UA17834U

UA17834U - Piezoelectric mechanical-electric transducer

Info

Publication number: UA17834U
Application number: UAU200604209U
Authority: UA
Inventors: Valerii Mykhailovych Sharapov; Vasyl Maksymovych Nikolaienko; Mykola Yuriiovych Ploskonos; Olena Valeriivna Sharapova
Original assignee: Valerii Mykhailovych Sharapov
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2006-10-16

Abstract

The proposed piezoelectric mechanical-electric transducer contains an asymmetric bimorph transducer and two matching amplifiers. The bimorph transducer contains a metallic plate and a thickness-polarized disk piezoelectric element with a disk electrode and a ring-shaped electrode that are arranged coaxially to each other. The disk electrode is connected to the input of the main matching amplifier. The metallic plate is connected to the common terminal of the transducer electric circuit. The ring-shaped electrode is separated into two sections, which are accordingly connected to the input and the output of the additional matching amplifier.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель належить до вимірювальної техніки, та може використовуватися у промисловості та 2 лабораторній практиці.The useful model belongs to the measuring technique, and can be used in industry and 2 laboratory practice.

Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, який містить два п'єзоелементи, з'єднаних між собою механічно і електричне, підсилювач напруги, вхід якого з'єднаний з електродом одного із п'єзоелементів, а вихід - з електродом другого п'єзоелемента, |див. Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезозлектроннье устройства вьічислительной техники и систем контроля и управления. СПб, Политехника, 1994, с.138, рис.4.81. 70 Недоліком цього перетворювача є порівняно невисока точність вимірювання.A known piezoelectric transducer of mechanical quantities, which contains two piezo elements connected to each other mechanically and electrically, a voltage amplifier, the input of which is connected to the electrode of one of the piezo elements, and the output to the electrode of the second piezo element, | see Dzhagupov R.G., Erofeev A.A. Piezoelectric devices of computer equipment and control and control systems. St. Petersburg, Polytechnic, 1994, p. 138, fig. 4.81. 70 The disadvantage of this converter is relatively low measurement accuracy.

Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить асиметричний біморфний елемент, який складається із металевої пластини з отвором та дискового п'єзоелемента, поляризованого по товщині з електродами у вигляді диска та кільця, які підключені до входу узгоджувального підсилювача і до загального проводу схеми |див. Патент України Моб2730А, 5011 1/16, С0О1Р 15/09 опубл. 15.12.2003; Бюл. Мо121. 19 Недоліком цього перетворювача є порівняно неширокий діапазон робочих частот.Known piezoelectric transducer of mechanical quantities containing an asymmetric bimorph element, which consists of a metal plate with a hole and a disk piezoelectric element, polarized in thickness with electrodes in the form of a disk and a ring, which are connected to the input of the matching amplifier and to the common wire of the circuit | see Patent of Ukraine Mob2730А, 5011 1/16, С0О1Р 15/09 publ. 15.12.2003; Bul. Mo121. 19 The disadvantage of this converter is a relatively narrow range of operating frequencies.

Вказаний перетворювач найбільш близький по технічній сутності до того, який заявляється і вибраний в якості прототипу.The specified converter is the closest in terms of technical essence to the one that is claimed and selected as a prototype.

В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення п'єзоелектричного перетворювача шляхом забезпечення додатковим узгоджувальним підсилювачем напруги, другим і третім електродами, які виконані у вигляді напівкілець і підключені до входу додаткового у згоджу вального підсилювача напруги.The basis of the useful model is the task of improving the piezoelectric transducer by providing an additional matching voltage amplifier, the second and third electrodes, which are made in the form of half rings and connected to the input of the additional matching voltage amplifier.

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що заявляється, містить асиметричний біморфний елемент, що складається з металевої пластини і дискового п'єзоелемента, поляризованого по товщині, з електродами, розміщеними на одній з торцевих поверхонь п'єзоелемента, причому один з електродів виконаний у вигляді диска діаметром 4 д і підключений до входу основного узгоджувального підсилювача, а металева пластина з отвором діаметром аотв закріплена на другій торцевій поверхні співвісно з дисковим електродом пу п'єзоелемента, причому дотв" Яд, і підключена до загального проводу схеми.The claimed piezoelectric transducer of mechanical quantities contains an asymmetric bimorphic element consisting of a metal plate and a disk piezoelectric element polarized in thickness, with electrodes placed on one of the end surfaces of the piezoelectric element, and one of the electrodes is made in the form disk with a diameter of 4 d and connected to the input of the main matching amplifier, and a metal plate with a hole with a diameter of aotv is fixed on the second end surface coaxially with the disk electrode pu of the piezo element, and dotv" Yad, and is connected to the common wire of the circuit.

Перетворювач відрізняється тим, що він забезпечений додатковим узгоджувальним підсилювачем напруги, другим і третім електродами, які виконані у вигляді напівкілець і підключені до входу та виходу додаткового узгоджувального підсилювача. МThe converter differs in that it is equipped with an additional matching voltage amplifier, the second and third electrodes, which are made in the form of half rings and are connected to the input and output of the additional matching amplifier. M

Всі перераховані у формулі ознаки є необхідними і достатніми для досягнення технічного результату. соAll the signs listed in the formula are necessary and sufficient to achieve the technical result. co

Технічним результатом корисної моделі є розширення робочого діапазону частот.The technical result of a useful model is the expansion of the working frequency range.

Корисна модель пояснюється кресленнями, де: со на Фіг.1 - показана схема перетворювача, що заявляється; ї-The useful model is explained by the drawings, where: so in Fig. 1 - the scheme of the claimed converter is shown; uh-

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин містить асиметричний біморфний елемент, що складається з металевої пластини 1 і дискового п'єзоєлемента 2, поляризованого по товщині, з електродами, -- розміщеними на одній з торцевих поверхонь п'єзоелемента, причому один з електродів виконаний у вигляді диска З діаметром дд і підключений до входу узгоджувального підсилювача 4, а металева пластина з отвором 5 діаметром отв закріплена на другій торцевій поверхні п'єзоелемента співвісно з дисковим електродом « п'єзоелемента, причому дотв»Яд, і підключена до загального проводу схеми, другий 6 і третій 7 електроди З виконані у вигляді напівкілець і підключені до входу та виходу додаткового узгоджу вального підсилювача 8. с Перетворювач працює таким чином. Механічна дія Е (сила, тиск, прискорення і т.д.) створює на електродахThe piezoelectric transducer of mechanical quantities contains an asymmetric bimorphic element consisting of a metal plate 1 and a disc piezo element 2, polarized in thickness, with electrodes placed on one of the end surfaces of the piezo element, and one of the electrodes is made in the form of disk With a diameter dd and connected to the input of the matching amplifier 4, and a metal plate with a hole 5 with a diameter of otv is fixed on the second end surface of the piezo element coaxially with the disk electrode of the piezo element, and dotv»Yad, and is connected to the common wire of the circuit, the second 6 and the third 7 electrodes Z are made in the form of half-rings and are connected to the input and output of the additional matching amplifier 8. c The converter works as follows. Mechanical action E (force, pressure, acceleration, etc.) creates on the electrodes

Із» 3, 6, 7 п'єзоелемента 2 електричний заряд та напругу, які підсилюються у з годжу вальним підсилювачем 4 і додатковим узгоджувальним підсилювачем напруги 8.From" 3, 6, 7 of the piezo element 2 electric charge and voltage, which are amplified by the matching amplifier 4 and the additional matching voltage amplifier 8.

Виконання отвору в металевій пластині діаметром більшим діаметра дискового електроду призводить до щщ 45 тою, що вектор напруженості електричного поля вихідного сигналу створює з вектором поляризації Р кут «с, причому О«а«909, Це, як показали експерименти, приводить до збільшення власного опору п'єзоелемента -і перетворювача (внутрішнього тертя), за рахунок чого коливальний п'езокерамічний елемент перетворюється на со аперіодичний ланцюг. В результаті цього амплітудно-частотна характеристика п'єзоперетворювача вирівнюється (зникає резонанс), а значить, розширюється робочий діапазон частот. (95) 50 Причина зміни власного опору, пов'язана з впливом впорядкованої доменної структури поляризованоїMaking a hole in a metal plate with a diameter larger than the diameter of the disc electrode leads to the fact that the vector of the electric field intensity of the output signal creates an angle "c" with the polarization vector P, and O"a"909. This, as experiments have shown, leads to an increase in its own resistance of the piezo element and the transducer (internal friction), due to which the oscillating piezoceramic element turns into an aperiodic circuit. As a result, the amplitude-frequency characteristic of the piezo transducer is leveled (resonance disappears), which means that the working frequency range is expanded. (95) 50 The reason for the change in intrinsic resistance is related to the influence of the ordered domain structure of polarized

І» п'єзокераміки на рух носіїв заряду - активний опір втрат уздовж вектора поляризації у декілька разів менший тієї ж величини, виміряної перпендикулярно вектору поляризації.I» of piezoceramics on the movement of charge carriers - the active resistance of losses along the polarization vector is several times smaller than the same value measured perpendicular to the polarization vector.

Приклад конкретного застосування.An example of a specific application.

Був виготовлений п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить металеву пластину з напівтвердої латуні ЛЄЗ, діаметром Збмм і завтовшки О,Змм, з отвором в центрі діаметром 1бмм і дисковий с п'єзоелемент діаметром ЗОмм і завтовшки 0О,З3мм з п'єзокераміки ЦТО-19 з електродами у вигляді диска діаметром 14мм і двох напівкілець з внутрішнім діаметром 17 і зовнішнім - ЗОмм Дисковий електрод підключений до входу узгоджувального підсилювача напруги, а другий і третій електроди, виконані у вигляді напівкілець, підключені до входу та виходу додаткового підсилювача. Основний узгоджувальний підсилювач, зібраний на бо мікросхемі КІ40УД8, вхідний опір 1,8МОм. Додатковий узгоджувальний підсилювач зібраний на транзисторіA piezoelectric transducer of mechanical quantities was produced, containing a metal plate made of semi-solid brass LEZ, with a diameter of Zbmm and a thickness of 0.3mm, with a hole in the center with a diameter of 1bmm and a disc piezo element with a diameter of ZOmm and a thickness of 0О.3mm made of piezoceramics. -19 with electrodes in the form of a disc with a diameter of 14 mm and two semi-rings with an inner diameter of 17 mm and an outer diameter of 3 mm. The disc electrode is connected to the input of the matching voltage amplifier, and the second and third electrodes, made in the form of semi-rings, are connected to the input and output of the additional amplifier. The main matching amplifier, assembled on a KI40UD8 chip, has an input resistance of 1.8 MΩ. An additional matching amplifier is assembled on the transistor

КТЗ315Б.KTZ315B.

П'езоперетворювач піддавався дії акустичного тиску 10Па, який створювався акустичною камерою в діапазоні від 20Гц до 10кГц. До виходу підключався цифровий вольтметр В7-38. Як показали експерименти, АЧХ перетворювача, який заявляється, лінійна в діапазоні від 20Гц до 10кГц. При використовуванні ж прототипу, 65 резонанс був на частоті 4,8кКГц, що обмежувало робочий діапазон частот приблизно до ЗкГц.The piezo transducer was subjected to an acoustic pressure of 10Pa, which was created by an acoustic chamber in the range from 20Hz to 10kHz. A digital voltmeter B7-38 was connected to the output. As experiments have shown, the frequency response of the claimed converter is linear in the range from 20Hz to 10kHz. When using the same prototype, 65 resonance was at a frequency of 4.8kHz, which limited the operating frequency range to approximately 3kHz.

Claims

The formula of the invention, M. . higher М M Piezoelectric transducer of mechanical quantities, containing an asymmetric bimorphic element, which consists of a metal plate and a disc piezo element, polarized in thickness, with electrodes placed on one of the end surfaces of the piezo element, and one of the electrodes is made in in the form of a disk with a diameter of dd and connected to the input of the main matching amplifier, the second electrode is made 70 In the form of a ring, and a metal plate with a hole with a diameter of 4 mm, fixed on the second end surface coaxially with the disk electrode of the piezo element, and dZotv»Ud, and connected to common circuit wire, which differs in that the converter is equipped with an additional matching voltage amplifier, and the electrode in the form of a ring is divided into two parts in the form of half rings, which are connected to the input and output of the additional matching amplifier. what with "I Ge) (ee) in yo

- a - - and (ee) (95) GT" because b5