Преобразователь постоянных и медленно изменяющихся напряжений

Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 02.10.81 (21) 3341430/18-10 3%) М. КЛ,з О 01 Ь 1/16 с присоединением заявки Мо(23) Приоритет Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 28.02.8325 30 Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения и преобразования постоянных и медленноизменяющихся напряжений, давлений и может быть использовано в системах автоматического управления и регулирования и т.д. Известно устройство, содержащее источник питания, колебательный контур, генератор и усилитель, В таком устройстве используется возбуждение управляемого пьезоэлемента в режиме автоколебаний или вынужденных колебаний 1) . Недостатком устройства является низкая точность из-эа временной и температурной нестабильности элементов, а также невысокое значение выходной мощности.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь постоянных и медленно- изменяющихся напряжений, содержащий столбик пьеэопластин с прокладками и электродами между ними, электрически соединенных параллельно и подключенных к измерительному прибору 2) . Недостатком устройства являетсянизкая точность за счет невысокой выходной мощности.5 Цель изобретения - повышение точности измерения за счет повышенияуровня выходного сигнала,Поставленная цель достигается тем,что устройство снабжено дополнительными столбиками пьезопластин, крышками, опорными пластинами с ячейками,механическим . модулятором и вентилями, с помощью которых столбики пьезопластин электрически соединены с из"мерительным прибором, при этом пьезо"пластины расположены в ячейках опорных пластин и закрыты через прокладки крышками, связанными через подшипники качения с механическим модулято 2 О" Механический модулятор выполнен в виде ползуна с направляющими выступами, расположенными в пазах опорных пластин, и двусторонними продольными пазами, в которых размещены подшипники качения, при этом полэун свя-, зан с механическим приводом, а ячейки в опорных пластинах расположены на линиях, параллельных продольным пазам ползуна.Механический модулятор может бытьвыполнен в виде диска с.пазами, жест-ко соединенного с валом двигателя ирасполохенного между опорными пластинами, при этом в пазах диска за"креплены подшипники качения, а ячейки в опорных пластинах расположенына окружностях с радиусом, равнымрадиусу расположения подшипников качения на диске.На фиг, 1 изображен преобразователь с механическим модулятором в виде ползуна, поперечное сечение; нафиг, 2 - то же,продольное сечение;на фиг. 3 - преобразователь с механическим модулятором в виде диска. 15Преобразователь с механическиммодулятором в виде ползуна содержитпьезоэлектрические элементы 1, крышки 2 и 2, прокладки 3, электроды 4от средних прокладок (на фиг. 2 показаны только для крайних слева прокладок), электрические вентили 5 и б,измерительный прибор и эквивалентвнешней нагрузки 7, опорные пластины (верхняя 8, нижняя 9) с ячейками 510 и продольными направдяющими пазами 11 и 12, двигатель 13, подшипники качения 14, плоский механизм свращательными и поступательными парами с одной степенью свободы, выполненный, например в виде кривошипно-шатунного механизма, и состоящего из кривошипа 15, шатуна 16 и ползуна 17Полэун представляет собой подвиж"ную пластину с двусторонними пазами 18 и 19 и направляющими выступами 20 и 21, расположенными в направ"ляющих пазах 11 и 12 опорных пластин8 и 9.В пазах 18 и 19 подвижной пласти" 4 Оны на осях 22 закреплены подшипникикачения 14 на глубине меньшей их радиуса, В ячейках 10 опорных пластинразмещены пьезоэлектрические элементы с прокладками 3 так, что средние прокладки, связанные с электродами 4, находятся под потенциаломзарядов одного знака (например, отрицательных, а положительные зарядыотводятся на корпус преобразовате"ля),Пьезопластины 1 закрепляются вячейках крышками так, что внутренние поверхности крышек опираются напрокладки, а внешние поверхностистрого на одном уровне в каждой плас-,тине через одну крышку соприкасаются снаружными кольцами подшипников 14,С помощью крышек 2 и 2 крепежных элементовl23 пьезопластинам обеспечивается предварительное начальное сжатие,60 Вал двигателя соединен с кривошйпом, а торцовые поверхности выступов 20 и 21 соприкасаются со стенками пазов 11 и 12 опорных пластин. Электроды 4 подсоединены к .прибору и нагрузке 7 через электрическиевентили 5 и б, Длина хода ползунавыбирается равной расстоянию междуцентрами двух соседних крышек,Опорные пластины 8 и 9 закрепленымежду собой с помощью крепежных эле-ментов 24, обеспечивающих начальноесжатие пьезоэлектрических элементов,Пьезопреобразователь с механическим модулятором в виде диска содержит пьезоэлектрические элементы 25,крышки 26, прокладки 27, электроды28 (на фиг. 3 показана схематичноэлектрическая связь) от средних прокладок, измерительный прибор и эквивалент нагрузки 29, опорные пласти"ны; верхнюю ЗО, нижнюю 31, располо"женную между ними подвижную пластину32, которые насахены на вал 33 двигателя 34.Подвижная пластина с валом связанажестко, например с помощью шпоночного соединения (не показано), В опорных пластинах и с обеих сторон в подвижной пластине в виде концентрических окружностей выполнены соответственно пазы 35 и 36. В пазах 36 подвиж.ной пластины 31 по радиальным направлениям на осях 37 закреплены подшипники качения 38 на глубине меньшейих радиуса. В пазах 35 опорных плас"тин закреплены пьезоэлектрическиеэлементы 25 так, что их внутренниеповерхности опираются на прокладки,а внешние на одном уровне в каждойпластине через одну крышку соприкасаются с наружными кольцами подшипни"ков 38. Электроды 28 к нагрузке 29подсоединены через электрическиевентили 39.Опорные пластины закреплены междусобой с помощью крепежных элементов40. Крышки крепятся крепежными элементами 41,Преобразователь постоянных и медленноизменяющихся напряжений с механическим модулятором в виде ползунаработает следующим образом,Прилагаемое внешнее воздействиечерез дно пластины 8 и 9, прокладки10, группу крышек 2 непосредственносоприкасающихся в данный момент сподшипниками 14, создает механическое напряжение и сжатие группы пьезоэлектрических элементов, находящих"ся под этими крышками.Благодаря этому на данных пьезоэлектрических элементах формируетсязаряд Я, через нагрузку проходитимпульс тока Эо, пропорциональныйприложенному внешнему воздвйствию.Другая группа пьезоэлектрическихэлементов, соседних с первыми и находящихся в ячейках с крышками 2в данный момент не испытывает внешнего воздействия и электрических за"рядов не формирует.В следующий момент плоский меха" 1 низм, совершая преобразование равно" мерного вращательного движения вала двигателя в прямолинейное возвратно- поступательное движение ползуна, смещает подвижную пластину на длину хода. Напряжение и сжатие пьезоэлектрических элементов в ячейках с крышками 2 снимается и соответственно на" гружаются соседние с нуми элементы в ячейках с крышками 2 . Благодаря этому на данных элементах формируется заряд Я и через нагрузку проходит импульс тока Э , пропорциональный приложенному внешнему воздействию.Затем в каждый последующий момент, 15 определяемый временем прямого Ъ или обратного То хода ползуна,происходит периодическое чередование нагрузки и разгрузки пьезоэлектрических элементов, Полный электрический ток, протекаю-20 щий через нагрузку 7, пропорционален сумме зарядов каждого из элементов 1, умноженной на частоту 2=1/2 Тпр.для центрального и й м 1/Тпр+Т р для смещенного механизма. Благодаря 25 этому достигается многократное формирование зарядов Я и мощности на пьезоэлементах в течение всего цикла воздействия постоянного или медленноизменяющегося напряжения и уже при малых оборотах вала двигателя п=10 об/мин) ток и мощность на нагрузку повышаются более чем на порядок. В этом случае составляющая погрешности от паразитных утечек и не 35 стабильности накопленного заряда практически исключается, что позволяет повысить точность измерения до 13,Предобразователь постоянных и мед- . ленноиэменяющихся напряжений с механическим модулятором в виде диска ра"40 ботает следующим образом.Прилагаемое внешнее воздействиечерез дно пластин 30 и 31 (фиг, 3),прокладки 27, группу крышек 26, непосредственно соприкасающихся в данный момент с подшипниками 38, создает механическое напряжение и сжатиегруппы пьезоэлектрических элементов,нодящ под им крышками, Благодаря этому на данных пьезоэлементах формируется заряд Я и через нагрузку проходит импульс тока, пропорциональный приложенному воздействию,Другая группа пьезоэлементов, сосед"них с первыми, в данный момент внешнего воздействия не испытывает и за"ряд на них не генерируется,Через промежуток времени То подвижная пластина, совершающая с валом.двигателя равномерное вращательное 60движение, разгружает нагруженные пье"зоэлементы и через подшипники соответственно передает внешнее давлениена соседние пьезоэлементы, На этихэлементах формируется заряд 0 и че- б 5 рез нагрузку проходит импульс тока,пропорциональный приложенному внешнему воздействию, В каждый последующий промежуток времени То происходитпериодическое чередование нагрузкии разгрузки пьезоэлементов. Полныйэлектрический ток и мощность, выделяемая на нагрузке 29, пропорциональнысумме зарядов каждого элемента25., умноженной на частоту 11/Тб.Преобразователь по второму варианту иэ-эаболее высокой линейностивыходного напряжения обеспечиваетболее высокую чувствительность иточность при измерении и преобразовании малых уровней давлений и напряжений, В этом случае его использование более предпочтительнее, чемпреобразователя по первому варианту,использование которого предпочтительней в условиях измерения и преобразования больших уровней давленйяи напряжений,Точность измерения и преобразования при использовании 9 пьезоэлементов по первому варианту 0,8-1%, но второму - 0,4.-0,6. Как показывают ,результаты испытаний опытных образ" цов, применение предлагаемого устройства в сравнении с базовым дозволяет повысить точность измеренйо,КПД а также и выходную мощность более чем на порядок, при том же числе используемых пьезоэлектрических элементов в диапазоне постоянных и медленноизменяющихся напряжений.формула изобретения1. Преобразователь постоянных и медленноизменяющихся напряжений, содержащий столбик пьезопластин с про" кладками и электродами между ними, электрически соединенных параллельно и подключенных к измерительному прибору, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с.целью повышения точности за счет повышения уровня выходного сигнала, он снабжен дополнительными столбиками пьезопластин, крышками, опорньпчи пластинами с ячейками, ме ханическим модулятором и вентилями, с помощью которых столбики пьезопластин электрически соединены с измери тельным прибором, при этом пьезоплас" тины расположены в ячейках опорных пластин и закрыты через прокладки крышками, связанными через подшипники качения с механическим модулятором.2, Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что механический модулятор выполнен в виде ползуна с направляющими выступами, рас" положенными в пазах опорных пластин, и двусторонними продольными пазами, 1000794в которых размещены подшипники качения, при этом ползун связан с механическим приводом, а ячейки в опорных пластинах расположены на линиях, параллельных продольным пазам ползуна.53. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что механический модулятор выполнен в виде диска с пазами, жестко соединенного с валом двигателя и расположенного между опорными пластинами, при этом в 1 пазах диска закреплены подшипникикачения, а ячейки в опорных пластинах расположены на окружностях срадиусом, равным радиусу расположения подшипников качения на диске.Источники информации,принятые во вниманиепри экспертизе1, Авторское свидетельство СССРР 779829, кл, 6 0 1 9/08, 1980,2, Авторское свидетельство СССРР 303539, кл, С 01 Ь 1/16, 17,01,69