UA65325A

UA65325A - Piezoelectric mechanical-electric transducer

Info

Publication number: UA65325A
Application number: UA2003076472A
Authority: UA
Inventors: Valerii Mykhailovych Sharapov; Yuliia Yuriivna Balkovska; Maksym Pavlovych Musiienko
Original assignee: Cherkasy State Tech Univ
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2004-03-15

Abstract

The proposed piezoelectric mechanical-electric transducer contains a thickness-polarized disk piezoelectric element and a matching amplifier. The piezoelectric element contains four half-disk electrodes, which are arranged in pairs at the end surfaces of the piezoelectric element.

Description

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний в промисловості й лабораторній практиці для вимірювання механічних величин.The invention relates to measuring equipment and can be used in industry and laboratory practice to measure mechanical quantities.

Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, що містить п'єзоелемент з двома електродами та узгоджуючий підсилювач, причому електроди п'єзоелементу підключені до входу та виходу підсилювача (див.A piezoelectric transducer of mechanical quantities is known, containing a piezo element with two electrodes and a matching amplifier, and the electrodes of the piezo element are connected to the input and output of the amplifier (see

Патент України Ме34319 А, 50111/16, С0О1Р15/09, 2001, Мо1).Patent of Ukraine Me34319 A, 50111/16, С0О1Р15/09, 2001, Mo1).

Недоліком цього перетворювача є порівняно вузький частотний діапазон.The disadvantage of this converter is a relatively narrow frequency range.

Відомий п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, який містить узгоджувальний підсилювач та п'єзоелемент з двома електродами і резистор, які включені в ланцюг негативного зворотного зв'язку підсилювача, причому електроди п'єзоелементу підключені до входу та виходу підсилювача (див. Заявку на винахідA piezoelectric transducer of mechanical quantities is known, which includes a matching amplifier and a piezo element with two electrodes and a resistor, which are included in the negative feedback circuit of the amplifier, and the electrodes of the piezo element are connected to the input and output of the amplifier (see the application for the invention

Ме2002119267 від 21.11.2002, 50111/16, Б01Р15/09).Me2002119267 dated November 21, 2002, 50111/16, B01R15/09).

Зазначений перетворювач найбільш близький за технічною сутністю та обраний в якості прототипу.The specified converter is the closest in terms of technical essence and was chosen as a prototype.

В основу винаходу покладена задача розширення робочого діапазону частот шляхом вибору місця розташування електродів на поверхні п'єзоелементу, а також підключення еквівалентного АС - кола до входу узгоджувального підсилювача та загального проводу схеми.The invention is based on the task of expanding the operating frequency range by choosing the location of the electrodes on the surface of the piezo element, as well as connecting the equivalent AC circuit to the input of the matching amplifier and the common wire of the circuit.

Перетворювач, що заявляється містить п'єзоелемент з двома електродами та узгоджувальний підсилювач.The claimed transducer contains a piezo element with two electrodes and a matching amplifier.

Перетворювач відрізняється тим, що п'єзоелемент виконаний у вигляді диску, поляризованого по товщині, оснащений ще двома електродами, всі електроди виконані у вигляді напівдисків, розташованих по два на торцьових поверхнях п'єзоелементу таким чином, що кожний електрод на другій торцьовій поверхні є проекцією електрода на першій поверхні, два електроди на одній поверхні п'єзоелементу з'єднані із входом та виходом узгоджувального підсилювача. Перетворювач також обладнаний АС - колом, причому резистор А дорівнює активному опору на резонансній частоті між електродами п'єзоелементу, які підключені до входу та виходу узгоджуючого підсилювача, а ємність С - відповідно ємності між цими ж електродами.The transducer is distinguished by the fact that the piezo element is made in the form of a disk, polarized in thickness, equipped with two more electrodes, all electrodes are made in the form of half disks, located in pairs on the end surfaces of the piezo element in such a way that each electrode on the second end surface is a projection electrode on the first surface, two electrodes on one surface of the piezoelectric element are connected to the input and output of the matching amplifier. The converter is also equipped with an AC circuit, and the resistor A is equal to the active resistance at the resonance frequency between the electrodes of the piezo element, which are connected to the input and output of the matching amplifier, and the capacitance C is equal to the capacitance between the same electrodes.

Усі перераховані ознаки є необхідними та достатніми для досягнення технічного результату.All the listed signs are necessary and sufficient to achieve a technical result.

Технічним результатом винаходу є розширення робочого діапазону частот.The technical result of the invention is the expansion of the working frequency range.

Винахід пояснюється кресленнями, де: на фіг.1 показана електрична схема перетворювача, що заявляється; на фіг.2 - розташування електродів на торцьовій поверхні п'єзоелементу; на фіг.3 зображена амплітудно-частотна характеристика перетворювача (крива 1 - АЧХ прототипу; крива 2 -The invention is explained by the drawings, where: Fig. 1 shows the electrical circuit of the claimed converter; in Fig. 2 - the location of the electrodes on the end surface of the piezo element; Fig. 3 shows the amplitude-frequency characteristic of the converter (curve 1 - frequency response of the prototype; curve 2 -

АЧХ перетворювача, що заявляється).frequency response of the converter being applied).

П'єзоелектричний перетворювач механічних величин (фіг.1) містить п'єзоелемент 1, виконаний у вигляді диска, поляризованого по товщині, з чотирма електродами 2, 3, 4, 5 у вигляді напівдисків (фіг.2), а також узгоджувальний підсилювач 6, причому електроди 2, З з'єднані із входом 7 та виходом 8 підсилювача відповідно.The piezoelectric transducer of mechanical quantities (Fig. 1) contains a piezoelectric element 1, made in the form of a disk, polarized in thickness, with four electrodes 2, 3, 4, 5 in the form of half disks (Fig. 2), as well as a matching amplifier 6 , and electrodes 2, C are connected to input 7 and output 8 of the amplifier, respectively.

Перетворювач містить також ВАС - коло, з'єднаний із входом узгоджувального підсилювача та загальним проводом схеми.The converter also contains a VAS - a circuit connected to the input of the matching amplifier and the common wire of the circuit.

Перетворювач працює наступним чином. Механічний вплив Е (сила, тиск, прискорення та ін.) створює на електродах 2, 3, 4, 5 п'єзоелементу 1 електричну напругу, яка підсилюється узгоджувальним підсилювачем 6.The converter works as follows. The mechanical effect E (force, pressure, acceleration, etc.) creates an electric voltage on electrodes 2, 3, 4, 5 of piezo element 1, which is amplified by matching amplifier 6.

Виконання електродів у вигляді напівдисків та розташування їх на торцьових поверхнях п'єзоелементу так, як це показано на фіг.2, призводить до лінеаризації амплітудно-частотної характеристики перетворювача, тобто до розширення робочого діапазону частот, при цьому підвищується чутливість перетворювача.Making the electrodes in the form of half disks and placing them on the end surfaces of the piezo element as shown in Fig. 2 leads to the linearization of the amplitude-frequency characteristic of the transducer, that is, to the expansion of the operating frequency range, while the sensitivity of the transducer increases.

Вектор напруженості електричного поля вихідного сигналу створює з вектором поляризації Р кут с, причомуThe electric field intensity vector of the output signal creates an angle c with the polarization vector P, and

Осссок902, Це, як показали експерименти, приводить до збільшення власного опору п'єзоелементу перетворювача (внутрішнього тертя), за рахунок чого коливальний п'єзокерамічний елемент перетворюється в аперіодичний ланцюг. В результаті цього амплітудно-частотна характеристика п'єзоперетворювача вирівнюється (зникає резонанс), а отже, розширюється робочий діапазон частот.Osssok902, This, as experiments have shown, leads to an increase in the intrinsic resistance of the piezo element of 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 equalized (resonance disappears), and therefore, the operating frequency range is expanded.

Причина зміни власного опору пов'язана з впливом упорядкованої доменної структури поляризованої п'єзокераміки на рух носіїв заряду - активний опір втрат уздовж вектора поляризації в кілька разів менше тієї ж величини, яка обміряна перпендикулярно вектору поляризації.The reason for the change in intrinsic resistance is related to the influence of the ordered domain structure of polarized piezoceramics on the movement of charge carriers - the active resistance of losses along the polarization vector is several times less than the same value, which is measured perpendicular to the polarization vector.

Використання ВС - кола на вході узгоджувального підсилювача дозволило досягти повної лінеаризації АЧХ, тобто розширити робочий частотний діапазон та підвищити чутливість перетворювача.The use of a VS circuit at the input of the matching amplifier made it possible to achieve full frequency response linearization, that is, to expand the operating frequency range and increase the sensitivity of the converter.

Приклад конкретного застосування.An example of a specific application.

Був виготовлений п'єзоелектричний перетворювач механічних величин, який містить дисковий п'єзоелемент діаметром 30 та товщиною 0,8мм, поляризований по товщині, та узгоджувальний підсилювач, зібраний на мікросхемі К140УДЗ (вхідний опір 1, 8мМОМм).A piezoelectric transducer of mechanical quantities was produced, which contains a disk piezoelectric element with a diameter of 30 and a thickness of 0.8 mm, polarized by thickness, and a matching amplifier assembled on a K140UDZ chip (input resistance of 1.8 mΩm).

Електроди у вигляді напівдисків були розташовані по два на торцьових поверхнях п'єзоелементу таким чином, що кожний електрод на другій торцьовій поверхні є проекцією електрода на першій поверхні, два електроди на одній поверхні п'єзоелементу були підключені до входу та виходу узгоджувального підсилювача.Electrodes in the form of half disks were located two by two on the end surfaces of the piezo element in such a way that each electrode on the second end surface is a projection of the electrode on the first surface, two electrodes on one surface of the piezo element were connected to the input and output of the matching amplifier.

Перетворювач був обладнаний АС - колом, який був підключений до входу підсилювача та загального проводу схеми.The converter was equipped with an AC circuit, which was connected to the input of the amplifier and the common wire of the circuit.

Для прототипу - перетворювач мав резонансну частоту 70,2кГуц та 14ОкГц (фіг.3, крива 1), причому відношення між напругою на резонансній частоті та в дорезонансній області складало більш 20дБ. Для перетворювача, що заявляється, резонанс був подавлений (фіг.3, крива 2), а відношення сигналу на частоті 70,2кГуц та в дорезонансній області складало всього 0,бдБ, причому АЧХ стала лінійна в діапазоні від 20Гц до 200кГц.For the prototype, the converter had a resonance frequency of 70.2 kHz and 14 kHz (Fig. 3, curve 1), and the ratio between the voltage at the resonance frequency and in the pre-resonance region was more than 20 dB. For the claimed converter, the resonance was suppressed (Fig. 3, curve 2), and the signal ratio at the frequency of 70.2 kHz and in the pre-resonance region was only 0.bdB, and the frequency response became linear in the range from 20 Hz to 200 kHz.

4 у ж; п , шл ! ра4 in the same; p, shl! ra

Р тR t

ПО ЗAccording to Z

37 (3 6 т І ач нн нмввввн я а37 (3 6 t I ach nn nmvvvn i a

Ко стCo. Art

НЕ Ї :NOT HER:

Н Гах ши фо оноN Gah shi fo ono

Фіг. 1 4 р з З нд ПриFig. 1 4 y from Z nd Pry

Р Ж 5 Й. | ;R Z 5 Y. | ;

Фіг. 2Fig. 2

А. от.A. ot.

ЩІ иWhat and

ЙAND

ЩІ 2 і ЩЕ й пн и в і / Пе і ЩІ і: ще м коня 702 140,0 ЕхSHII 2 and ШЭ и пн и и и / Pe and ШИ и: still m of horse 702 140.0 Ex

Фіг. ЗFig. WITH

Claims

Piezoelectric transducer of mechanical quantities, containing a piezo element with two electrodes and a matching amplifier, and the electrodes of the piezo element are connected to the input and output of the amplifier, which is characterized by the fact that the piezo element is made in the form of a disk, polarized in thickness, equipped with by two electrodes, and all the electrodes are made in the form of half-discs, located two on the end surfaces of the piezo element in such a way that each electrode on the second end surface is a projection of an electrode on the first surface, and two electrodes on one surface of the piezo element are connected to the input and output of the matching amplifier, in addition, the converter is also equipped with an AC circuit, and the resistor A is equal to the active resistance at the resonance frequency between the electrodes of the piezo element, which are connected to the input and output of the matching amplifier, and the capacitance C is the capacitance between the same electrodes.