195693. lajstromszámú szabadalom • Piezoelektromos rezgésérzékelő
1 195 693 2 A találmány tárgya piezoelektromos rezgésérzékelő, amelynek a mérendő testhez, csatlakoztatható tartórészc és ehhez piezoelektromos test közbeiktatásával ragasztással rögzített, tehetetlen tömeget képező terhelő eleme van. A 2 815 933 számú DE szabadalmi leírásban olyan rezgéscrz.ckclőt ismertetnek, amelynél egy piezoelektromos kerámiatest egy házban egy membrán közbeiktatásával rugalmasan van .felfüggesztve és egy hozzáragasztott csatolótestecskcvcl van ellátva, amely csatolólestecske a mérendő rezgő felülethez van hozzányomva. Ennél a kialakításnál a ház és a rezgő felület között rugalmas testet, például gumihabhól készült gyűrűt helyeznek el, hogy a ház rezgésének kedvezőtlen hatását kiküszöböljék. Ez a rezgésérzékelő az ún. akusztikus emissziós jelek ultrahang tartományban történő érzékelésére szolgál, az egész test gyorsulásának mérésére nem alkalmas. Hátránya ennek az elrendezésnek, hogy a membránhoz rögzített cr/ékelőrcsz külső behatásokra könnyen megsérül, és a mérés érzékenysége nagymértékben függ az elhelyezés pontosságától. Nem alkalmas továbbá magas hőmérsékleten rezgő felületek mérésére, mivel a gumihab gyűrű tönkremegy, a kcrámiatest pedig elveszti piezoelektromos tulajdonságát. A piezoelektromos kerámiatestek piezoelektromos állandója viszonylag nagy, így az ilyen rezgésérzékelők nagy érzékenységűre készíthetők. Hátrányuk azonban, hogy a piezoelektromos kerámiák polikristályos szerkezetűek, cs a rezgés által létrehozott deformáció mellett a rezgés megszűnése után megmarad egy tartós deformáció. Ez az. állapot nem definiálható, és ha a rezgésérzékelő munkapontját ide állítjuk be, a deformáció megváltoztatásakor akár pozitív, akár negatív töltés is felléphet. Eme munkaponti határozatlanságot az ismert elrendezésekben a piezoelektromos kerámiatest mechanikai előkészítésével szüntetik meg. A mechanikai előkészítést egyben az alkatrészek (tartórész, piezoelektromos kerámiatest, tehetetlen tömeget képező terhelődem) üsszeszorítására és rögzítésére is felhasználják. Ez mind a kompressziós típusú, mind pedig a nyíró típusú rezgésérzékelőknél igen szigorú követelményeket támaszt a felhasznált anyagok rugalmassági tulajdonságaival és hőtágulásával szemben. A rezgésérzékelő hosszú idejű változatlan érzékenységéhez a mechanikai dőfeszítesnek állandónak kell lennie. Idővel viszont a legtöbb anyag veszít rugalmasságából. Ennek következtében a piezoelektromos kerámiatest beállított munkapontja eltolódik, ami az érzékenység megváltozását okozza. A mechanikai clőfeszítésscl biztosított kötés, különösen a nagyfrekvenciás rezgések, esetén, nem mindig megbízható. Ez a hatás fokozottan jelentkezik, ha eltérő keménységű és rugalmasságú anyagokat szorítanak össze. A létrejövő kontaktus minősége nagymértékben függ az érintkező felületek érdességétől is. A szükséges szoros kötéshez optikai minőségű, polírozott felületek kellenek. A mechanikusan összes/.orított alkatrészek közötti szorítóerő nagymértékben megváltozhat továbbá a környezeti hőmérséklet változásával. Ezért a mechanikailag előfeszített típusú rezgésérzékelőkben olyan anyagokat kell használni, amelyek höíágulása nagyon közel áll az alkalmazott piezoelektromos kerámia hőtágulásához. Ez a követelmény szintén csak nehezen teljesíthető. A piezoelektromos kerámiák egyben pirodektromosak is, ezért — ha a kerámialap szemben lévő felületei egymástól eltérő hőmérsékletűek — ün. piroclektromos töltés is megjelenik, ami mérési hibát okoz. A piezoelektromos kerámiatestet tartalmazó rezgésérzékelők nem alkalmasak továbbá magas hőmérsékletű 2 testek rezgésének érzékelésére, mivel a piezoelektromos kerámia anyagok Curie-hőmérscklcte ahol a pie/odcklromos tulajdonságot elvesztik - viszonylag alacsony, maximum 350UC. Magas hőmérsékletű testek mérésénél ezért különleges intézkedések kellenek a rezgésérzékelő hőszigetelésére, ami viszont a rezgésérzékelő dinamikus tulajdonságait kedvezőtlenül befolyásolja. A találmány megalkotásakor azt a célt tűztük ki, hogy olyan rezgésérzékelőt hozzunk létre, amely magas hőmérsékleten is jól alkalmazható, időben stabil és gyártása nem annyira bonyolult, mint az említett mechanikailag, clőfeszított rezgésérzékelőké. A fenti eélt a találmány szerint úgy érjük el, hogy piezoelektromos testként megfelelő egykristályból kimetszett kristálylapot használunk, amelynél mechanikai előfcszítés nem szükséges, és a kristály lapot ragasztással rögzítjük. A találmány lehat piezoelektromos rezgésérzékelő, amelynek a mérendő testhez csatlakoztatható tartórészc és ehhez piezoelektromos test vagy testek közbeiktatásával ragasztással rögzített, tehetetlen tömeget képező egy vagy több terhdüelemc van, és az jellemzi, hogy a piezoelektromos lest a 3m kristályos/.tálybn tartozó egykristályból kimetszett, az érzékelendő rezgés irányában legalább 0,2 csatolási tényezőjű kristálylap, amely mind a lartórés/hez, mind'pedig a lerhdőelemhez egy-egy ragasztóréteg közbeiktatásával van rögzítve, amely ragasztóréteg vastagsága kisebb mint a kristálylap vastagságának egy tizede. Előnyösen alkalmazható a találmány szerinti rezgésérzékelőben lítiumniobát vagy lítiurntantalát egykristályból kimetszett kristálylap. Olyan cgykristályos. anyagok, amelyek piezoelektromos lukíjdonságúak, önmagukban már ismertek, lásd például Landolt -Börnsídn: Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group III, Voi. 11, Springer Verlag, Berlin Heidelberg- New York, 1979. c. kézikönyvet. Az cgykristályos piezoelektromos anyagok piezoelektromos állandója azonban kb. egy nagyságrenddel kisebb, mint a rezgésérzékelőkben általánosan alkalmazott piezoelektromos kerámiáké, ezért eddig a szokásos rezgésérzékelőkben piezoelektromos kerámiákat alkalmaztak, felismertük, hogy a kisebb érzékenység számos alkalmazási cselben nem jelent hátrányt, és a talák many szerint kiválasztott piezoldektromos egykristályoknak jelentős egyéb előnyei vannak a piezokerámiákhoz képest. Egyrészt a választott egykristály anyag magas Curie— --hőmérséklete, a piezokerámiákná! kisebb hőmérsékletfüggése és piroclektromos állandója folytán a rezgésérzékelő igen széles hőmérséklettartományban használható, másrészt nem szükséges mechanikai előfcszítés, ami jóval egyszerűbb ragasztásos kialakítást és gyártástechnológiát tesz lehetővé. Az egyszerű mechanikai fdépítés és a nagy V'álló'ág kö/vetlenebb csatlakoztatást tesz lehetővé a mérendő testhez, ami a rezgésérzékdés dinamikus tulajdonságai szempontjából i.s előnyös. A mechanikai előfcszítés elmaradása teljesen kiküszöböli azokat az időbeli instabilitásokat, amelyekkel az. előfeszített piezokerámia testtel ellátott rezgésérzékelők rendelkeznek. A találmány szerinti rezgésérzékelőben hőálló és jó statikai és dinamikai szilárdságú ragasztól kell használni. Ilyen például az önmagában ismeri térhálós fenolgyanta, poliészter” y an la, poliakiilátgyanta, poliimidgyanta vagy kerámia alapú ragasztóanyag.. A ragasztórétegnek a találmány szerinti vékony kialakítása egyrészt azétt.szükséges, hogy az általa csatlakoztatott testek között nagy legyen a kapacitás és így a lehető legnagyobb legyen a rezgésérzéke-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
