UA61267A

UA61267A - Piezoelectric mechanical-electric transducer

Info

Publication number: UA61267A
Application number: UA2002119266A
Authority: UA
Inventors: Valerii Mykhailovych Sharapov; Yuliia Yuriivna Balkovska; Maksym Pavlovych Musiienko; Oleksandra Oleksiivn Boklogova; Olena Valeriivna Sharapova
Original assignee: Cherkasy State Tech Univ
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2003-11-17

Abstract

The proposed piezoelectric mechanical-electric transducer contains a piezoelectric element with three electrodes, a matching voltage signal amplifier, and a resistor. The resistance of the resistor corresponds to the following equation: 1.41R0Q0 ? R ? 1.55R0Q0, where R0 is the loss resistance of the resonance circuit, Q0 is the initial Q-factor of the circuit.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до вимірювальної техніки, і може бути використаний для вимірювання механічних 2 величин.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure mechanical quantities.

Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить п'єзоелемент із трьома електродами, підсилювач заряду і підсилювач напруги (див. Патент України Мо34316А, (30111/16, СО1ІР15/09, 2001, Мо1).A known piezoelectric transducer of mechanical quantities, containing a piezoelectric element with three electrodes, a charge amplifier and a voltage amplifier (see Patent of Ukraine Мо34316А, (30111/16, СО1ИР15/09, 2001, Мо1).

Недоліком його є нелінійна амплітудно-частотна характеристика (АЧХ). 70 Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить п'єзоелемент із трьома електродами і підсилювач напруги, причому один електрод п'єзоелементу з'єднаний із входом підсилювача, другий - з виходом, а третій - із загальним проводом схеми, причому добуток коефіцієнта передачі ланцюга прямого перетворення на коефіціенг передачі ланцюга зворотного зв'язку дорівнює одиниці (див. Патент УкраїниIts disadvantage is a non-linear amplitude-frequency characteristic (frequency response). 70 A known piezoelectric transducer of mechanical quantities, containing a piezo element with three electrodes and a voltage amplifier, and one electrode of the piezo element is connected to the input of the amplifier, the second to the output, and the third to the common wire of the circuit, and the product of the coefficient transmission of the direct conversion chain to the transmission coefficient of the feedback chain is equal to unity (see Patent of Ukraine

Мо34318А, 011 1/16, С0О1Р15/09, 2001, М01) 12 Зазначений перетворювач найбільш близький по технічній сутності до пропонованого й обраний як прототип.Мо34318А, 011 1/16, С0О1Р15/09, 2001, М01) 12 The specified converter is the closest in technical essence to the proposed one and was chosen as a prototype.

Недоліком його є нелінійна амплітудно-частотна характеристика.Its disadvantage is a non-linear amplitude-frequency characteristic.

В основу винаходу покладена задача вдосконалення перетворювача шляхом введення в ланцюг зворотного зв'язку підсилювача резистора, що приводить до зменшення добротності п'єзоелементу і підвищенню лінійності його АЧХ.The invention is based on the task of improving the converter by introducing a resistor into the feedback circuit of the amplifier, which leads to a decrease in the Q factor of the piezo element and an increase in the linearity of its frequency response.

Пристрій містить п'єзоелемент із трьома електродами та погоджуючий підсилювач напруги, причому один електрод п'єзоелементу з'єднаний із входом підсилювача, що інвертує, другий - із загальним проводом схеми.The device includes a piezo element with three electrodes and a matching voltage amplifier, and one electrode of the piezo element is connected to the input of the inverting amplifier, the second - to the common wire of the circuit.

Відмінність пристрою, що заявляється, від відомого полягає в тому, що перетворювач обладнаний резистором, один вивід якого з'єднаний із третім електродом, другий - з виходом підсилювача.The difference between the claimed device and the known one is that the converter is equipped with a resistor, one output of which is connected to the third electrode, the other to the output of the amplifier.

Кожна з перерахованих ознак є необхідною, а всі разом достатніми для досягнення технічного результату.Each of the listed signs is necessary, and all of them together are sufficient to achieve a technical result.

Технічним результатом винаходу, що заявляється, є підвищення лінійності АЧХ. «The technical result of the claimed invention is an increase in frequency response linearity. "

Винахід пояснюється кресленнями, де показана схема пристрою.The invention is explained by the drawings, which show the scheme of the device.

Перетворювач містить п'єзоелемент 1 із трьома електродами 2, 3, 4, погоджуючий підсилювач напруги 5, резистор 6.The converter contains a piezo element 1 with three electrodes 2, 3, 4, a matching voltage amplifier 5, a resistor 6.

Перетворювач працює в такий спосіб. -The converter works in the following way. -

При механічному впливові на п'єзоелемент 1 (сила, тиск, прискорення та ін.) на електроді 2 виникає Ге) електрична напруга що надходить на вхід підсилювача, що інвертує, 5. З виходу підсилювача напруга негативного зворотного зв'язку надходить на електрод 4, що приводить до придушення резонансів та с підвищення точності (див. прототип). «--When a piezo element 1 is mechanically affected (force, pressure, acceleration, etc.) at electrode 2, an electrical voltage Ge) is generated that enters the input of the inverting amplifier 5. From the output of the amplifier, the negative feedback voltage enters electrode 4 , which leads to suppression of resonances and increased accuracy (see prototype). "--

Включення в ланцюг зворотного зв'язку резистора б приводить до повного придушення резонансів та 3о одержання лінійної АЧХ у зв'язку з тим, що величина опору резистора підібрана таким чином, щоб перевести ее, коливальну систему перетворювача (п'єзоелемент) в аперіодичну.The inclusion of the resistor b in the feedback circuit leads to complete suppression of resonances and 3o obtaining a linear frequency response due to the fact that the value of the resistance of the resistor is selected in such a way as to convert ee, the oscillating system of the transducer (piezo element) into an aperiodic one.

Відомо, що це відбувається при ступені заспокоєння 9 - 0,707, де: в- 1. Ко « 200 годі - с Со - початкова добротність коливальної системи; з» «р - резонансна частота; 0, Ко - еквівалентна індуктивність коливальної системи та її опір втрат. (див. Островский Л.А. Основь! теории злектроизмерительньйх устройств, М.Л., Знергия, 1971, рис. 6.7). о При 8-0,707 забезпечується лінійність АЧХ. При подальшому збільшенні ступеня заспокоєння чутливість -з перетворювача в до- та післярезонансній області зменшується.It is known that this occurs at the degree of relaxation 9 - 0.707, where: в- 1. Ko « 200 h - s Со - the initial Q factor of the oscillating system; z" "p - resonance frequency; 0, Ko is the equivalent inductance of the oscillating system and its loss resistance. (see L.A. Ostrovsky, Fundamentals of electro-measuring devices, M.L., Znergiya, 1971, Fig. 6.7). o At 8-0.707, frequency response linearity is ensured. With a further increase in the degree of relaxation, the sensitivity of the converter in the pre- and post-resonance region decreases.

З приведених вище формул після найпростіших перетворень встановлено, що величина опору К резистора ко може бути визначена зі співвідношення: б» 50 1,А41коОожех1,55Бо00, де Ко - опір втрат коливальної системи; "і Ор - початкова добротність.From the formulas given above, after the simplest transformations, it was established that the value of the resistance K of the resistor ko can be determined from the ratio: b» 50 1.А41коОожех1.55Бо00, where Ko is the loss resistance of the oscillating system; "and Or is the initial Q factor.

Можливість реалізації винаходу підтверджується наведеним нижче прикладом.The possibility of implementing the invention is confirmed by the following example.

Був виготовлений перетворювач на основі асиметричного біморфного елемента з п'єзоелементом діаметромA transducer based on an asymmetric bimorphic element with a piezo element with a diameter of

ЗО та товщиною 0,Змм і металевою пластиною 023бхО,Змм із напівтвердої латуні ЛбЄЗ3. На п'єзоелементі виконано два електроди у виді напівдисків. Загальний провід схеми підключений до металевої пластини.ЗО with a thickness of 0.Змм and a metal plate of 023бхО.Змм made of semi-hard brass ЛбЕЗ3. The piezo element has two electrodes in the form of half disks. The common wire of the circuit is connected to the metal plate.

Р» Підсилювач зібраний на мікросхемі К140УДВ8, вхідний опір 1,8мМОм. Опір резистора 24кОм. Основний резонанс на частоті Тр-З,47кГу, наступний 7,2кКГц.R» The amplifier is assembled on the K140UDV8 microcircuit, the input resistance is 1.8 mΩ. The resistance of the resistor is 24kΩ. The main resonance is at the frequency Tr-Z, 47 kHz, the next is 7.2 kHz.

При зміні опору резистора в межах, зазначених у формулі винаходу, АЧХ пристрою, що заявляється, лінійна 60 від 10Гуц до 1ОкГц.When changing the resistance of the resistor within the limits specified in the claims, the frequency response of the claimed device is linear 60 from 10 Hz to 1 kHz.

Claims

The formula of the invention

65 Piezoelectric transducer of mechanical quantities, containing a piezoelectric element with three electrodes and a matching voltage amplifier, and one electrode of the piezoelectric element is connected to the input of the inverting amplifier, the second - to the common wire of the circuit, which is characterized by the fact that the transducer is equipped with a resistor , one output of which is connected to the third electrode, the second - to the output of the amplifier, and the resistance of the resistor is selected from the ratio: 1.41Bodogv21.55Ko00, where Ko is the resistance of losses of the oscillating system; Or - initial quality factor. « cha (Se) se h-- (Se) -

with . a (e)) - ko FU and bo b5