Композиционный перфорированный пьезоэлемент в.м.петрова

Композиционный перфорированный пьезоэлемент в.м.петрова

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

А1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (м 4 H 0! L 4!/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР пО делАм изОБретений и ОтнРытий

ЯЩ.(3Н)31 4Я

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (54) КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПЕРФОРИРОВАННЫЙ

ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ В.M.ÏEÒÐÎÂÀ (57) Изобретение относится к пьезотехнике и позволяет повысить пьезочувствительность и технологичность

Н A BTGPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3721694/24-10 (22) 04. 04. 84 (46) 07.10 86. Вюл. 11 37 (72) В.H.Ïåòðîâ (53) 681.325(088.8) (56) Патент Японии - 51-7318, кл. Н О! L 41/18, опублик. 1976.

Патент США N 4422003, кл. Н 01 L 41/08, опублик. 1983. изготовления пьезоэлемента. На одной рабочей поверхности основания

1 выполнено сетчатое рифление в виде выступов 4 и углублений 5, запол.ненных диэлектриком. Рифление вызывает уменьшение емкости пьезоэлемента при механической нагрузке, перпендикулярной электродам 2, 3. Варьируя размер выступов 4 и форму их боковых стенок, изменяют величину коэффициента увеличения пьезочувствительности. Рифленое пьезокерамическое основание изготавливается прессованием или литьем шликера в форму с по— следующим обжигом. 1 ил.

1262598

40

50

Изобретение относится к пьезотехнйке и касается приемных пьезоэлементов для использования их в качестве датчиков давления, силы, ускорений, сейсмических колебаний, 5 для приемников гидролокаторов, ультразвуковых дефектоскопов, томогра1 фов и т.п.

Цель изобретения — повышение пьезочувствительности и технологичности изготовления.

На чертеже показан пьезоэлемент разрез.

Пьезоэлемент содержит основание

1 из пьезокерамики (например, ЦТС ) и электроды 2 и 3. Керамическому осно-. ванию 1 придана форма пьезоэлемента: диска, пластины, полого цилиндра (трубы) сферы. Одна рабочая поверхность основания 1 гладкая, на нее нанесен электрод 2, а вторая — рифленая, на ней образованы выступы 4 и углубления 5. Последние заполнены упругоподатливым диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью.

Механическая нагружа, перпендикулярная электродам пьезоэлемента, полностью прикладывается к керамической основе, вследствии чего пьезомодуль d пьезоэлемента близок к пье. К эомодулю а монолитной керамики. EMкость пьезоэлемента в результате рифления уменьшается в К раз, где K может достигать 10 — 100. Это обеспечивает повышение пьезочувствитель — 35 ности по напряжению в К раз по сравнению с монолитным пьезоэлементом с гладкими рабочими поверхностями у керамики

У= gÄh= 1„/С где С вЂ” емкость на единицу площади рифленого пьезоэлемента.

Пьезоэлемент работает следующим образом.

При приложении вдоль оси Z, пер- . пендикулярной электроду 3, давления Р ввиду малой упругости диэлектрика, заполняющего углубления 5, вся нагрузка оказывается приложенной к керамическому основанию .1.

Механическое напряжение в произвольном сечении Z равно . б „(Z) рП (), 55 где S(Z) -- площадь сечения керамики, приходящаяся на единицу площади пьезоэлемента.

В нерифленой части основания (О Z с) S (Z) = 1, а в рифленой (с4 z h где h — расстояние между электродами) S(Z) =х (Z) /а, если сечение выступов 4 имеет форму квадрата со стороной Х равной у основания a . За счет прямого пьезоэффекта в пьезокерамике основания 1 генерируется электрическое поле, .напряженность которого в сечении Z равно на

P(Z) .= g .б (Z), „g эз модуль керамики. Напряжение между электродами, возникающее при действии давления, равно

h 4 ч = J E(Z)/Z =g ср+ d /pj

K к х 1 dZ

3з ц х Я) с

Напряжение с электродов подается на усилитель с высоким входным сопротивлением и малой емкостью, обеспечивающий режим холостого хода работы пьезоэлемента. В этом случае вели-. чина пьезочувствительности равна

h к (<1 >

М зз J х (Z) с

Коэффициент увеличения пьезочувствительности за счет применения рифления К составляет

k=(/f = + к с а 1 dZ

Ь Ь 1 (Z) с и показывает, во сколько раз пьезочувствительность данного пьезоэлемента больше пьезочувствительности пьезоэлемента толщины h с гладкой рабочей поверхностью, изготовленного на базе пьезокерамики.

Численные значения коэффициента

К зависят от формы и размеров выступов 4 на рифленой поверхности пьезокерамики, а главным образом от отношения а/Ь, при котором еще выполняется сформулированное условие на модуль Юнга и диэлектрическую проницаемость диэлектрика, заполняющего углубления 5, составляет 10 — 30 (типовые значения E = 1800, Я = 2, С = llew ГПа, а для эластомеров

С с1 ГПа), Если ширина выступов изменяется по линейному закону с. высотой Z, т.е. х = Ь + (а —.Ь) (h — Е)/(h — с), то коэффициент увеличения пьезочувствительности

1262598. 4 перечной механической нагрузке (вдоль оси 1), в пьезокерамике имеет отрицательный знак и по модулю близок к

8 " /2. В данном пьезоэлементе при поЯ перечной нагрузке рифленая часть не работает, и пьезомодуль g g, мал, в связи с чем значение g > близко к g

Следовательно, элемент может быть использован как преобразователь не только одноосного, но н всестороннего давления.

Преимуществом предлагаемого пьезоэлемента по сравнению с известным является близость его акустического волнового сопротивления со стороны рифленой части к акустическому волновому сопротивлению воды и подобных сред. Поэтому отпадает необходимость применения согласующих трансформаторов.

Рифленая пьезокерамическая основа изготавливается по обычной керамической технологии, как и нерифленая— прессованием или литьем шликера в форму с .последующим обжигом. Поэтому стоимость пьезоэлемента не превышает стоимости .монолитного пьезоэлемента с гладкой рабочей поверхностью (за счет усложнения формы стоимость несколько возрастает, однако за счет экономии пьезокерамики снижается) . с,. а с

k = †- + --- (1 — †-)

h Ь h

35 а с

)(л () --) () + — — — -)

2Ь . h 2 1 Ь

Составитель Г.Загубный

Редактор О.Головач Техред Л.Сердюкова Корректор Л.Патай

Заказ 5438/52 Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета .СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-,35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4

Чем больше отношение а/Ь,. тем выше пьезочувствительность. Так, для

4/b = 10 пьезочувствительность воз5 растает в 7,3 раза по сравнению с пьезоэлементом тех же размеров без рифления поверхности керамики (отношение с/h всюду принимается равным

0,3) . При отношении а/Ь = 30 коэффициент возрастания пьезочувствительности составляет К = 21.

Значительно большее увеличение пьеэочувствительности достигается в

15 том случае, когда боковые стенки выступов рифления имеют вогнутую форму. Например, если ширина выступов изменяется с высотой по экспонен— циальному закону, т.е. x(Z)=Ь (g(hехР l 1 а

-Z) < где К =-- — — 1п — —, то коэфh-с Ь фициент усиления составляет с а — b h — с 1

2 2

k — — -+- — — °

h Zb h 1n (а/Ь) 25

При отношении а/b=)0 и с/h=0,3 величина k = 15, если же а/Ь=ЗО, то

К= 93.

Рассмотрим параболическую форму боковых стенок выступов, когда x(Z) =

Ь + (a — Ь) (h — Z) / (h — с) . B этом случае увеличение пьезочувствительности по сравнению с известным составляет

Для a/b = 10 величина k = 21, а для o/Ú = 30 К = 100.

Еще большие значения увеличения гидростатической пьезочувствительности могут быть получены при значении )) ), g> h. Гидростатический пьезомодуль монолитных пьезоэлемен- 45 к к тов g > = g>z+ 2я „на порядок меньше g>» так как g, характеризующий напряжение на электродах при поФормула изобретения

Композиционный перфорированный пьезоэлемент, состоящий из пьезокерамической основы с перфорацией, выполненной перпендикулярно направлению остаточной поляризации основы и заполненной диэлектриком, а также из электродов, нанесенных на рабочие поверхности пьезоэлемента, о т л и ч аю щ.и и с я тем, что, с целью повышения пьезочувствительности и технологичности изготовления, перфорация выполнена в виде сетчатого рифления .на одной рабочей поверхности пьезокерамической основы.