SK277950B6 - Piezoelectric sensor - Google Patents

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.

SK 277950 Β6

Oblasť techniky

Vynález sa týka piezoelektrického snímača vo funkcii snímača zrýchlenia alebo snímača sily alebo snímača tlaku s piezoelektrickým elementom namáhaným na strih.

Doterajší stav techniky

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.

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.

Podstata vynálezu

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.

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.

Prehľad obrázkov na výkresoch

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.

Príklady uskutočnenia vynálezu

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.

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.

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 polarizácie

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.

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.

Claims (1)

1. Piezoelektrický snímač, tvorený piezoelektrickým elementom namáhaným na strih v smere jeho vnútornej polarizácie a vybaveným na protiľahlých plochách elektródami, ktorý je umiestnený v držiaku a je vybavený zotrvačnou hmotnosťou alebo prvkom prenosu sily či tlaku, vyznačujúci sa tým,že elektródy (3) sú vytvorené na plochách piezoelektrického elementu (1) kolmých na smer vnútornej polarizácie (P), pričom elektródy (3) sú v priestore medzi držiakom (2) a zotrvačnou hmotnosťou (4) alebo prvkom prenosu sily či tlaku v mieste strihu po celej dĺžke v protiľahlých miestach prerušené, pričom súhlasne protiľahlé časti elektród (3) sú vodivo spojené.

   3 výkresy

   OBR.1

   SK 277950 Β6

   OBR.2

   SK 277950 IM