Пьезоэлектрический преобразователь для высокотемпературных измерений

Изобретение относится к измерительным устройствам и предназначено для работы в датчиках вибрации и давления.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит две жесткосоединенные пьезоэлектрические пластины и основание, выполненное из идентичного с пьезопластинами материала в виде полого цилиндра, к которому жестко присоединена одна из пьезопластин.

Пьезопластины имеют электроды, радиус которых лежит в интервале от 0,6 до 0,7 от внутреннего радиуса основания.

Устройство обладает возможностью работать при высоких температурах и может быть использовано в авиационно-космической технике.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в качестве чувствительного элемента датчиков вибрации и акустического давления.

Известен пьезоэлектрический преобразователь с биморфным пьезоэлементом, использующим деформацию изгиба [1]. Преобразователь имеет малую поперечную чувствительность и высокую чувствительность к вибрации и давлению в рабочем направлении.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический преобразователь [2]. Двухслойная конструкция изгибного пьезоэлемента выполнена путем диффузионной сварки отдельных элементов (пьезоэлектрических пластин) по серебряному покрытию, что обеспечивает низкий разброс по коэффициенту преобразования.

Однако, известный преобразователь имеет малый рабочий температурный диапазон. Указанный недостаток обусловлен тем, что при закреплении известного преобразователя в металлический корпус конкретного датчика (крепление осуществляется либо металлическим винтом через центральное отверстие, либо с помощью клея на металлическую поверхность корпуса) из-за различных коэффициентов температурного расширения материала преобразователя (пьезокерамики) и материала корпуса (металла) возникают нежелательные механические напряжения, величина которых может превысить допустимые.

Заявляемый в качестве изобретения пьезоэлектрический преобразователь позволит устранить этот недостаток и расширить рабочую температурную область.

Указанный технический эффект достигается тем, что пьезоэлектрический преобразователь, имеющий две жестко соединенные пьезоэлектрические пластины, содержит основание, выполненное в виде полого цилиндра из идентичного с пьезопластинами материала, к торцевой поверхности которого жестко закреплена одна из пьезопластин и радиус электродов, нанесенных на несоприкасаемые поверхности пьезопластин выбирают из условия 0,6 RR_э0,7 R, где R - радиус внутренней полости основания, R _э - радиус электродов.

Создание нового пьезоэлектрического преобразователя стало возможным благодаря введению в конструкцию нового элемента -основания, выполненного из того же материала, что и пьезопластины, закреплению на этом основании пьезопластин, а также нанесению на противоположные относительно плоскости соприкосновения поверхности пьезопластин электродов конкретного размера.

Такое конструктивное решение принципиально устраняет основной недостаток прототипа - наличие деструктивных механических напряжений,

обусловленных разными температурными коэффициентами линейного расширения пьезопластин и элемента крепления. В предложенной конструкции функцию элемента крепления выполняет новый элемент - основание. Кроме того, за счет использования конкретных размеров электродов выбирается оптимальная рабочая зона пьезопластин, в которой механические напряжения, обусловленные воздействием измеряемого сигнала, максимальны.

Таким образом, введение в состав конструкции основания, выполненного в виде полого цилиндра из идентичного с пьезопластинами материала, закрепление к торцевой поверхности пьезопластин, а также нанесение на несоприкасаемые поверхности пьезопластин электродов, радиус R _э которых находится в пределах 0,6 RR_э0,7 R, где R - радиус внутренней поверхности основания, обеспечивают достижение основного технического эффекта - существенное расширение рабочей температурной области пьезоэлектрического преобразователя. Это обеспечивается за счет того, что исключено использование в конструкции жесткого соединения двух тел, выполненных из разнородных материалов.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом фиг.1 и таблицей. На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого пьезоэлектрического преобразователя. В таблице представлена зависимость эффективности преобразователя от радиуса электродов.

Пьезоэлектрический преобразователь содержит две пьезопластины 1, основание 2. Пьезопластины 1 жестко соединены между собой методом диффузионной сварки по серебру соприкасающимися поверхностями 3. Пьезопластины 1 и основание 2 соединены методом диффузионной сварки по серебру по поверхности 4. Пьезопластины 1 имеют серебряные электроды 5, нанесенные на противоположные грани, и общий электрод 3, по которому осуществлена сварка. Пьезопластины 1 поляризованы по объему, ограниченному электродами 5.

Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом. При воздействии на него внешнего механического сигнала (например давления Р, как это показано на фиг.1) пьезопластины изгибаются и в их объеме возникают изгибные механические напряжения, которые благодаря явлению пьезоэффекта, приводят к возникновению электрического заряда на электродах 3 и 5, пропорциональному величине воздействия Р.

Следовательно, преобразователь выполняет свою основную задачу - преобразования механического сигнала в измеряемое электрическое напряжение. Поскольку в преобразователе рабочие пьезопластины закреплены к месту крепления - основанию, выполненному из идентичного материала, устранена принципиальная возможность возникновения в месте крепления паразитных» механических напряжений, обусловленных температурными расширениями.

Проведены сравнительные испытания преобразователей с различной активной зоной (различными размерами электродов 5). Результаты

измерения эффективного коэффициента электромеханической связи К_е представлены в таблице 1

Как видно, эффективность преобразователя при выполнении условия 0,6 RR_э0,7 R максимальна.

Преимущества предлагаемого технического решения позволяют обеспечить измерение механических сигналов в широком диапазоне температур при оптимальной эффективности и применить его при измерении вибрации и давления, в частности в авиационно-космической технике.

Источники информации

1. Кузнецов А.А. Вибрационные испытания элементов и устройств автоматики - М.: Энергия, 1976, с.27-28.

2. Гориш А.В., Вусевкер Ю.А., Шевченко Л.А., Старостин В.Н. Низкочастотные пьезоэлектрические преобразователи виброизмерительных датчиков /Экология, мониторинг и рациональное природопользование/ Научн.тр. Вып. 288 (II). - М.: МГУЛеса, 1997, с.86-90.

Пьезоэлектрический преобразователь для высокотемпературных измерений, содержащий две жестко соединенные пьезоэлектрические пластины, отличающийся тем, что он содержит основание, выполненное в виде полого цилиндра из идентичного с пьезопластинами материала, к торцевой поверхности которого жестко закреплена одна из пьезопластин, а радиус электродов, нанесенных на несоприкасаемые поверхности пьезопластин, выбирают из условия 0,6 RR_э0,7 R, где R - радиус внутренней поверхности основания, R_э - радиус электрода.