UA61270A

UA61270A - Piezoelectric mechanical-electric transducer

Info

Publication number: UA61270A
Application number: UA2002119269A
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 main piezoelectric element, an additional piezoelectric element that is fitted to the main piezoelectric element, a matching amplifier, and a resistor. The series-connected additional piezoelectric element and the resistor are connected in the negative feedback circuit of the amplifier. The input of the amplifier is connected to the common terminal of the main and additional piezoelectric elements. 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 виміру механічних величин. 2 Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить п'єзоелемент із трьома електродами, що погоджують підсилювачі заряду і підсилювач напруги (див. Патент України Мо З34316А, 50111/16, СО1Р15/09, 2001, Мо1).The invention relates to measuring equipment and can be used to measure mechanical quantities. 2 A well-known piezoelectric transducer of mechanical quantities, containing a piezoelectric element with three electrodes that combine charge amplifiers and a voltage amplifier (see Patent of Ukraine Mo Z34316A, 50111/16, СО1Р15/09, 2001, Mo1).

Недоліком його є нелінійність амплітудно-частотної характеристики (АЧХ).Its disadvantage is the nonlinearity of the amplitude-frequency characteristic (frequency response).

Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить основний п'єзоелемент та закріплений на ньому додатковий п'єзоелемент, погоджуючий підсилювач заряду, вхід якого підключений до точки з'єднання двох п'єзоелементів, причому додатковий п'єзоелемент включений у ланцюг негативного зворотного зв'язку погоджуючого підсилювача (див. Патент України 34315 А, МКІ 5011 1/16, 50О1Р 15/09 по заявціA piezoelectric transducer of mechanical quantities is known, containing a main piezo element and an additional piezo element fixed on it, a matching charge amplifier, the input of which is connected to the point of connection of two piezo elements, and the additional piezo element is included in the negative feedback circuit connection amplifier (see Patent of Ukraine 34315 A, MKI 5011 1/16, 50О1Р 15/09 by application

Мо99063570 від 24.06.99, опубл. 15.02.01, Бюл.Мо1).Mo99063570 dated 24.06.99, publ. 15.02.01, Bul.Mo1).

Зазначений перетворювач найбільш близький по технічній сутності й обраний в якості прототипу. 12 Недоліком його є нелінійність амплітудно-частотної характеристики.The specified converter is the closest in terms of technical essence and was chosen as a prototype. 12 Its disadvantage is the nonlinearity of the amplitude-frequency characteristic.

В основу винаходу поставлена задача вдосконалення перетворювача шляхом введення в ланцюг негативного зворотного зв'язку підсилювача послідовно з додатковим п'єзоелементом резистора, що приводить до зменшення добротності коливальної системи - основний-додатковий п'єзоелементи та підвищення лінійності його АЧХ.The invention is based on the task of improving the converter by introducing the amplifier's negative feedback circuit in series with an additional piezo element of the resistor, which leads to a decrease in the Q-factor of the oscillating system - the main-additional piezo element and an increase in the linearity of its frequency response.

Перетворювач містить основний п'єзоелемент та закріплений на ньому додатковий п'єзоелемент, погоджуючий підсилювач, вхід якого підключений до точки з'єднання двох п'єзоелементів, причому додатковий п'єзоелемент включений у ланцюг негативного зворотного зв'язку погоджуючого підсилювача.The transducer contains a main piezo element and an additional piezo element fixed on it, a matching amplifier, the input of which is connected to the point of connection of two piezo elements, and the additional piezo element is included in the negative feedback circuit of the matching amplifier.

Пропонований перетворювач відрізняється від прототипу тим, що він обладнаний резистором, що включений у ланцюг негативного зворотного зв'язку послідовно з додатковим п'єзоелементом, причому величина опору К 29 цього резистора вибирається зі співвідношення: « 1,41вко0О02821,55Ко00о, де Ко - опір втрат коливальної системи;The proposed converter differs from the prototype in that it is equipped with a resistor included in the negative feedback circuit in series with an additional piezo element, and the value of the resistance K 29 of this resistor is selected from the ratio: « 1.41vko0O02821.55Ko00o, where Ko is the resistance losses of the oscillating system;

Ор - початкова добротність.Or - initial quality factor.

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

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: - на фігурі зображена схем а пристрою. счThe invention is explained by the drawings, where: - the figure shows the scheme of the device. high school

Перетворювач містить основний п'єзоелемент 1 з електродами 2, З, та додатковий п'єзоелемент 4 3 електродами 5, 6, погоджуючий підсилювач 7 та резистор 8. Вхід, що інвертує, погоджуючого підсилювача 7 32 підключений до точки з'єднання п'єзоелементів (електроди 2, 5). У ланцюг негативного зворотного зв'язку ее, послідовно з п'єзоелементом 4 включений резистор 8, опір якого вибирається з приведеної вище формули.The transducer contains the main piezo element 1 with electrodes 2, 3, and an additional piezo element 4 with 3 electrodes 5, 6, matching amplifier 7 and resistor 8. The inverting input of the matching amplifier 7 32 is connected to the connection point of the piezo elements (electrodes 2, 5). In the negative feedback circuit ee, a resistor 8 is connected in series with the piezo element 4, the resistance of which is selected from the above formula.

Пристрій працює в такий спосіб.The device works in the following way.

При механічному впливі на п'єзоелемент 1 (сила, тиск, прискорення та ін.) на електроді 2 виникає « електрична напруга що надходить на вхід підсилювача, що інвертує, 7. З виходу підсилювача напруга З 70 негативного зворотного зв'язку надходить на п'єзоелемент 4, що приводить до придушення резонансів та с підвищення точності (див. прототип).When there is a mechanical effect on the piezo element 1 (force, pressure, acceleration, etc.), an electric voltage appears on electrode 2, which enters the input of the inverting amplifier, 7. From the output of the amplifier, the negative feedback voltage Z 70 is supplied to n 'isoelement 4, which leads to the suppression of resonances and increased accuracy (see the prototype).

Із» Включення резистора 8 приводить до повного придушення резонансів та одержання лінійної АЧХ, в зв'язку з тим, що величина опору підібрана таким чином, щоб перевести коливальну систему, що складається з двох п'єзоелементів, в аперіодичну.From» The inclusion of resistor 8 leads to complete suppression of resonances and obtaining a linear frequency response, due to the fact that the value of the resistance is selected in such a way as to convert the oscillating system consisting of two piezo elements into an aperiodic one.

Ф 45 Відомо, що це відбувається при ступені заспокоєння 8-0,707, де в- 1. Ко т 240 Зеоо ю Ор - початкова добротність коливальної системи; - 20 (у - резонансна частота; о 0, Ко - еквівалентна індуктивність коливальної системи та її опір втрат. (див. Островский Л.А. Основь! теории злектроизмерительньх устройств, М.Л., Знергия, 1971, рис. 6.7).Ф 45 It is known that this occurs at a degree of relaxation of 8-0.707, where in- 1. Ko t 240 Zeoo yu Or - the initial Q factor of the oscillating system; - 20 (y - resonance frequency; о 0, Ko - 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).

При 85-0,707 забезпечується лінійність АЧХ. При подальшому збільшенні ступеня заспокоєння чутливість перетворювача в до- та післярезонансній області зменшується.At 85-0.707, frequency response linearity is ensured. With a further increase in the degree of relaxation, the sensitivity of the transducer in the pre- and post-resonance region decreases.

З приведених вище формул після найпростіших перетворень встановлено що величина опору К резистора, » що включається послідовно з додатковим п'єзоелементом, може бути визначена зі співвідношення: 1,А1коОо2вх1,55Ко00, де Ко - опір втрат коливальної системи; 60 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, which is connected in series with an additional piezo element, can be determined from the ratio: 1.А1коОо2вх1.55Ко00, where Ко is the loss resistance of the oscillating system; 60 Or - initial quality factor.

Можливість реалізації винаходу підтверджується прикладом, що приводиться нижче.The possibility of implementing the invention is confirmed by the example given below.

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 2З36х0О,Змм із напівтвердої латуні Л63. Додатковий п'єзоелемент діаметром 20 і товщиною 0,Змм із п'єзокераміки ЦТО-19. Підсилювач зібраний на мікросхемі КІ40УД8 та має 65 вхідний опір 1,8мМОм. Опір резистора 24кОм. Основний резонанс на частоті ї-3,47кГц, наступний 7,2кГу.ЗО with a thickness of 0.Змм and a metal plate 2З36х0О.Змм made of semi-hard brass L63. Additional piezo element with a diameter of 20 and a thickness of 0.3 mm from piezoceramics TsTO-19. The amplifier is assembled on a KI40UD8 microcircuit and has an input resistance of 1.8 mΩ. The resistance of the resistor is 24kΩ. The main resonance is at a frequency of 3.47kHz, the next is 7.2kHz.

При зміні опору резистора в межах, зазначених у формулі винаходу, АЧХ перетворювача лінійна від 10Гц доWhen the resistance of the resistor changes within the limits specified in the claims, the frequency response of the converter is linear from 10 Hz to

1окКГц.1okKHz.

Claims

The formula of the invention Piezoelectric converter of mechanical quantities, containing the main piezo element and an additional piezo element fixed on it, a matching amplifier, the input of which is connected to the point of connection of two piezo elements, and the additional piezo element is included in the circuit of the negative feedback connection

7/0. matching amplifier, which differs in that the converter is equipped with a resistor included in the negative feedback circuit in series with an additional piezo element, and the value of the resistance K of this resistor is determined from the ratio: 141.0, ХК 5155500, where Ko is the loss resistance oscillating system; Or - initial quality factor. "(av) ich- se "- (Se)

- a (e)) - ko - and "2 bo b5