SK277950B6

SK277950B6 - Piezoelectric sensor

Info

Publication number: SK277950B6
Application number: SK322290A
Authority: SK
Inventors: Miroslav Havranek
Original assignee: Miroslav Havranek
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1995-09-13
Also published as: CZ277927B6; CS322290A3

Abstract

Sensor of acceleration, power or pressure is created with piezoelectric element (1) tired on editing in direction of its internal polarization (P), which is on opposite surfaces perpendicular on direction of this internal polarization (P) equipped with electrodes (3). Piezoelectric element (1) is located in holder (2) and is equipped in cause of acceleration sensor with internal mass (4) and in cause of power sensor or press sensor with element of transfer of this power or press. In space between holder (2) and accelerating mass (4) or element of transfer of power or press, are electrodes (3) in editing place on all length interrupted a.e. by draw in opposite places. Opposite parts of electrodes (3) are mutually conductive interfaced. Sensitivity of sensor can be influenced with choice of form of groove and holder (2) of piezoelectric element (1).

Description

Snímač zrýchlenia, sily alebo tlaku, je tvorený piezoelektrickým elementom (1) namáhaným na strih v smere jeho vnútornej polarizácie (P), ktorý je na protiľahlých plochách kolmých na smer tejto vnútornej polarizácie (P) vybavený elektródami (3). Piezoelektrický element (1) je umiestnený v držiaku (2) a je vybavený v prípade snímača zrýchlenia zotrvačnou hmotnosťou (4) a v prípade snímača sily alebo tlaku prvkom prenosu tejto sily alebo tlaku. V priestore medzi držiakom (2) a zotrvačnou hmotnosťou (4), resp. prvkom prenosu sily alebo tlaku, sú elektródy (3) v mieste strihu po celej dĺžke prerušené, napríklad drážkou, a to v protiľahlých miestach. Protiľahlé časti elektród (3) sú navzájom vodivo prepojené. Voľbou tvaru drážky a držiaka (2) piezoelektrického elementu (1) možno ovplyvňovať citlivosť snímača.The acceleration, force or pressure sensor consists of a piezoelectric element (1) subjected to shear in the direction of its internal polarization (P), provided with electrodes (3) on opposing surfaces perpendicular to the direction of this internal polarization (P). The piezoelectric element (1) is located in the holder (2) and is equipped with an inertia mass acceleration sensor (4) and, in the case of a force or pressure sensor, with a force or pressure transmission element. In the space between the holder (2) and the inertia (4), respectively. By means of a force or pressure transmission element, the electrodes (3) are interrupted at the shear point along the entire length, for example by a groove, at opposite points. Opposite parts of the electrodes (3) are conductively connected to each other. By selecting the shape of the groove and the holder (2) of the piezoelectric element (1), the sensitivity of the sensor can be influenced.

SK 277950 Β6SK 277950 Β6

Oblasť technikyTechnical field

Vynález sa týka piezoelektrického snímača vo funkcii snímača zrýchlenia alebo snímača sily alebo snímača tlaku s piezoelektrickým elementom namáhaným na strih.The invention relates to a piezoelectric transducer in the function of an acceleration transducer or a force transducer or a pressure transducer with a shear stressed piezoelectric element.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V súčasnej dobe je známych niekoľko konštrukcií piezoelektrického snímača. Možno ich rozdeliť podľa druhu namáhania piezoelektrického elementu na dve skupiny. Najzákladnejšie je usporiadanie, keď je piezoelektrický element namáhaný na tlak silou v smere jeho vnútornej polarizácie a jeho elektródy sú usporiadané kolmo na smer vnútornej polarizácie. Tento typ je tvorený držiakom, ku ktorému je pripevnený aspoň jeden piezoelektrický element, na ktorý v prípade, že ide o piezoelektrický snímač vo funkcii snímača zrýchlenia, dosadá zotrvačná hmotnosť a v prípade, že ide o snímač sily alebo tlaku, je piezoelektrický element vybavený prvkom na prenos sily alebo tlaku. Často je piezoelektrický element tvorený párom piezokeramických doštičiek, čo zvyšuje nábojovú citlivosť a vyrovnáva pripadnú rôznu citlivosť na tlak a ťah. Nevýhodou tohto usporiadania je veľká citlivosť na zmeny teploty, keď sa zmena veľkosti vektora polarizácie prejavuje vznikom veľkého parazitného náboja, ktorý veľmi ruší pri meraní pri nízkych frekvenciách. Z tohto dôvodu sa často používajú snímače druhého typu, keď je piezoelektrický element namáhaný na strih, a to silou pôsobiacou v smere vnútornej polarizácie. Usporiadanie takéhoto typu piezoelektrického snímača je podobné ako v predchádzajúcom prípade s tým rozdielom, že elektródy sú uložené rovnobežne so smerom vnútornej polarizácie. Pri tomto spôsobe namáhania piezoelektrického elementu a snímania náboja vzniká parazitný náboj mimo elektródy a neruší teda vlastné meranie. Takto uložený piezoelektrický snímač má nevýhodu v tom, že použitá piezokeramika je pre vysoké nároky na výrobu podstatne drahšia ako v predchádzajúcom usporiadaní.Several piezoelectric sensor designs are currently known. They can be divided into two groups according to the type of stress of the piezoelectric element. The most basic arrangement is when the piezoelectric element is subjected to pressure by a force in the direction of its internal polarization and its electrodes are arranged perpendicular to the direction of the internal polarization. This type consists of a bracket to which at least one piezoelectric element is attached and, in the case of a piezoelectric sensor in the function of an acceleration sensor, the inertia is mounted and, in the case of a force or pressure sensor, a piezoelectric element is provided with transfer of force or pressure. Often, the piezoelectric element is formed by a pair of piezoceramic plates, which increases the charge sensitivity and compensates for any different pressure and tension sensitivity. The disadvantage of this arrangement is the high sensitivity to temperature changes when the change in the size of the polarization vector results in the formation of a large parasitic charge, which greatly interferes with measurements at low frequencies. For this reason, sensors of the second type are often used when the piezoelectric element is subjected to shear by a force acting in the direction of internal polarization. The arrangement of this type of piezoelectric sensor is similar to the previous case except that the electrodes are arranged parallel to the direction of internal polarization. This method of stressing the piezoelectric element and sensing the charge generates a parasitic charge outside the electrode and thus does not interfere with the actual measurement. The piezoelectric sensor mounted in this way has the disadvantage that the piezoceramic used is considerably more expensive than in the previous arrangement because of the high production demands.

Všetky doteraz známe piezoelektrické snímače nemajú možnosť jednoduchého nastavenia citlivosti. Napríklad v prípade snímačov zrýchlenia sa citlivosť mení zmenou veľkosti zotrvačnej hmotnosti, čo ale ovplyvňuje rezonančné vlastnosti snímača.Not all known piezoelectric sensors have the possibility to easily set the sensitivity. For example, in the case of acceleration sensors, the sensitivity is changed by changing the magnitude of the inertia, but this affects the resonance properties of the sensor.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Vyššie uvedené nedostatky odstraňuje piezoelektrický snímač podľa vynálezu. Tento piezoelektrický snímač sily je tvorený piezoelektrickým elementom namáhaným na strih v smere jeho vnútornej polarizácie, ktorý je vybavený na protiľahlých plochách elektródami a je umiestnený v držiaku. V prípade snímača zrýchlenia je piezoelektrický element vybavený zotrvačnou hmotnosťou, v prípade snímača sily alebo tlaku prvkom na prenos sily alebo tlaku. Podstatou vynálezu je, že elektródy sú vytvorené na tých protiľahlých plochách piezoelektrického elementu, ktoré sú kolmé na smer vnútornej polarizácie a sú v priestore medzi držiakom a zotrvačnou hmotnosťou alebo prvkom na prenos sily či tlaku po celej dĺžke v protiľahlých miestach prerušené. Takto vzniknuté časti elektród sú potom vodivo spojené, a to vždy dve súhlasne protiľahlé časti.The above-mentioned drawbacks are overcome by the piezoelectric sensor according to the invention. This piezoelectric force transducer is formed by a piezoelectric shear stressed in the direction of its internal polarization, which is provided on opposing surfaces with electrodes and is placed in a holder. In the case of an acceleration sensor, the piezoelectric element is equipped with an inertia mass, in the case of a force or pressure sensor, a force or pressure transfer element. It is an object of the invention that the electrodes are formed on those opposing surfaces of the piezoelectric element that are perpendicular to the direction of internal polarization and are interrupted in the space between the holder and the inertia mass or force or pressure transfer element at the opposite locations. The electrode portions thus formed are then conductively connected, in each case two mutually opposing portions.

Výhodou piezoelektrického snímača podľa vynálezu je, že rozdelením elektród v mieste strihu a vodivým prepojením takto vzniknutých protiľahlých časti sa zaistí, že náboj, vznikajúci pyroelektrickým javom, je skratovaný, a náboj vznikajúci strihovým namáhaním indukuje v rozdelených elektródach opačný náboj. Citlivosť takto usporiadaného piezoelektrického snímača sily možno meniť voľbou tvaru držiaka a tvaru drážky, ktorá rozdeľuje elektródy.An advantage of the piezoelectric transducer according to the invention is that by splitting the electrodes at the shear point and conductively connecting the opposing parts so formed, the charge resulting from the pyroelectric effect is short-circuited and the shear stress induces the opposite charge in the split electrodes. The sensitivity of the piezoelectric force sensor thus arranged can be varied by selecting the shape of the holder and the shape of the groove that divides the electrodes.

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Príklad piezoelektrického snímača je vo svojom princípe schematicky uvedený na priloženom výkrese na obr. 1. Na obr. 2 je znázornené v reze jedno z možných konkrétnych vyhotovení. Obr. 3 a 4 demonštrujú vlastnú funkciu snímača, kde na prvom z nich je znázornený stav v pokoji a na druhom stav, keď je piezoelektrický element namáhaný.An example of a piezoelectric sensor is in principle schematically shown in the attached drawing in FIG. 1. FIG. 2 is a cross-sectional view of one possible embodiment. Fig. Figures 3 and 4 demonstrate the actual function of the transducer, where the first state shows the rest state and the second state when the piezoelectric element is stressed.

Príklady uskutočnenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Piezoelektrický snímač je vo svojej podstate tvorený piezoelektrickým elementom 1, ktorý je vybavený na protiľahlých stranách kolmých na smer vnútornej polarizácie P elektródami 3. Na zvyšných protiľahlých stranách je z jednej z nich piezoelektrický element 1 upevnený do držiaka 2 a na druhej je v prípade snímača zrýchlenia vybavený zotrvačnou hmotnosťou 4 a v prípade snímača sily alebo tlaku je vybavený prvkom prenosu tejto sily alebo tlaku. V priestore medzi držiakom 2 a zotrvačnou hmotnosťou 4, resp. prvkom prenosu sily alebo tlaku v mieste strihu sú obidve elektródy 3 po celej dĺžke, a to v protiľahlých miestach prerušené. Takto vzniknuté protiľahlé časti elektród 3 sú vždy v páre vodivo spojené.The piezoelectric sensor consists essentially of a piezoelectric element 1 which is provided on opposite sides perpendicular to the direction of internal polarization P by electrodes 3. On the other opposite sides, one of them is piezoelectric element 1 fixed to the holder 2 and on the other fitted with an inertia mass of 4 and, in the case of a force or pressure sensor, equipped with an element of transmission of that force or pressure. In the space between the holder 2 and the inertia mass 4, respectively. The electrodes 3 are interrupted over the entire length of the shear force or pressure transmission element at the opposite points. The opposing portions of the electrodes 3 thus formed are always conductively connected in pairs.

V konkrétnom prípade, keď ide o piezoelektrický snímač vo funkcii snímača zrýchlenia, je možné napríklad nasledujúce usporiadanie. Držiak 2 má profil v tvare T a má v užšej časti vytvorený zárez 5. Do tohto zárezu 5 zapadá piezoelektrický element 1, ktorý je tak upevnený v držiaku 2. Piezoelektrický element 1 môže mať napríklad tvar medzikružia. Na plochách rovnobežných so základovou, teda širšou časťou držiaka 2, ktoré sú zároveň kolmé na smer vnútornej polarizácie P piezoelektrického elementu 1, sú vytvorené elektródy 3. Na vonkajšom obvode je piezoelektrický element 1 vybavený zotrvačnou hmotnosťou 4. V priestore medzi držiakom 2 a zotrvačnou hmotnosťou 4 sú obidve elektródy 3 piezoelektrického elementu 1 prerušené drážkou 6, a to v miestach, ležiacich proti sebe. Prerušenie je situované do miesta strihu piezoelektrického elementu 1. Takto vzniknuté protiľahlé časti elektród 3 sú vždy vodivo navzájom spojené. Toto vodivé spojenie možno najjednoduchšie realizovať tak, že držiak 2 a zotrvačná hmotnosť 4 sú z vodivého materiálu. Týmto spôsobom vytvárajú časti elektród 3 priliehajúce k držiaku 2 jeden pól piezoelektrického snímača a časti elektród 3 priliehajúce k zotrvačnej hmotnosti 4 druhý pól piezoelektrického snímača.In the particular case of a piezoelectric sensor in the function of an acceleration sensor, the following arrangement is possible, for example. The holder 2 has a T-shaped profile and has a notch 5 formed in the narrower part. This notch 5 fits a piezoelectric element 1, which is thus fixed in the holder 2. The piezoelectric element 1 can have, for example, an annular shape. Electrodes 3 are formed on surfaces parallel to the base, i.e. the wider part of the holder 2, which are also perpendicular to the direction of internal polarization P of the piezoelectric element 1. On the outer periphery, the piezoelectric element 1 is provided with inertia 4. 4, the two electrodes 3 of the piezoelectric element 1 are interrupted by a groove 6 at opposing locations. The interruption is situated at the shear point of the piezoelectric element 1. The opposing portions of the electrodes 3 thus formed are always conductively connected to one another. This conductive connection can be realized in the simplest way so that the holder 2 and the inertia mass 4 are made of a conductive material. In this way, the electrode portions 3 adjacent to the holder 2 form one pole of the piezoelectric sensor and the electrode portions 3 adjacent to the inertia mass 4 form the second pole of the piezoelectric sensor.

Situáciu v pokoji naznačuje obr. 3, kde je znázornená časť piezoelektrického elementu 1, vybaveného rozdelenými elektródami 3 a upevneného z jednej strany k držiaku 2 a z druhej strany k zotrvačnej hmotnosti 4. Je tu vyznačený i smer vektora vnútornej polarizácieThe situation at rest is indicated by FIG. 3, showing a portion of a piezoelectric element 1 provided with divided electrodes 3 and fastened from one side to the holder 2 and from the other side to the inertia mass 4. The direction of the internal polarization vector is also shown.

O. Pri namáhaní piezoelektrického elementu 1 silou E dochádza k natáčaniu vektora polarizácie P, ktorý možno potom rozdeliť do dvoch kolmých zložiek. Zložka vektora rovnobežná s elektródami 3 indukuje v rozdelených elektródach 3 náboj, úmerný namáhaniu. Zmena vektora 5 v smere kolmom na elektródy 3 indukuje náboj, ktorý je však skratovaný, pretože protiľahlé časti elektród 3 sú vodivo spojené. Rovnako tak sú zrušené náboje vyvolané pyroelektrickým javom.O. When the piezoelectric element 1 is subjected to force E, the polarization vector P is rotated, which can then be divided into two perpendicular components. The vector component parallel to the electrodes 3 induces a charge proportional to the stress in the divided electrodes 3. Changing the vector 5 in a direction perpendicular to the electrodes 3 induces a charge, which, however, is short-circuited because the opposing portions of the electrodes 3 are conductively connected. Likewise, the charges caused by the pyroelectric effect are canceled.

Nemenej významným javom je, že veľkosť induko- 10 vaného náboja závisí nielen od veľkosti namáhania, ale hlavne od polohy zóny deformácie voči miestu rozdelenia elektród 3. Ak bude toto rozdelenie mimo deformovanej časti, nebude sa indukovať prakticky žiaden náboj. Naopak, maximálnu citlivosť možno dosiahnuť, ak je 15 miesto rozdelenia v mieste maximálnej deformácie piezoelektrického elementu 1. Je teda zrejmé, že vhodnou voľbou tvaru drážky 6, ktorý rozdeľuje elektródy 3 a tvaru držiaka 2 piezoelektrického elementu 1, možno dosiahnuť to, že natáčaním piezoelektrického elementu 1 20 možno posúvať zónu deformácie, a tým jednoduchým spôsobom meniť citlivosť piezoelektrického snímača sily bez toho, aby boli ovplyvnené jeho rezonančné vlastnosti, prípadne jeho necitlivosť na priečne sily.No less significant is that the magnitude of the induced charge 10 depends not only on the magnitude of stress, but mainly on the position of the deformation zone relative to the electrode separation point 3. If this distribution is outside the deformed portion, virtually no charge will be induced. Conversely, the maximum sensitivity can be achieved if the distribution point is 15 at the maximum deformation point of the piezoelectric element 1. It is therefore obvious that by properly selecting the shape of the groove 6 which divides the electrodes 3 and the shape of the holder 2 of the piezoelectric element 1 For example, the deformation zone of the element 1 20 can be displaced, thereby changing the sensitivity of the piezoelectric force transducer in a simple manner without affecting its resonance properties or its insensitivity to transverse forces.

Claims

A piezoelectric transducer consisting of a piezoelectric shear stressed in the direction of its internal polarization and provided with electrodes on opposite surfaces, which is located in the holder and is equipped with an inertia mass or force or pressure transfer element, characterized in that the electrodes (3) are surfaces of the piezoelectric element (1) perpendicular to the direction of internal polarization (P), wherein the electrodes (3) are interrupted in the space between the holder (2) and the inertia mass (4) or the shear force or pressure transfer element at opposite locations wherein the mutually opposing portions of the electrodes (3) are conductively connected.

3 drawings

FIG.1

SK 277950 Β6

FIG.2

SK 277950 IM