennem de i fig. 5 viste piezoelektriske transducerelementer.
Ifølge fig. 5 og 6 er fodstykket 2 på transducerelementet ifølge opfindelsen forsynet med et isolerende lag 30 og indkrympet i følerhuset 31 efter kendte metoder. Det isolerendelag kan som nævnt ovenfor i forbindelse med fig. 4 påføres.
Efter påsprøjtning af det isolerende lag nedslibes fodstykket 2 til krympemål. I modsætning til udførelsesformen ifølge fig. 1 og 2 er der her på fastgørelsesdelen 1 i området omkring overgangsstedet fodstykket 2 til piezobæreren 3 udformet en horisontal udadrettet afskærmningsflange 32, hvorpå en afskærmningshætte 33 er fastgjort, hvilken hætte fuldstændigt afdækker piezopladerne og de tilhørende dele udadtil. Dermed er de ladningsførende dele af transducerelementet fuldstændigt afskærmet over for huset ifølge prin 147741 ίο cippet for Faradays bur. Magnetiske og elektriske felter såvel som potentialforskelle mellem følerhus og huset af en signalforarbejdningsindretning har her ingen indflydelse på målesignalet, således at sådanne følere kan indbygges i kompakte anlæg, hvor måle- og følerledninger ligger i stort antal ved siden af hinanden.
Ved anvendelse af transducerelementet ifølge opfindelsen i accelerationsfølere kan kompressionsformstykket 5, som samtidig udgør den seismiske masse, med fordel bestå af en tungmetallegering med en specifik vægt på ca. 20 i stedet for nimonic med ca. 8,0. Ganske vist har sådanne tungmetallegeringer den ulempe, at de kan overføre ganske store trykkræfter, men kun middelmådige trækkræfter. Til anvendelser over 400°C anbefales det derfor at fremstille kompressionsformstykket 5 ifølge fig. 6 af en tungmetallegering, hvor der tillige er en langsgående slids 52 på tværs af eller vinkelret på længderetningen af det langagtige hul i kompressionsformstykket 5, hvilken længdeslids har en bredde W og indfræses til en resterende dybde L. Derefter kan den foreløbige montering af fastgørelsesdelen 1 og piezopladerne 6, elektroderne 7 og trykfordelingsstykkerne 4 ske uden yderligere monteringshjælpemidler, idet man åbner slidsen 52 noget med en monteringskile 53, hvorefter kompressionsformstykket 5 kan skubbes ind over trykfordelingsstykkerne 4. Efter at have kontrolleret placeringen af piezopladerne og elektroderne fjernes monteringskilen 53, hvorefter klemmevirkningen sammenholder den monterede enhed.
Herpå opvarmes en passende krympering 50, f.eks. af nimonic, efter for krympeteknikken kendte metoder og påkrympes. Derefter indsættes transducerelementet i følerhuset 31, igen efter kendte metoder ifølge krympeteknikken. Efter indføring af et afskærmende signalkabel 36 igennem en ledningsgennemføring i flangen 32 og forbindelse af signalkablet 36 med krympe-ringen 50 kan afskærmningshætten påsættes. Derefter forbindes kabelskærmen 39 med afskærmningshætten 33, hvorpå et ydre dæksel 34 svejses til huset 31. Som tilslutning til en så afskærmet og grundisoleret føler kræves et metalkabel 38, som 11 147741 kan fås i forskellige størrelser i handelen. Den færdig-tilskårne kabelende indsvejses i en kabelflange 37, der igen indsvejses i huset 31.
Det må forstås, at et piezoelektrisk transducerelement ifølge opfindelsen også kan indbygges i en accelerationsføler uden grundisolation. Ligeledes kan et kompressionsgrundstykke uden en slids 52 anvendes således som vist i fig. 2. Til temperaturområder indtil 400°C eksisterer der egnede tungmetallegeringer, mens Ni legeringer bør anvendes som en masse over denne temperatur, hvilket har til følge, at der opnås mindre målesignaler eller kræves en større føler.
I fig. 7 er der vist en anden variant af et piezoelektrisk transducerelement ifølge opfindelsen. I stedet for den i fig.
1 og 5 viste anordning, ved hvilken alle piezopladerne er følsomme for forskydningskræfter i aksial eller 2-retningen for transduceren, og hvor tilsvarende elektroder og forbindelsesmidler er indrettet til en summering af de enkelte pladesignaler , forfølges i fig. 7 andre mål. I det viste eksempel er der kun to Z piezoplader 6, som ligger symmetrisk omkring bæreren 3 på dennes trykflade 10, mens de to næste plader 60, som ligeledes er forskydningsfølsomme, er drejet 90°, således at de reagerer på kræfter i X-retningen. Endelig er der endnu to plader 61, som reagerer på tryk vinkelret på pladeoverfladen.
De elektroder og isoleringsplader, som er nødvendige til en sådan pladeindretning, er velkendte for fagmanden. Efter montering af denne anordning, således som ovenfor beskrevet, opstår en accelerationsføler, der er følsom for påvirkninger i tre på hinanden ortogonale akseretninger X, Y, Z, og som svarende hertil har tre separate signalledninger. Disse er såvel som elektroder, afskærmninger og isolatorer ikke vist på fig.
7, da deres placering er kendt af en fagmand.
Det piezoelektriske transducerelement ifølge opfindelsen, som hverken har skruer eller klæbemidler og dog opnår en ekstrem høj pladespænding, åbner nye muligheder for indbygning af piezo- 147741 12 elektriske måleomformere. Den enkle symmetriske formgivning gør det muligt at fremstille højpræcise transducerelementer ved kendte bearbejdningsmetoder, hvilke transducerelementer kan optimeres til forskellige anvendelsesformål. Som grundlag tjener en enakset-kompressionskolonne bestående af to symmetriske piezoanordninger under høj forspænding, hvilken kompressionskolonne er fuldstændigt indbygget i et skiveformet kompressionsgrundstykke 5. Dette kompressionsgrundstykke 5 tjener to formål. For det første: den interne piezo-forspæn-ding, for det andet: i tilfælde af en tryk- og kraftføler til kraftoverføring og fastholdelse samt - i tilfælde af en accelerationsføler - som seismisk masse. Når den anvendes som seismisk masse, kan den bestå af et legeret stål eller af en tungmetallegering. Udboringen 9 dimensioneres herefter, da en tungmetallegering er væsentligt stivere og har en væsentligt ringere udvidelse end kendte Ni- eller Fe-legeringer. Afpasningen af elasticiteten og udvidelseskoefficienten af piezo-bæreren 3, piezopladerne 6 og trykfordelingsstykkerne 4 med de tilsvarende dele af kompressionsformstykket 5 og i givet fald med krymperingen 50 sker ved beregninger og ved forsøg, især hvad angår det nødvendige krympemål. I forbindelse hermed spiller også diameteren "d" af udboringen 9 en vigtig rolle. Som anvendelseseksempler for transducerelementet ifølge opfindelsen er der henvist til en trykføler og en accelerationsføler. Anvendelsen som kraftføler foregår på lignende måde.
Det påpeges, at opfindelsen kan varieres på mange måder, f.eks. kan transducerelementet på enkel måde monteres i en grundisoleret føler eller omgives med et Faraday bur.
Opfindelsen muliggør således ifølge kombinations- og optimeringsprincippet ud fra et grundkoncept en række anvendelsesteknisk nye, forskellige muligheder.
De tidligere nævnte temperaturbestandige materialer nimonic og inconal er legeringer på basis af NiCr eller NiCrCo eller NiCrCoMo med tilsætning af Fe, Al, Ti og andre bestanddele.
Claims (5)
1. Piezoelektrisk transducerelement til indbygning i tryk-, kraft- eller accelerationsfølere med mindst to forskydningsfølsomme, plant bearbejdede piezoelektriske plader (6) anbragt på hver sin side af en central bærende del (3) og to uden på de piezoelektriske plader liggende trykfordelingsstykker (4), der har form som cirkelafsnit, hvor trykfordelingsstykker (4), piezoelektriske plader (6Jog den bærende del (3) sammenholdes af et påkrympet kompressionsformstykke (5) under en forspænding, kendetegnet ved, at trykfordelingsstykkerne (4), de piezoelektriske plader (6) og bæredelen (3) er optaget i et i kompressions formstykket (5) udformet aflangt hul (12), som har afrundede ender, der er tilpasset trykfordelingsstykkernes (4) krumningsradier.
2. Transducerelement ifølge krav 1, kendetegnet ved, at afstanden (A) mellem midtpunkterne af de to boringer, der danner det aflange huls (12) afrundede ender, er større end deres diameter (D) (fig. 2).
3. Transducerelement ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at kompressionsformstykket (5) har en i hovedsagen cirkulær omkreds.
4. Transducerelement ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at trykfordelingsstykkerne (4) har diametralt over for hinanden liggende flade områder.
5. Transducerelement ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at kompressionsformstykket (5) er krympet direkte' på trykfordelingsstykkerne (4). 1 Transducerelement ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at kompressionsformstykket (5) har en udvidelses-
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2906407 | 1979-02-20 | ||
DE2906407A DE2906407C2 (de) | 1979-02-20 | 1979-02-20 | Piezoelektrisches Wandlerelement zum Einbau in Druck-, Kraft- oder Beschleunigungsaufnehmer |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DK25480A DK25480A (da) | 1980-08-21 |
DK147741B true DK147741B (da) | 1984-11-26 |
DK147741C DK147741C (da) | 1985-06-17 |
Family
ID=6063364
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DK25480A DK147741C (da) | 1979-02-20 | 1980-01-22 | Piezoelektrisk transducerelement i indbygning i tryk-, kraft- eller accelerationsfoeler |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4503351A (da) |
EP (1) | EP0016858B1 (da) |
AT (1) | ATE1261T1 (da) |
DE (2) | DE2906407C2 (da) |
DK (1) | DK147741C (da) |
Families Citing this family (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RO78375A2 (ro) * | 1981-01-20 | 1983-08-03 | Institutul De Cercetare Stiintifica Si Inginerie Tehnologica Pentru Industria Electrotehnice,Ro | Traductor piezolectric |
DE3245453A1 (de) * | 1982-12-08 | 1984-09-27 | Károly Dr.-Ing. Budapest Bretz | Messplattform fuer differentielle kraftanalyse |
US4620446A (en) * | 1984-12-31 | 1986-11-04 | Bruel & Kjaer Instruments, Inc. | Acceleration responsive transducers |
DE3545682A1 (de) * | 1985-12-21 | 1987-06-25 | Fev Forsch Energietech Verbr | Druckaufnehmer fuer den brennrauminnendruck in brennkraftmaschinen |
DE3680341D1 (de) * | 1986-11-07 | 1991-08-22 | Kristal Instr Ag | Mehrkomponenten-dynamometer. |
JPH03148028A (ja) * | 1989-11-02 | 1991-06-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電型圧力センサ |
TW221491B (da) * | 1990-03-16 | 1994-03-01 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | |
US5512794A (en) * | 1991-12-05 | 1996-04-30 | Kistler Instrumente Ag | Shear accelerometer |
DK169653B1 (da) * | 1992-10-09 | 1995-01-09 | Brueel & Kjaer As | Piezoelektrisk accelerometer af forskydningstypen |
DE59806982D1 (de) | 1997-09-11 | 2003-02-27 | Komax Holding Ag Dierikon | Verfahren zur Bestimmung der Qualität einer Crimpverbindung |
EP1211761B1 (de) * | 1997-09-11 | 2005-12-14 | Komax Holding Ag | Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Qualität einer Crimpverbindung |
US6247364B1 (en) | 1997-10-27 | 2001-06-19 | Thomas P. Kicher & Co. | Acceleration transducer and method |
US6279395B1 (en) | 1999-02-05 | 2001-08-28 | Kistler Instrument Corporation | Annual shear element with radial preload |
JP2002340922A (ja) * | 2001-01-25 | 2002-11-27 | Nsk Ltd | 車輪用回転検出装置 |
US6923068B2 (en) * | 2003-06-19 | 2005-08-02 | Dynisco, Inc. | Pressure transducer |
EP1891409B1 (de) * | 2005-05-26 | 2010-09-01 | Kistler Holding AG | Dehnungssensor |
EP2013597B1 (de) * | 2006-05-04 | 2010-04-21 | Kistler Holding AG | Piezoelektrisches messelement mit transversaleffekt und sensor, umfassend ein solches messelement |
CN103675341A (zh) * | 2013-12-26 | 2014-03-26 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 压电式加速度传感器 |
RU2686573C1 (ru) * | 2015-12-04 | 2019-04-29 | Кистлер Холдинг Аг | Устройство для измерения ускорения и способ изготовления такого устройства для измерения ускорения |
US10739375B2 (en) | 2015-12-04 | 2020-08-11 | Kistler Holding Ag | Acceleration measuring device and method of manufacturing of said acceleration measuring device |
EP3992638B1 (de) | 2020-11-02 | 2024-03-20 | Kistler Holding AG | Beschleunigungsaufnehmer |
EP4220189A1 (de) * | 2020-11-02 | 2023-08-02 | Kistler Holding AG | Beschleunigungsaufnehmer |
EP3992639B1 (de) | 2020-11-02 | 2024-06-26 | Kistler Holding AG | Beschleunigungsaufnehmer |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2824243A (en) * | 1956-06-01 | 1958-02-18 | Hughes Aircraft Co | Compression type accelerometer |
US3104334A (en) * | 1959-09-15 | 1963-09-17 | Endevco Corp | Annular accelerometer |
CH447679A (de) * | 1965-11-29 | 1967-11-30 | Kistler Instrumente Ag | Beschleunigungs- und Schwingungsmesswandler |
US3725986A (en) * | 1970-04-09 | 1973-04-10 | Mechanical Tech Inc | Method of making power transducers |
US3727084A (en) * | 1970-06-29 | 1973-04-10 | Becton Dickinson Co | Accelerometer utilizing shear responsive x-cut lithium niobate |
US3743869A (en) * | 1971-03-03 | 1973-07-03 | Kistler Instr Corp | Transducer with ground isolation |
US3749948A (en) * | 1971-06-21 | 1973-07-31 | Seismic Logs | Pressure transducer |
US4211951A (en) * | 1976-03-29 | 1980-07-08 | Bruel & Kjaer A/S | Shear type prestressed piezoelectric force transducer |
DK138768B (da) * | 1976-03-29 | 1978-10-23 | Brueel & Kjaer As | Elektromekanisk kraftmåler. |
US4180892A (en) * | 1978-04-18 | 1980-01-01 | Bruel & Kjaer Industri A/S | Method for the manufacture of a force transducer |
-
1979
- 1979-02-20 DE DE2906407A patent/DE2906407C2/de not_active Expired
- 1979-10-17 US US06/085,544 patent/US4503351A/en not_active Expired - Lifetime
- 1979-11-21 EP EP79104633A patent/EP0016858B1/de not_active Expired
- 1979-11-21 DE DE7979104633T patent/DE2963190D1/de not_active Expired
- 1979-11-21 AT AT79104633T patent/ATE1261T1/de not_active IP Right Cessation
-
1980
- 1980-01-22 DK DK25480A patent/DK147741C/da not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ATE1261T1 (de) | 1982-07-15 |
DK25480A (da) | 1980-08-21 |
DK147741C (da) | 1985-06-17 |
DE2906407C2 (de) | 1981-02-26 |
DE2906407B1 (de) | 1980-06-12 |
EP0016858A1 (de) | 1980-10-15 |
EP0016858B1 (de) | 1982-06-23 |
DE2963190D1 (en) | 1982-08-12 |
US4503351A (en) | 1985-03-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DK147741B (da) | Piezoelektrisk transducerelement i indbygning i tryk-, kraft- eller accelerationsfoeler | |
US11740142B2 (en) | Piezoelectric thin-film sensor and use thereof | |
US5052226A (en) | Accelerometer with piezoelectric element | |
US3614488A (en) | Multicomponent force transducer | |
US4075525A (en) | Piezoelectric accelerometer transducer | |
CA2029041C (en) | Piezoelectric pressure sensor | |
US3727084A (en) | Accelerometer utilizing shear responsive x-cut lithium niobate | |
US5512794A (en) | Shear accelerometer | |
GB1108846A (en) | Piezo-electric devices | |
US3025359A (en) | Vibration-compensated pressure sensitive microphone | |
US3858065A (en) | Annular 3m class piezoelectric crystal transducer | |
DK156151B (da) | Svingnings- og accelerationsmaaler | |
CN109212262B (zh) | 一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器 | |
JP6806900B2 (ja) | 動的にも静的にもなり得る力を同時に測定するための測定センサ | |
US4211951A (en) | Shear type prestressed piezoelectric force transducer | |
CN114441804B (zh) | 加速度传感器 | |
US11022509B2 (en) | Measurement transducer for measuring a force | |
US3651353A (en) | Piezoelectric pressure transducer with acceleration compensation | |
CN114441803B (zh) | 加速度传感器 | |
US3402609A (en) | Semiconductor mechanical-to-electrical transducer | |
US4359658A (en) | Prestressed piezoelectric accelerometer | |
EP0664004B1 (en) | An accelerometer of the shear type | |
US4495433A (en) | Dual capability piezoelectric shaker | |
US10871504B2 (en) | Acceleration measuring device and method for the production of an acceleration measuring device of said type | |
US3602744A (en) | Welded pressure transducer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PBP | Patent lapsed |