Пьезоэлектрический преобразователь силы

Изобретение относится к приборостроению и может быть использованодля силоизмерительных и массоизмерительных устройств.Цель изобретения - повышение чувствительности.На чертеже представлена функциональная схема преобразователя.Преобразователь содержит пьезоэлемент 1 с кристаллодержателями 2,подключенными к автогенератору 3,соединенному с индикатором 4.Кристаллодержатель 2 выполнен ввиде магнитных чашек 5 с центральными направляющими отверстиями 6, вкоторых установлены перемещаемые штыри 7, на внутренних концах которыхукреплены сменные наконечники-электроды 8, электрически изолированные 20посредством прокладок 9 от перемещаемых штырей 7.Магнитные чашки 5 удерживаются напассивной части 10 пьезоэлемента 1с помощью магнитных сил, действующих через тело пьезоэлемента 1, поскольку магнитные полюса М и Б магнитных чашек 5 ориентированы разноименными полюсами между собой.Возбуждаемая часть 11 пьезоэлемента 1 (локализованная зона пьезоэлектрических колебаний), находящаясямежду сменными наконечниками-электродами 8, имеет ограниченный объеми габариты, определяемые зоной пе 35рекрытия внешних частей сменных наконечников - электродов 8, подключенныхчерез гермовыводы 12 к автогенератору 3, Магнитные чашки 5 и перемещаемые штыри 7 в местах механическогосоединения фиксируются с помощью магнитного герметичного шва 3, которыйобеспечивает герметичность камер 14и соответственно возможность создания вакуума или нейтральной средытолько в зоне возбуждаемой части 1145пьезоэлемента 1 (а не всего пьезоэлемента 1), что позволяет уменьшитьобъем, массу и габариты устройстваза счет исключения корпуса устройства. Вакуумирование или заполнение Я 1объема камеры 14 возбуждаемой части11 пьезоэлемента 1 нейтральным газом(например, гелием) произвОдится помещением пьезоэлемента 1 в вакуум (илинейтральную среду), где выполняетсягерметизация указанного объема посредством наложения герметизирующегошва 13,Пьезоэлемент 1 пьезореэонансного преобразователя силы установлен между основанием 15 и нагрузочным фланцем 16, на котором установлен силопередающий элемент 17, к которому прикладывается измеряемая сила Р. 00 нагрузочная осьАвтогенератор 3 может быть выполнен на серийных элементах, например микросхемах.В качестве индикатора 4 может быть использован частотомер - электронносчетныйПьезоэлемент 1 может быть изготовлен из искусственного пьезоэлектрического кварца.Работа устройства основана на прямом и обратном пьезоэлектрических эффектах.Перед работой от блока питания (не показан) подается напряжение на автогенератор 3 и индикатор 4.Автогенератор 3 посредством электрического поля, созданного между двумя сменными наконечниками-электродами 8, возбуждает пьезоэлектрические колебания в локализованной зоне 11пьезоэлемента 1,Размер сменных наконечников-электродов 8 может быть различным (сменяемым) и в зависимости от необходимых размеров (площади) локализованной эоны (подэлектродной зоны пьезоэлектрических колебаний), Расстояниесменных наконечников-электродов 8 отглавных граней пьезоэлемента можетбыть также различным в зависимости отустановки требуемой напряженностиэлектрического поля, необходимой длястабильного (но не перенапряженного)режима автоколебаний.После возбуждения пьезоэлектрических колебаний в локализованной зонепьезоэлемента 1 устанавливается чувствительность устройства посредствомперемещения магнитных чашек 5 повертикали и по горизонтали при воздействии единичным грузом (или заданием единичной силы) на силопередающий элемент 17.Перемещение магнитных чашек 5 производится относительно оси 00 и граней пьезоэлемента так, чтобы силамагнитного взаимопритяжения обеспечивала их удержание на гранях пьезоэлемента 1,После выбора и установки требуемойчувствительности магнитные чашки 5 и(1) где ь 1К прирост частоты;пьезочастотный коэффициент (зависит от ориентации относительно пьезочастотных осей);прирост силы 1начальное значение частоты; поперечное сечение пьезоэлемента;номер обертона;коэффициент полезного действия заделки (при жесткойзаделке Ч, = 1)е 30 ьР о 0 35 Составитель А. ЭкономовРедактор С, Патрушева ТехредЛ.Олийнык Корректор М. Максимишинец Заказ 2598/40 Тираж 847 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 3 13977 металлические наконечники 8 фиксируются в заданном положении посредством наложения на их внешние части герметизирующего магнитного шва в вакуумной среде (или среде с нейтральным газом)К силопередающему элементу 17 (вместо единичного усилия) прикладывается измеряемое усилие (или производится воздействие с помощью измеряемой массы) Р в направлении нагруэочной оси 00 , которое в силу действия пьезочастотного эффекта) увеличивает частоту пьезоэлектрических колебаний в локализованной зЬне пьезоэлемента, которые снимаются через автогенератор 3 на индикатор 4.Прирост частоты пьезоэлектрических колебаний пьезоэлемента от приложенО ной силы имеет прямо пропорциональную зависимость, поэтому увеличение силы вызывает соответствующее повышение прироста частоты ЬГ2ьР У,= К0 п Поскольку монокристаллическийпьезокварц обладает упругими свойствами, близкими к идеальным (стабильность упругих коэффициентов, отсутствие гистерезиса, строгая линейность зависимости деформации от механического напряжения и др,), то исключение из нагрузочкой цепи шунтирующих инородных элементов (металличес-,кого герметизирующего корпуса, кристаллодержателей и др.) обеспечивает(при наличии вакуумной или нейтральной среды для колебающейся локализованной зоны) благоприятные условиядля сохранения добротности и стабильности режимов преобразования,При воздействии на пьезоэлементсилы деформации на локализованную зону 11 передаются по объему пьезоэлемента 1 и крепление магнитных чашек5 на внешних поверхцостях пассивнойчасти 10 пьезоэлемента 1 не вноситискажений вектора силы.После прекращения действия силы Рпоказания индикатора возвращаются кисходному значению,Формула изобретенияПьезоэлектрический преобразователь силы, содержащий пьезоэлементс силовводящими элементами, электроды, расположенные на держателях ивключенные в измерительную схему,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения чувствительности,держатели выполнены в виде магнитных чашек с направляющими отверстиями, в которых подвижно установленыштыри с электрически изопированнымиот них электродами.