UA61272A

UA61272A - Piezoelectric mechanical-electric transducer

Info

Publication number: UA61272A
Application number: UA2002119283A
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 voltage signal amplifier, and a resistor. The first electrode of the piezoelectric element is connected to the inverting input of the amplifier, and the second electrode is connected to the output of the amplifier. The first terminal of the resistor is connected to the third electrode of the piezoelectric element, and the second terminal is connected to the common terminal of the electric circuit of the transducer.

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, підсилювач заряду та підсилювач напруги (див. Патент України Мо34316А, 5011 1/16, 501Р15/09, 2001, Мо1).The invention relates to measuring equipment and can be used to measure mechanical quantities. 2 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, 5011 1/16, 501Р15/09, 2001, Мо1).

Недоліком його є порівняно нелінійна амплітудно-частої на характеристика (АЧХ).Its disadvantage is a relatively non-linear amplitude-frequency response (frequency response).

Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить п'єзоелемент із трьома 10 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 коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку дорівнює одиниці (див. Патент УкраїниA piezoelectric transducer of mechanical quantities is known, containing a piezo element with three 10 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 one (see Patent of Ukraine

Мо34318, 5011 1/16, 501Р15/09, 2001, Мо1)Mo34318, 5011 1/16, 501Р15/09, 2001, Mo1)

Зазначений перетворювач найбільш близький по технічній сутності до того, що заявляється, та обраний як 19 прототип.The specified converter is the closest in technical essence to what is claimed, and is chosen as the 19th prototype.

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

В основу винаходу покладена задача вдосконалення перетворювача шляхом підключення до одному з електродів п'єзоелементу резистора, що приводить до зменшення добротності п'єзоелементу та підвищенню лінійності його АЧХ. 20 Пристрій містить п'єзоелемент із трьома електродами і підсилювач напруги, причому один електрод г'сзоелементу з'єднаний із входом підсилювача, що інвертує, другий - з виходом підсилювача.The invention is based on the task of improving the converter by connecting a resistor to one of the electrodes of the piezo element, which leads to a decrease in the Q factor of the piezo element and an increase in the linearity of its frequency response. 20 The device includes a piezo element with three electrodes and a voltage amplifier, and one electrode of the piezo element is connected to the input of the inverting amplifier, the second - to the output of the amplifier.

Відмінність пристрою, що заявляється, від відомого полягає в тому, що перетворювач обладнаний резистором, один вивід якого з'єднаний із третім електродом п'єзоелементу, а другий - із загальним проводом схеми. 29 Кожна з перерахованих ознак є необхідною, а всі разом достатніми для досягнення технічного результату. «The difference between the claimed device and the known one is that the converter is equipped with a resistor, one lead of which is connected to the third electrode of the piezo element, and the other to the common wire of the circuit. 29 Each of the listed features 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 на фіг. зображена схема пристрою.The invention is explained by drawings, where fig. the diagram of the device is shown.

Перетворювач містить п'єзоелемент 1 із трьома електродами 2, 3, 4, погоджуючий підсилювач напруги 5, резистор 6. сч 30 Перетворювач працює таким чином. чаThe transducer contains a piezo element 1 with three electrodes 2, 3, 4, a matching voltage amplifier 5, a resistor 6. sch 30 The transducer works as follows. Cha

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, 5. З виходу підсилювача напруга сч негативного зворотного зв'язку надходить на електрод З, шо приводить до придушення резонансів та «-- підвищення точності (див. прототип). 3о Включення резистора 6 приводить до повного придушення резонансів та одержання лінійної АЧХ, в зв'язку з ее, тим, що величина опору резистора підібрана таким чином, щоб перевести коливальну систему перетворювача (п'єзоелемент) в аперіодичну.When a piezo element 1 is mechanically affected (force, pressure, acceleration, etc.), an electric voltage arises on electrode 2, which enters the input of the inverting amplifier, 5. From the output of the amplifier, the negative feedback voltage sch enters the electrode C, which leads to suppression of resonances and "-- increased accuracy (see prototype). 3o The inclusion of resistor 6 leads to complete suppression of resonances and 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 the oscillating system of the transducer (piezo element) into an aperiodic one.

Відомо, що це відбувається при ступені заспокоєння В-0,707, де « 40. в 1. - Ко шщ с 200 20019 ц Со - початкова добротність коливальної системи; "» Фдд - резонансна частота; о, Ко - еквівалентна індуктивність коливальної системи та її опір втрат. 45 (див. Островский Л.А. Основьї теории злектроизмерительньх устройств, МЛ., Знергия, 1971, рис.6б.7).It is known that this occurs at the degree of relaxation B-0.707, where « 40. in 1. - Ko shsh s 200 20019 ts Co - the initial Q factor of the oscillating system; "» Fdd - resonant frequency; о, Ko - equivalent inductance of the oscillating system and its loss resistance. 45 (see Ostrovsky L.A. Basic theory of electronic measuring devices, ML., Znergiya, 1971, fig. 6b. 7).

Ме При 8-0,707 забезпечується лінійність АЧХ. При подальшому збільшенні ступеня заспокоєння чутливість - перетворювача в до- та післярезонансній області зменшується. 7 З приведених вище формул після найпростіших перетворень встановлено, що величина опору К резистора 50 може бути визначена зі співвідношення: -і 1,А1коОожРа1,55Ко00,Me At 8-0.707, 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. 7 From the formulas given above, after the simplest transformations, it was established that the value of the resistance K of the resistor 50 can be determined from the ratio: -и 1.А1коОожРа1.55Ко00,

Кз де Ко - опір втрат коливальної системи;Kz de Ko - loss resistance of the oscillating system;

Ор - початкова добротність.Or - initial quality 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 діаметром 30, товщиною 0,Змм та металевою пластиною 2.36х0,Змм із напівтвердої латуні Лб3. На п'єзоелементі виконано » два електроди у вигляді напівдисків. Загальний провід схеми через резистор підключений до металевої пластини. Підсилювач зібраний на мікросхемі КІ40УД8 та має вхідний опір 1,98мМОм. Опір резистора 24кОм.A transducer based on an asymmetric bimorphic element with a piezo element with a diameter of 30, a thickness of 0.3mm and a metal plate 2.36x0.3mm made of semi-hard brass Lb3 was manufactured. Two electrodes in the form of half disks are made on the piezo element. The common wire of the circuit is connected to a metal plate through a resistor. The amplifier is assembled on a KI40UD8 microcircuit and has an input resistance of 1.98 mΩ. The resistance of the resistor is 24kΩ.

Основний резонанс спостерігається на частоті 5-3 ,4кГц, наступний 7,2кГц. 60 При зміні опору резистора в межах, зазначених у формулі винаходу, АЧХ пристрою, що заявляється, лінійна від 10Гц до 10кКГц.The main resonance is observed at a frequency of 5-3.4 kHz, the next at 7.2 kHz. 60 When changing the resistance of the resistor within the limits specified in the claims, the frequency response of the claimed device is linear from 10Hz to 10kHz.

Claims

The formula of the invention b5

A piezoelectric transducer of mechanical quantities comprising a piezo element with three electrodes and a voltage amplifier, one electrode of the piezo element being connected to the input of the inverting amplifier, the other to the output of the amplifier, characterized by the fact that the transducer is equipped with a resistor, one terminal of which is connected to the third electrode of the piezo element, and the second - to the common wire of the circuit, and the resistance of the resistor is selected from the ratio: 14.06 ВЕ 5155К60, where Ko is the loss resistance of the oscillating system; Oo is the initial factor. « с ча с «- (Se) -

with . a (o) - ko -I what) because b5