HU195693B - Piezoelectric sensor of oscillation - Google Patents
Piezoelectric sensor of oscillation Download PDFInfo
- Publication number
- HU195693B HU195693B HU256684A HU256684A HU195693B HU 195693 B HU195693 B HU 195693B HU 256684 A HU256684 A HU 256684A HU 256684 A HU256684 A HU 256684A HU 195693 B HU195693 B HU 195693B
- Authority
- HU
- Hungary
- Prior art keywords
- vibration
- piezoelectric
- axis
- crystal
- piezoelectric crystal
- Prior art date
Links
Landscapes
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
- Adhesives Or Adhesive Processes (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
A találmány tárgya piezoelektromos rezgésérzékelő, amelynek a mérendő testhez csatlakoztatható tartőrészc és ehhez piezoelektromos test közbeiktatásával ragasztással rögzített, tehetetlen tömeget képező terhelő eleme van.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a piezoelectric vibration detector having an inertial mass which is bonded to the body to be measured by means of a piezoelectric body attached thereto by means of an adhesive.
A 2 815 933 számú DE szabadalmi leírásban olyan rezgésérzékelőt ismertetnek, amelynél egy piezoelektromos kerámiatest egy házban egy membrán közbeiktatásával rugalmasan van felfüggesztve és egy hozzáragasztott csatolótestecskcvcl van ellátva, amely csatolótestecske a mérendő rezgő felülethez van hozzányomva. Ennél a kialakításnál a ház és a rezgő felület között rugalmas testet, például gumihabból készült gyűrűt helyeznek el, hogy a ház rezgésének kedvezőtlen hatását kiküszöböljék. Ez a rezgésérzékelő az ún. akusztikus emissziós jelek ultrahang tartományban történő érzékelésére szolgál, az egész, test gyorsulásának mérésére nem alkalmas. Hátránya ennek az· elrendezésnek, hogy a membránhoz rögzített érzekelórcsz külső behatásokra könnyen megsérül, és a mérés érzékenysége nagymértékben függ az elhelyezés pontosságától. Nem alkalmas továbbá magas hőmérsékleten rezgő felületek mérésére, mivel a gumihab gyűrű tönkremegy, a kerámiatest pedig elveszti piezoelektromos tulajdonságát.DE-A-2 815 933 discloses a vibration sensor in which a piezoelectric ceramic body in a housing is resiliently suspended by a diaphragm and is provided with an adhesive coupling body attached to the vibration surface to be measured. In this embodiment, a resilient body such as a ring of rubber foam is placed between the housing and the vibrating surface to eliminate the adverse effects of vibration of the housing. This vibration sensor is called a so-called vibration sensor. It is used to detect acoustic emission signals in the ultrasonic range, not for measuring the acceleration of the whole body. The disadvantage of this arrangement is that the sensory trap attached to the membrane is easily damaged by external influences and the sensitivity of the measurement is highly dependent on the accuracy of the placement. It is also not suitable for measuring high-temperature oscillating surfaces because the rubber foam ring is damaged and the ceramic body loses its piezoelectric properties.
A piezoelektromos kerámialestek piezoelektromos állandója viszonylag nagy, így az ilyen rezgésérzékelők nagy érzékenységűre készíthetők. Hátrányuk azonban, hogy a piezoelektromos kerámiák polikristályos szerkezetűek, és a rezgés által létrehozott deformáció mellett a rezgés megszűnése után megmarad egy tartós deformáció. Ez az állapot nem definiálható, cs ha a rezgésérzékelő munkapontját ide állítjuk be, a deformáció megváltoztatásakor akár pozitív, akár negatív töltés is felléphet. Eme munkaponti határozatlanságot az ismert elrendezésekben a piezoelektromos kerámiatest mechanikai előfeszítésévcl szüntetik meg. A mechanikai elöfeszítést egyben az alkatrészek (tartórész, piezoelektromos kerámiatest, tehetetlen tömeget képező terhelőelem) összeszorítására és rögz.ítéscre is felhasználják. Ez mind a kompressziós típusú, mind pedig a nyíró típusú rezgésérzékelőknél igen szigorú követelményeket támaszt a felhasznált anyagok rugalmassági tulajdonságaival és hőtágulásával szemben. A rezgésérzékelő hosszú idejű változatlan érzékenységéhez a mechanikai clőfeszítcsnek állandónak kell lennie. Idővel viszont a legtöbb anyag veszít rugalmasságából. Ennek következtében a piezoelektromos kerámialest beállított munkapontja eltolódik, ami az érzékenység megváltozását okozza. Λ mechanikai clőfeszítéssel biztosított kötés, különösen a nagyfrekvenciás rezgések, esetén, nem mindig megbízható. Ez a hatás fokozottan jelentkezik, ha eltérő keménységű és rugalmasságú anyagokat szorítanak össze. A létrejövő kontaktus minősége nagymértékben függ az érintkező felületek érdességétől is. A szükséges szoros kötéshez optikai minőségű, polírozott felületek kellenek.Because the piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic materials is relatively high, such vibration detectors can be made highly sensitive. However, they have the disadvantage that the piezoelectric ceramics have a polycrystalline structure and, under the deformation created by the vibration, a permanent deformation remains after the vibration has ceased. This state cannot be defined, but if the working point of the vibration sensor is set here, either positive or negative charge can occur when the deformation is changed. This working point uncertainty in the known arrangements is eliminated by mechanical biasing of the piezoelectric ceramic body. Mechanical tension is also used for clamping and securing components (support, piezoelectric ceramic body, inert mass). This places very high demands on both the compression type and the shear type vibration sensors for the elastic properties and thermal expansion of the materials used. For the long-term unchanged sensitivity of the vibration detector, the mechanical tension must be constant. Over time, however, most materials lose their elasticity. As a result, the set working point of the piezoelectric ceramic material shifts, causing a change in sensitivity. Λ Mechanical bonding, especially in high frequency vibrations, is not always reliable. This effect is enhanced when materials of different hardness and elasticity are compressed. The quality of the resulting contact also depends greatly on the roughness of the contact surfaces. The required tight bonding requires polished surfaces of optical quality.
A mechanikusan összeszorított alkatrészek közötti szorítóerő nagymértékben megváltozhat továbbá a környezeti hőmérséklet változásával. Ezért a mechanikailag előfeszített típusú rezgésérzékelőkben olyan anyagokat kell használni, amelyek hőtágulása nagyon közel áll az alkalmazott piezoelektromos kerámia hőtágulásához. Ez a követelmény szintén csak nehezen teljesíthető. A piezoelektromos kerámiák egyben piroclektromosak is, ezért — ha a kerámialap szemben lévő felületei egymástól eltérő hőmérsékletűek - ún. piroelektromos töltés is megjelenik, ami mérési lóhát okoz.In addition, the clamping force between the mechanically clamped parts can vary greatly as the ambient temperature changes. Therefore, vibration sensors of mechanically prestressed type should use materials whose thermal expansion is very close to that of the piezoelectric ceramic used. This requirement is also difficult to meet. Piezoelectric ceramics are also pyroclectric, so if the opposite surfaces of the ceramic plate are at different temperatures, so-called "piezoelectric" a pyroelectric charge also appears, which causes a measuring horse.
Λ piezoelektromos kerámiatestet tartalmazó rezgésérzékelők nem alkalmasak továbbá magas hőmérsékletű 2 testek rezgésének érzékelésére, mivel a piezoelektromos kerámia anyagok Curie-hőmérséklcte ahol a piezoelektromos tulajdonságot elvesztik - viszonylag alacsony, maximum 350uC. Magas hőmérsékletű testek mérésénél ezért különleges intézkedések kellenek a rezgésérzékelő hőszigetelésére, ami viszont a rezgésérzékelő dinamikus tulajdonságait kedvezőtlenül befolyásolja.Λ Vibration detectors containing piezoelectric ceramic bodies are also not suitable for detecting vibrations of high temperature 2 bodies, because the Curie temperature of piezoelectric ceramic materials where they lose their piezoelectric property is relatively low up to 350 u C. Special measures should be taken however, the dynamic properties of the vibration sensor are adversely affected.
A találmány megalkotásakor azt a célt tűztük ki, hogy olyan rezgésérzékelőt hozzunk létre, amely magas hőmérsékleten is jól alkalmazható, időben stabil és gyártása nem annyira bonyolult, mint az említett mechanikailag, előfesz íiett rezgésérzékelőké.It is an object of the present invention to provide a vibration detector which is well-usable at high temperatures, is stable in time and is not as complex to manufacture as the aforementioned mechanically prestressed vibration detectors.
A fenti célt a találmány szerint úgy erjiik el, hogy piezoelektromos testként megfelelő egykristályból kimetszett kristálylapot használunk, amelynél mechanikai előfeszítés nem szükséges, és a krist.-ilylapot ragasztással rögzítjük.According to the invention, the above object is achieved by using as a piezoelectric body a crystalline sheet cut out of a suitable single crystal, which does not require mechanical biasing, and the crystalline sheet is fixed by gluing.
A találmány tehát piezoelektromos rezgésérzékelő, amelynek a mérendő testhez csatlakoztatható tartórésze és ehhez piezoelektromos test vagy testek közbeiktatásával ragasztással rögzített, tehetetlen tömeget képező egy vagy több terlielőelemc van, és az jellemzi, hogy a piezoelektromos test a 3m krislályos/.tályba tartozó egykristályból kimetszett, az érzékelendő rezgés irányában legalább 0,2 csatolási tényezőjű kristálylap, amely mind a lartórés/hez, mind pedig a terhelőeiembez egy- egy ragasz.tóréteg közbeiktatásával van rögzítve, amely ragasztóréteg vastagsága kisebb mint a kristálylap vastagságának egytizede. Előnyösen alkalmazható a találmány szerinti rezgésérzékelőben lítiumniobát vagy lítiiirntantalát egykristályból kimetszett kristály lap.The invention thus provides a piezoelectric vibration detector having one or more baffle elements which form an inertial mass attached to the body to be measured and attached to it by attaching a piezoelectric body or bodies, characterized in that the piezoelectric body is a single crystal of crystal 3m, a crystal sheet having at least 0.2 coupling coefficients in the direction of perceptible vibration, which is secured to the lattice slot and the load member by applying one layer of adhesive, the thickness of which is less than one tenth of the thickness of the crystal sheet. Preferably, a crystal sheet cut out of a single crystal of lithium niobate or lithium nitrate is used in the vibration detector of the present invention.
Olyan cgykristályos. anyagok, amelyek piezoelektromos tnlajdonságúuk, önmagukban már ismertek, lásd például Landolt -Börnstein: Numcrieal Data and Funetional Relatümshíps in Science and Technology, Group 111, Vol. 11, Springer Veikig, Berlin Heidelberg- New York, 1979. c. kézikönyvet. Az cgykristályos piezoelektromos anyagok piezoelektromos állandója azonban kb. egy nagyságrenddel kisebb, mint a rezgésérzékelőkben általánosan alkalmazott piezoelektromos kerámiáké, ezért eddig a szokásos rezgésérzékelőkben piezoelektromos kerámiákat alkalmaztak. Felismertük, hogy a kisebb érzékenység számos alkalmazási esetben nem jelent hátrányt, és a taták mány szerint kiválasztott piezolelektromos egykristályoknak jelentős egyéb előnyei vannak a piezokerámiákhoz képest. Egyrészt a választott egykristály anyag magas C’uric— --hőmérséklete, a piezokerámiákná! kisebb hőmérsékletfüggése és piroelektromos állandója folytán a rezgésérzékelő igen széles hőmérséklettartományban használható, másrészt nem szükséges mechanikai előfeszítés, ami jóval egyszerűbb ragasztásos kialakítást és gyártástechnológiát tesz lehetővé. Az egyszerű mechanikai felépítés és a nagy Imállóság Eö/vetlenebb csatlakoztatást tesz lehetővé a mérendő testhez, ami a rezgésérzékelés dinamikus tulajdonságai szempontjából is előnyös. A mechanikai előfeszítés elmaradása teljesen kiküszöböli azokat az időbeli instabilitásokat, amelyekkel az előfeszített piezokerámia testtel ellátott rezgésérzékelők rendelkeznek.It's crystalline. materials having piezoelectric properties are known per se, see, for example, Landolt-Börstein, Numcrieal Data and Funetary Relativity in Group 111, Vol. 11, Springer Veikig, Berlin, Heidelberg-New York, 1979. manual. However, the piezoelectric constant of crystalline piezoelectric materials is approx. is one order of magnitude smaller than piezoelectric ceramics commonly used in vibration detectors, and so far, conventional vibration detectors have used piezoelectric ceramics. We have discovered that lower sensitivity is not a disadvantage in many applications and that piezoelectric single crystals selected by the Tata have significant other advantages over piezoceramics. On the one hand, the high C'uric temperature of the single crystal material of choice, for the piezoceramics! due to its lower temperature dependence and its pyroelectric constant, the vibration detector can be used over a very wide temperature range and, on the other hand, does not require mechanical pre-tensioning, which allows for much easier adhesive design and manufacturing technology. The simple mechanical design and high resistance make it easier to connect to the body to be measured, which is also beneficial for the dynamic properties of vibration detection. The absence of mechanical prestress completely eliminates the temporal instabilities that vibration sensors with a prestressed piezoceramic body have.
A találmány szerinti rezgésérzékelőben liőálló és jó statikai és dinamikai szilárdságú ragasztól kell használni. Ilyen példáid az önmagában ismert térhálós fenolgyanta, poliészter!',yanla, poliakiilátgyanta, poliíinidgyanta vagy kerámia alapú ragasztóanyag.. A ragasztórétegnek a találmány szerinti vékony kialakítása egyrészt azétt.szükséges, hogy' az általa csatlakoztatott testek között nagy legyen a kapacitás és így a lehető legnagyobb legyen a rezgésérzéke-2195 693 lő érzékenysége. Másrészt azért, hogy az általa biztosított mechanikai csatolás minél tartósabb és merevebb legyen. Előnyösen a ragasztóréteg 102 ohm.m-nél kisebb .fajlagos ellenállást eredményező fémpor adalékot tartalmaz, így az villamosán vezető elektródként is használható.In the vibration detector of the present invention, it is to be used with adhesive that is resistant to fire and has good static and dynamic strength. Such examples include adhesives based on the known crosslinked phenolic resin, polyester, yanla, polyalkylate resin, polyline resin or ceramic material. have the highest sensitivity of vibration-2195 693 shots. On the other hand, to make the mechanical coupling it provides as durable and rigid as possible. Preferably, the adhesive layer contains a metallic powder additive having a specific resistance of less than 10 2 ohms, so that it can also be used as an electrically conductive electrode.
A találmány szerinti rezgésérzékelő kialakítható koinpresszióS vagy nyíró típusú érzékelőként, ez utóbbinál a találmány megoldása különösen előnyös, mivel a ragasztórétegek nyíró szilárdsága igen nagy lehet, A választott típusnak és az alkalmazott egykristály anyagnak megfelelőén úgy kell a kristálylapol az egykristályból kimetszeni, hogy az érzékelendő rezgés irányában a csatolási tényező legalább 0,2 legyen. A csatolási tényező megadja, hogy a piezoelektromos anyag adott irányú mechanikai igénybevételére milyen hatásfokkal alakítja át a mechanikai energiát villamos energiává. Nyíró típusú kialakításnál lítiumniobát egykristállyal maximális csatolási tényező akkor adódik, ha a kristáiylap vagy a kristálytani X tengelyre merőlegesen, vagy a X tengely körül elforgatva a kristálytani Z tengellyel 163 ± 8 -os szöget bezáróan van kimetszve. Lítiumtantalálnál vagy a kristálytani Y tengelyre merőlegesen, vágy az X tengely körül elforgatva a Z tengellyel 165 ± 8°-os szöget bezáróan kimetszett kristálylap ad maximális csatolási tényezőt.The vibration detector according to the invention can be designed as a co-expression or shear type detector, the latter being particularly advantageous because the shear strength of the adhesive layers can be very high. The type of material used and the single crystal material used should be cut from the single crystal. the coupling factor shall be at least 0,2. The coupling factor determines how efficiently the piezoelectric material converts mechanical energy into electrical energy for a given mechanical stress. In the shear type design, the lithium niobate single crystal has a maximum coupling factor when the crystalline sheet is orthogonal to the X axis or rotated about the X axis at an angle of 163 ± 8 with the Z axis. In the case of lithium tantalum or perpendicular to the Y axis of crystallinity, the desire is to rotate the X axis around the X axis at an angle of 165 ± 8 ° for maximum coupling factor.
Kompressziós típusú kialakításnál lítiumniobát esetén az X tengely körül elforgatva a Z tengellyel 36 ± 8°-os szöget bezáróan kimetszett kristálylap biztosít maximális csatolási tényezőt. Lítiumtantalát esetén a maximális csatolási tényezőt az X tengely körül elforgatva a Z tengellyel 47 ± 8°-os szöget bezáróan kimetszett kristálylap biztosít,In the compression type design, a crystal sheet cut out at an angle of 36 ± 8 ° with the Z axis rotated around the X axis with lithium niobate provides maximum coupling factor. In the case of lithium tantalum, the maximum coupling factor is rotated about the X axis by a crystal sheet cut out at an angle of 47 ± 8 ° to the Z axis,
A találmány szerinti rezgésérzékeló'ben alkalmazott kristálylap vastagsága előnyösen 0,2.....1 mm. A rezgésérzékelő kialakítható egyetlen irányú rezgésérzékelésre egy vagy több piezoelektromos kristály lappal. Megvalósítható azonban a találmány szerinti rezgésérzékelő két vagy három irányban merő kivitelben is.The thickness of the crystal sheet used in the vibration detector according to the invention is preferably 0.2 ... 1 mm. The vibration detector may be configured for single-directional vibration detection with one or more piezoelectric crystal plates. However, the vibration detector according to the invention can also be implemented in two or three directions.
A találmányt a továbbiakban a rajzokon szemléltetett előnyös kiviteli alakok alapján ismertetjük, ahol azThe invention will now be described with reference to the preferred embodiments illustrated in the drawings, wherein:
1. ábra a találmány szerin ti.rezgésérzékelő nyíró típusú kiviteli alakja egyetlen piezoelektromos kristálylappal, aFigure 1 is a shear type embodiment of the present invention with a single piezoelectric crystal plate,
2. ábra az 1. ábra A—A vonala mentén vett metszeti rajz, aFigure 2 is a sectional view taken along line A-A in Figure 1, a
3. ábra az 1. ábrához hasonló találmány szerinti rezgésérzékelő két piezoelektromos kristálylappal, aFigure 3 is a vibration detector of the invention similar to Figure 1 with two piezoelectric crystal plates, a
4. ábra a 3. ábra Β—B vonala mentén vett metszeti rajz, azFigure 4 is a sectional view taken along line Β-B in Figure 3, az
5. ábra a találmány szerinti rezgésérzékelő kétirányban mérő kiviteli alakjának vázlatos felülnézeti rajza, aFigure 5 is a schematic top plan view of a two-way meter of the vibration detector according to the invention,
6. ábra az 5. ábra szerinti kialakítás villamos csatlakoztatását szemléltető vázlatos rajz, aFigure 6 is a schematic diagram illustrating the electrical connection of the configuration of Figure 5, a
7. ábra egy találmány szerinti háromirányban mérő rezgésérzékelő vázlatos elrendezési rajza, aFig. 7 is a schematic diagram of a three-way vibration sensor according to the invention, a
8. ábra a 7. ábra szerinti kialakítás villamos kapcsolási vázlata, aFigure 8 is a schematic diagram of the electrical circuit of Figure 7, a
9. ábra egy nyíró típusú találmány szerinti rezgésérzékelő kiviteli alakjának metszeti rajza, aFig. 9 is a sectional view of an embodiment of a shear type vibration detector according to the invention, a
10. ábra a 9. ábra szerinti kivitel felülnézeti rajza, aFigure 10 is a plan view of the embodiment of Figure 9, a
11. ábra a 10. ábra D—D vonala mentén vett részmetszeti rajza, aFigure 11 is a sectional view taken along line D-D in Figure 10, a
12. ábra egy találmány szerinti kompressziós típusú elrendezést szemléltető vázlatos rajz, aFigure 12 is a schematic diagram illustrating a compression type arrangement of the present invention, a
13. és 14. ábra a 12. ábra szerinti elrendezésnél a mechanikai feszültség, illetve deformáció változását szemléltető diagram, aFigures 13 and 14 are diagrams showing the changes in mechanical stress or strain in the arrangement of Figure 12,
15. ábra.egy trigonális egykristály képe a krist álytani tengelyek feltüntetésével, aFigure 15. An image of a trigonal single crystal showing the crystalline axes, a
16. ábra a 15.ábra szerinti egykristály egyes metszeteit szemléltető ábra, aFigure 16 is a sectional view of a single crystal of Figure 15, a
17. ábra a 15. ábra szerinti egykristály elforgatott metszeti síkját szemléltető ábra, aFig. 17 is a view showing a rotary sectional plane of the single crystal of Fig. 15, a
18. ábra a csatolási tényezőt a kristálylap kimetszési irányának függvényében szemléltető diagram és aFigure 18 is a diagram illustrating the coupling factor versus the direction of cutout of the crystal sheet and
19. ábra a piezoelektromos állandónak a hőmérséklet függvényében való változását szemléltető diagram .Figure 19 is a graph showing the change in piezoelectric constant as a function of temperature.
Az ábrákon az azonos vagy azonos funkciójú elemeket végig azonos hivatkozási számmal jelöljük.Throughout the drawings, like reference numerals will be used to refer to like or identical features.
Az 1. cs 2. ábrán látható egy rezgésérzékelő fém 5 tartórésze, amelyhez első 6 ragasztóréteggel'piezoelektromos egykristályból kivágott 1 kristálylap, ebhez második 6 ragasztóréteggel egy fém 3 terhelőelem van rögzítve, amely utóbbi a rezgésérzékeléskor egy tehetetlen tömeget képez. Az 5 tartórész villamosán szigetelő 7 ragasztással fém 2 alaphoz van rögzítve, amely utóbbit kell ráhelyezni a mérendő test felületére. Látható, hogy az 5 tartórész, az 1 kristáiylap és a 3 terhelődem sugár irányú mérete rendre 4 mm, 0,4 mm cs 7 mm. A két 6 ragasztóréteg vastagsága búr íval legyenek lefedhetők. Ilyen vedőburát szemléltet a 9 ábra. Egy előnyös kialakításban az 5 tartórész, az 1 kristáiylap és a 3 terhelődem sugár irányú mérete rendre 4 mm, 0,4 mm és 7 min. A két 6 ragasz.tóréteg vastagsága körülbelül 20—20μιη. A rezgésérzékelő villamos kimeneti kapcsai az 5 tartóreszbez cs> a 3 terhelőelemhez vannak csariakoztatva. A 7 ragasztás arral szolgál, hogy az 5 tartórészt villamosán szigetelje a mérendő testtel érintkező 2 alaptól. Ha ilyen szigetelésre nincsen szükség, a 2 alap és az 5 tartórcsz egyetlen darabból is készíthető. Látható az i. ábrán, hogy a kettős nyíl irányában történő rezgésre az kristálylap nyíró igénybevételnek van kitéve.Fig. 2 shows a support portion 5 of a vibration detector metal to which a crystal sheet 1 cut from a piezoelectric single crystal 6 is bonded with a first adhesive layer 6 and a metal load member 3 is attached to the second adhesive layer 6 which forms an inert mass during vibration detection. The support part 5 is electrically insulated with an adhesive 7 attached to a metal base 2 which must be placed on the surface of the body to be measured. It can be seen that the radial dimensions of the support portion 5, the crystal plate 1 and the load member 3 are 4 mm, 0.4 mm and 7 mm respectively. The thickness of the two adhesive layers 6 should be covered by a boil. Such a sheath is illustrated in Figure 9. In a preferred embodiment, the support portion 5, the crystal plate 1 and the load member 3 have radial dimensions of 4 mm, 0.4 mm and 7 min respectively. The thickness of the two adhesive layers 6 is about 20-20µιη. The electrical output terminals of the vibration detector are coupled to the load member 3 of the holding plate 5. The adhesive 7 serves to electrically insulate the support 5 from the base 2 in contact with the body to be measured. If such insulation is not required, the base 2 and the bracket 5 can be made in one piece. Visible to i. Fig. 6A shows that the vibration in the direction of the double arrow is subjected to shear stress on the crystal sheet.
A 3. és 4. ábrán az 1. és 2. ábrához hasonló nyíró típusú rezgésérzékelő látható, amelynél azonban az 5 tartórész mindkét átellenes felületéhez csatlakozik egy-egy 3' terhelődem megfelelő 1 kristálylap és 6 ragasztórétegek közbeiktatásával. A 4. ábrán látható, hogy a piezoelektromos 1 kristálylapok villamosán párhuzamosán vannak kapcsolva és ezért mindkét 1 kristálylapot egyformán kell kialakítani és felszerelni.Figures 3 and 4 show a shear-type vibration detector similar to Figures 1 and 2, but with a loading member 3 'attached to each of the opposite surfaces of the support portion 5 by a suitable crystal sheet 1 and adhesive layers 6. Figure 4 shows that the piezoelectric crystal plates 1 are electrically connected in parallel and therefore both crystal plates 1 must be designed and installed in the same way.
Az 5. és 6. ábrán egy kétirányban mérő rezgésérzékelő kialakításában a 2 alapból kiemelkedő négyzet alapú hasábot képező fém 5 tartórész mind a négy felületére rögzítve van egy-egy fém 3 terhelődem megfelelő 1 kristálylap és 6 ragasztórétegek közbeiktatásával.In Figs. 5 and 6, in the construction of a bi-directional vibration detector, the metal support portion 5 forming a square pillar protruding from the base 2 is secured to each of the four surfaces by a metal loading member 3 between the respective crystal sheets 1 and adhesive layers.
A 6. ábrán látható, hogy az egy mással szemben lévő 1 kristálylapok sorba vannak kapcsolva. Ekkor a sorbakapcsdt 1 kristálylapokat az ellenkező polaritású jdek létrehozása'végett egymáshoz képest 180°-kal elforgatva kell felszerelni. A jobb és bal oldalon lévő 1 kristálylapok szolgáltatják az X irányú rezgésnek, az alul és felül lévő 1 kristálylapok pedig az. Y irányú rezgésnek megfelelő jelet. ·Figure 6 shows that opposite crystal sheets 1 are connected in series. In this case, the series-connected crystal sheets 1 are to be mounted rotated 180 ° relative to one another in order to produce opposite polarity jd. The crystal sheets 1 on the right and left provide vibration in the X direction, and the sheets 1 on the top and bottom provide the vibration. Y signal vibration. ·
A 7. és 8. ábrán egy háromirányban mérő rezgésérzőkelő kialakításban a fém 2 alaphoz szigetelő 7 ragasztással csatlakoztatott lecsapott élű kocka alakú fém 5 tartórészre hat darab 3 terhelőelem van csatlakoztatva megfelelő 1 kristálylapok és 6 ragasztórétegek közbeiktatásával páronként az érzékelendő X, Y és Z irányoknak megfelelően. Az 1 kristálylapok a 6. ábrához hasonlóan itt is páronként sorba vannak kapcsolva.7 and 8, in a three-way vibration sensor design, six cushion edges 3 are connected to the metal base 2 with a tapered edge cushion 7 insulated with an insulating adhesive 7 by inserting corresponding crystal sheets 1 and adhesive layers 6 in pairs according to directions X, Y and Z; . Like in FIG. 6, the crystal sheets 1 are paired in pairs here.
195 693195,693
A 9., 10. és 11. ábrán egy nyíró típusú rezgésérzékelő látható. A rögzítő 14 furatokkal ellátott fém 2 alapban van egy 15 csappal besajtolva a lap alakú fe'm 5 tartórész, ennek szemközti felületeire megfelelő 6 ragasztórétegek és 1 kristálylapok közbeiktatásával csatlakoznak a fém 3 terhelőelemek. A 2 alap megfelelően kiképzett 16 pereméhez kapcsolódik egy elektromágnesesen árnyékoló és egyben mechanikai védelmet biztosító fém 8 védőbura. A 2 alapban kiképzett furaton haladnak át a 10 villamos kivezetések egy 1 i árnyékolt kábelként, amely 9 kábelvédő csővel együtt 12 leszorító bilincs és 13 rögzítő csavarok útján van a 2 alaphoz hozzáerösítve.Figures 9, 10 and 11 show a shear type vibration sensor. The metal bore 14 with the fixing holes 14 is pressed into the base by a pin 15 and the metal loading elements 3 are connected to the opposite surfaces by means of suitable adhesive layers 6 and crystal sheets 1. A suitably shaped flange 16 of the base 2 is provided with a metal shield 8 which is electromagnetically shielding and also provides mechanical protection. The electrical outlets 10 pass through the bore formed in the base 2 as a shielded cable 1 i, which together with the cable protection tube 9 is secured to the base 2 by means of clamps 12 and fixing screws 13.
A találmány szerinti rezgésérzékelő méretezése szempontjából lényeges, hogy a rezgésérzékelő kapcsain kapott villamos jel létrehozásában az összes alkotórész szerepet játszik. A 12. ábrán szemléltetett kör keresztmetszetű vázlatos elrendezésben csupán a fém 5 tartórész, az ehhez 6 ragasztóréteggel kapcsolódó piezoelektromos 1 kristálylap és ehhez újabb 6 ragasztórctcggel csatlakozó fém terhelőelem van feltüntetve. A kettős nyíllal feltüntetett irányú rezgés eseten az ábrázolt kompressziós típusú elrendezésben a mechanikai δ feszültséget a 13. ábra, a mechanikai e nyúlást pedig a 14. ábra mutatja az elrendezés tengelye mentén az 5 tarlórész alsó ('chileiétől mért x távolság függvényében. Látható, hogy a nyomó, illetve húzó, δ feszültség a 3 terhelődem felső szabad felületen zérus, az 5 tartórész gerjesztett alsó felületén pedig maximális. A rendszer rezonanciafrekvcneiájához képest kis frekvenciájú gerjesztés esetén a dinamikai δ feszültség a maximális értékről egyenletesen csökken zérusra, mivel az egymáshoz rögzített felületeken az erő folytonos. Az e nyúlás azonban már másképp oszlik cl. Az e nyúlást úgy kaphatjuk meg, ha a δ feszültséget osztjuk az C rugalmassági modulussal. A diagramból látható, hogy az 1 kristálylap nyúlása nagyobb mint az 5 tartórészé és a 3 terhelőelemé. A rendszer működése akkor optimális, ha az. 1 kristálylap nyúlása, azaz deformációja jóval nagyobb mértékű, mint a fém alkatrészeké.It is important for the size of the vibration detector according to the invention that all components play a role in generating the electrical signal received at the terminals of the vibration detector. In the circular cross-sectional arrangement illustrated in Fig. 12, only the metal support part 5, the piezoelectric crystal plate 1 connected to the adhesive layer 6 and a metal load element 6 connected to it by an adhesive layer 6 are shown. In the case of double-arrow vibration, in the compression type arrangement shown, the mechanical stress δ is shown in Fig. 13, and the mechanical elongation e in Fig. 14 is plotted along the axis of the array as a function of the distance x from the chile. the compressive or tensile stress δ at the upper free surface of the load member 3 is zero and at the excited lower surface of the bracket 5. At low frequency excitation compared to the system resonance frequency, the dynamic δ voltage is uniformly reduced from maximum to zero, the force e is continuous, but the elongation e is already distributed differently cl. The elongation e can be obtained by dividing the stress δ by the modulus of elasticity C. The diagram shows that the elongation of the crystal sheet 1 is greater than that of the support 5 and the load. operation of the It is optimal if the elongation, i.e. deformation, of the crystal sheet 1 is much greater than that of the metal parts.
A 15. ábrán egy 3m kristályosztályba ( a régebbi, Schönflies-féle jelölése: C3v) tartozó trigonális egykristály, például lítiumniobát vagy lítiumtantalát egykristály látható a kristálytani X, Y és Z tengelyekkel. A 3m kristályosztályba tartoznak még a piezoelektromos tulajdonságú turmalin, káliumbromát, céziumnitrát és K3Cu(CN)4 kristály. A 16. ábrán azt szemléltetjük, hogy egy ilyen egykristály X—metszete merőleges az X-tengelyre, Y— metszete az Y tengelyre, Z—metszete pedig a Z— tengelyre. A 17. ábrán látható, hogy egy kimetszett 1 krístálylap egyik oldalélé az X tengellyel párhuzamos és az 1 kristálylap az X tengely körül úgy van elforgatva, hogy lapja a Z tengellyel « szöget zárjon be. ____Figure 15 shows a single crystal of a 3m crystal class (older Schönflies designation C 3v ), such as lithium niobate or lithium tantalate, with the X, Y and Z crystalline axes. The 3m crystal class also includes tourmaline, potassium bromate, cesium nitrate and K 3 Cu (CN) 4 crystals with piezoelectric properties. Figure 16 illustrates that such a single crystal has a X-section perpendicular to the X-axis, a Y-section to the Y-axis, and a Z-section to the Z-axis. 17 shows that one side edge of an excised crystal sheet 1 is parallel to the X axis and the crystal sheet 1 is rotated about the X axis so that its sheet is at an angle to the Z axis. ____
A találmány szerinti rezgésérzékelőnél az 1 kristály lap megválasztásakor két alapvető követelményt kell figyelembe venni. Nyíró típusú rezgésérzékelőnél az 1 kristálylapnak az egyik oldalélével párhuzamos irányú nyíró igénybevételre nagy villamos jelet kell adnia, az erre merőleges irányú nyíró igénybevételre viszont minél kisebb villamos jelet szabad adnia, továbbá minél kisebb jelet szabad adnia a lap síkjára merőleges kompressziós nyomásra, illetve húzásra. Ezek a követelmények biztosítják, hogy a rezgésérzékelő csak a választott irányú rezgésre ad jelet. A második követelmény az, hogy a választott irányú rezgésnek megfelelő igénybevételre az 1 kristálylap k csatolási tényezője, illetve d piezolelektromos állandója a lehető legnagyobb legyen.The vibration detector of the present invention has two basic requirements to consider when selecting the crystal plate 1. For shear-type vibration detectors, the crystal sheet 1 must provide a high electrical signal for shear stress parallel to one side, but for a shear stress perpendicular thereto, it should provide as little electrical signal as possible and compression pressure perpendicular to the plane of the sheet. These requirements ensure that the vibration sensor signals only the direction of vibration you select. The second requirement is to have the coupling factor k and the piezoelectric constant d of the crystal plate 1 as high as possible for the stress corresponding to the direction of vibration.
A 18. ábrán lítiumniobát egykristályból kivágott 1 kristálylap k csatolási tényezőjének változása látható a 17. ábrán szemléltetett kivágási α szög függvényében. A 20 görbe az 1 kristálylapra merőleges kompressziós igénybevételre, a 21 görbe pedig a lappal párhuzamos irányú nyíró igénybevételre mutatja a k csatolási tényezőt. Nyíró— típusú rezgésérzékelőhöz a= 163° környékén, kompreszsziós típusú rezgésérzékelőhöz pedig α = 36° környékén célszerű a kivágási α szöget megválasztani. Az α = 163 környékén az 1 kristálylap a lapjára merőleges irányú húzás-nyomásra gyakorlatilag nem ad jelet, a lapjának irányába eső nyíró igénybevételre viszont maximális jelet ad. Ezzel szemben az α = 36° környékén az 1 krístálylap a húzó-nyomó igénybevételre ad maximális jciet, a nyíró igénybevételre pedig minimálisát.Figure 18 shows the change in the coupling factor k of the crystalline sheet 1 cut out of a lithium niobate single crystal as a function of the cut-off angle α shown in Figure 17. Curve 20 shows the coupling factor k for the compression stress perpendicular to the crystal sheet 1 and curve 21 for the shear stress parallel to the sheet. For shear-type vibration detectors at a = 163 °, and for compression-type vibration detectors at α = 36 °, it is advisable to choose a cut-off angle α. At α = 163, the crystal sheet 1 gives virtually no signal of tensile pressure perpendicular to its sheet, but gives a maximum signal of shear stress in the direction of its sheet. In contrast, around α = 36 °, the crystal sheet 1 gives maximum jcj for tensile-compressive stress and minimal for shear stress.
A 19. ábrán a találmány szerinti rezgésérzékelőben előnyösen alkalmazható lítiumniobát egykristály és ismert piezokerámiák d piezoelektromos állandójának hőmérsékle.tfűggése látható. A 24 görbe a lítiumniobát egykristály nyíró irányú igénybevételénél, a 25 görbe húzó-nyomó igénybevételénél mutatja a liőmérsékletfüggcst. Λ 23 görbe PZT4 típusú, 24 görbe PZT5 típusú piezokerámia nyíró irányú igénybevételénél mutatja a hőmérsékletfüggést. Látható, hogy lítiumniobát egykristály d piezoelektromos állandója kisebb mint a piezokerámiáké, viszont a T hőmérséklet függvényében jóval kevésbé változik.Figure 19 illustrates the temperature dependence of the piezoelectric constant d of a lithium niobate single crystal and a known piezoceramics in a vibration detector according to the invention. Curve 24 shows the temperature dependence of lithium niobate for shear stress for single crystal and tensile pressure for curve 25. Λ Curve 23 shows the temperature dependence of shear stress when using piezoceramic type PZT4, curve 24 PZT5 type. It can be seen that the piezoelectric constant d of the lithium niobate single crystal is smaller than that of the piezoceramics, but it changes much less as a function of temperature T.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU256684A HU195693B (en) | 1984-07-03 | 1984-07-03 | Piezoelectric sensor of oscillation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU256684A HU195693B (en) | 1984-07-03 | 1984-07-03 | Piezoelectric sensor of oscillation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| HUT38433A HUT38433A (en) | 1986-05-28 |
| HU195693B true HU195693B (en) | 1988-06-28 |
Family
ID=10960019
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| HU256684A HU195693B (en) | 1984-07-03 | 1984-07-03 | Piezoelectric sensor of oscillation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| HU (1) | HU195693B (en) |
-
1984
- 1984-07-03 HU HU256684A patent/HU195693B/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| HUT38433A (en) | 1986-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11740142B2 (en) | Piezoelectric thin-film sensor and use thereof | |
| Gautschi et al. | Piezoelectric sensors | |
| US7259574B2 (en) | Sensor device for measuring frequency and amplitude of varying force signals | |
| EP0434878B1 (en) | Vibration/acceleration sensor | |
| US3673442A (en) | Temperature compensated piezoelectric accelerometer | |
| US20020171328A1 (en) | A method for producing an acceleration sensor | |
| US5332943A (en) | High temperature ultrasonic transducer device | |
| US4928264A (en) | Noise-suppressing hydrophones | |
| EP3267208B1 (en) | Piezoelectric transducer with temparature compensation | |
| US3858065A (en) | Annular 3m class piezoelectric crystal transducer | |
| US11668728B2 (en) | Acceleration transducer | |
| US11754589B2 (en) | Acceleration transducer | |
| US11747361B2 (en) | Acceleration transducer | |
| US4578611A (en) | Piezoelectric stress wave transducer with boron nitride piezo support | |
| US4052628A (en) | Dynamic, shear-mode piezoelectric pressure sensor | |
| US4611490A (en) | Angular acceleration sensor | |
| HU195693B (en) | Piezoelectric sensor of oscillation | |
| EP0511762B1 (en) | Piezoelectric sensor | |
| US20010002778A1 (en) | Bimorph piezoelectric device for acceleration sensor and method of its manufacture | |
| JPH1096742A (en) | Acceleration sensor, manufacture thereof, and impact detecting device utilizing the acceleration sensor | |
| JPH0682131B2 (en) | Vibration acceleration sensor | |
| JP3038692B2 (en) | Bimorph vibrator and piezoelectric acceleration sensor | |
| JPH04212054A (en) | Acoustic emission sensor | |
| JPH01107162A (en) | Acceleration sensor | |
| JPH0643928B2 (en) | Stress sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HU90 | Patent valid on 900628 | ||
| HMM4 | Cancellation of final prot. due to non-payment of fee |