[go: up one dir, main page]

RU2778161C1 - Method for increasing piezosensitivity of bending-type bimorphi - Google Patents

Method for increasing piezosensitivity of bending-type bimorphi Download PDF

Info

Publication number
RU2778161C1
RU2778161C1 RU2022101875A RU2022101875A RU2778161C1 RU 2778161 C1 RU2778161 C1 RU 2778161C1 RU 2022101875 A RU2022101875 A RU 2022101875A RU 2022101875 A RU2022101875 A RU 2022101875A RU 2778161 C1 RU2778161 C1 RU 2778161C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bimorph
mode
bending
type
flexible
Prior art date
Application number
RU2022101875A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Анатольевич Паньков
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778161C1 publication Critical patent/RU2778161C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: piezosensitivity increasing.
SUBSTANCE: invention relates to a method for increasing the piezosensitivity of a bending-type bimorph. To increase the piezosensitivity, a bending-type bimorph is used in two modes, namely: in the mode of a flexible piezoactuator and in the generator mode as a flexible piezoelectric sensor. In the piezoactuator mode, a control electromagnetic action is applied to the bimorph in order to mechanically influence the bimorph on external objects. In the piezoelectric sensor mode, the values ​​of the emerging informative electromagnetic signal of the bimorph are measured in order to measure the magnitude of the external force effect on the surface of the bimorph in a certain way.
EFFECT: increase in the piezosensitivity of the bimorph in the piezoactuator mode and an increase in the values of the emerging informative signal in the piezoelectric sensor mode for the case of a quasi-static or dynamic (cyclic) external influence are provided.
3 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к способу увеличения чувствительности пьезопреобразователя (пьезоэлектрического или магнитострикционного) биморфного типа (биморфа), а именно биморфного пьезоактюатора или биморфного пьезосенсора изгибного типа и предназначено для использования в микромеханике, электронике, управляемой оптике, медицине. The invention relates to a method for increasing the sensitivity of a piezoelectric transducer (piezoelectric or magnetostrictive) of a bimorph type (bimorph), namely a bimorph piezoactuator or a bending type bimorph piezosensor and is intended for use in micromechanics, electronics, controlled optics, medicine.

Известен способ увеличения пьезочувствительности пьезоэлемента изгибного типа [Никифоров В.Г., Климашин В.М., Сафронов А.Я. Биморфные пьезоэлектрические элементы: актюаторы и датчики// Компоненты и технологии. – 2003. - № 4. - С.46-48], при котором используют биморфные пьезоэлементы (биморфы) изгибного типа. Биморф состоит из двух или более соединенных друг с другом однородных пьезопластин равной толщины с одинаковой или противонаправленной поляризацией, внутренних и наружных электродов.Known way to increase the piezosensitivity bending type piezoelectric element [Nikiforov V.G., Klimashin V.M., Safronov A.Ya. Bimorphic piezoelectric elements: actuators and sensors // Components and technologies. - 2003. - No. 4. - S.46-48], in which bimorph piezoelements (bimorphs) of the bending type are used. The bimorph consists of two or more homogeneous piezoelectric plates of equal thickness connected to each other with the same or opposite polarization, internal and external electrodes.

Недостатком известного способа является малое повышение пьезочувствительности биморфа изгибного типа вследствие малости абсолютных значений пьезоэлектрических или магнитострикционных пьезоконстант материала слоев биморфа.The disadvantage of this method is a small increase in the piezosensitivity of the bending type bimorph due to the smallness of the absolute values of the piezoelectric or magnetostrictive piezoconstants of the material of the bimorph layers.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ повышения пьезочувствительности биморфа в составе конструкции [см. патент RU №2723567, опубл.: 16.06.2020], при котором гибкий биморф закрепляют на гибкой подложке (элементе конструкции – обшивке аэродинамического профиля лопасти), а повышение пьезочувствительности биморфа осуществляют посредством использования начального сжатия гибкой подложки. Биморф используют для работы в двух режимах: в режиме гибкого пьезоактюатора и в режиме генератора как гибкий пьезодатчик, при этом осуществляют начальное сжатие биморфа (опосредованно через сжатие его подложки), осуществляют (в режиме пьезоактюатора) приложение управляющего электрического напряжения

Figure 00000001
к электродам биморфа с целью механического воздействия биморфа на внешние объекты или осуществляют (в режиме гибкого датчика) измерение значений информативного электрического напряжения
Figure 00000002
или электрического заряда
Figure 00000003
на электродах биморфа с целью измерения величины внешнего силового воздействия.The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of the combination of features is a method for increasing the piezosensitivity of the bimorph as part of the structure [see. patent RU No. 2723567, publ.: 06/16/2020], in which the flexible bimorph is fixed on a flexible substrate (structural element - the skin of the airfoil of the blade), and the increase in the piezosensitivity of the bimorph is carried out by using the initial compression of the flexible substrate. The bimorph is used to operate in two modes: in the flexible piezoactuator mode and in the generator mode as a flexible piezoelectric sensor, while the initial compression of the bimorph is carried out (indirectly through compression of its substrate), and the control voltage is applied (in the piezoactuator mode)
Figure 00000001
to the bimorph electrodes in order to mechanically influence the bimorph on external objects or carry out (in the flexible sensor mode) measurement of the values of the informative electrical voltage
Figure 00000002
or electric charge
Figure 00000003
on the electrodes of the bimorph in order to measure the magnitude of the external force.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является малое повышение пьезочувствительности биморфа изгибного типа, вследствие опосредованного (через область контакта биморфа с подложкой) действия на биморф сжимающей нагрузки и наличия значительной изгибной жесткости подложки по отношению к изгибной жесткости биморфа.The disadvantage of the known method, taken as a prototype, is a small increase in the piezosensitivity of the bending type bimorph, due to the indirect (through the contact area of the bimorph with the substrate) action on the bimorph of the compressive load and the presence of significant bending rigidity of the substrate in relation to the bending rigidity of the bimorph.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения – используют биморф изгибного типа для работы в двух режимах: в режиме гибкого пьезоактюатора и в режиме генератора как гибкий пьезодатчик; осуществляют начальное сжатие биморфа; осуществляют в режиме пьезоактюатора приложение управляющего электромагнитного воздействия к биморфу с целью механического воздействия биморфа на внешние объекты или осуществляют в режиме пьезодатчика измерение значений возникающего информативного электромагнитного сигнала биморфа с целью измерения величины внешнего силового воздействия на поверхность биморфа.Signs of the prototype, coinciding with the essential features of the claimed invention - use a bending type bimorph to operate in two modes: in the mode of a flexible piezoactuator and in the generator mode as a flexible piezoelectric sensor; carry out the initial compression of the bimorph; carry out in the piezoactuator mode the application of a control electromagnetic action to the bimorph in order to mechanically influence the bimorph on external objects or carry out in mode piezoelectric sensor measuring the values of the emerging informative electromagnetic signal of the bimorph in order to measure the magnitude of the external force impact on the surface of the bimorph.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа увеличения пьезочувствительности биморфа изгибного типа с увеличением диапазона допустимых значений изгибных деформаций (прогибов) в режиме пьезоактюатора и с увеличением значений возникающего информативного электромагнитного сигнала биморфа в режиме пьезодатчика для случая квазистатического или динамического (циклического) внешнего воздействия.The problem to be solved by the invention is to create a method for increasing the piezosensitivity of a bending-type bimorph with an increase in the range of permissible values of bending deformations (deflections) in the piezoactuator mode and with an increase in the values of the emerging informative electromagnetic signal of the bimorph in the piezosensor mode for the case of a quasi-static or dynamic (cyclic) external impact.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе увеличения пьезочувствительности биморфа изгибного типа, при котором используют биморф изгибного типа для работы в двух режимах: в режиме гибкого пьезоактюатора и в режиме генератора как гибкий пьезодатчик, осуществляют начальное сжатие биморфа, осуществляют в режиме пьезоактюатора приложение управляющего электромагнитного воздействия к биморфу с целью механического воздействия биморфа на внешние объектыThe problem was solved due to the fact that in the known method of increasing the piezosensitivity of a bending-type bimorph, in which a bending-type bimorph is used to operate in two modes: in the mode of a flexible piezoactuator and in the generator mode as a flexible piezoelectric sensor, the initial compression of the bimorph is carried out, carried out in the mode piezoactuator application of a control electromagnetic action to the bimorph in order to mechanically influence the bimorph on external objects

или осуществляют в режиме пьезодатчика измерение значений возникающего информативного электромагнитного сигнала биморфа с целью измерения величины внешнего силового воздействия на поверхность биморфа, согласно изобретению используют непосредственное начальное сжатие биморфа вдоль нейтральной линии биморфа стержневого типа приложенной продольной силой P на торцах стержня или начальное сжатие биморфа в плоскости нейтрального слоя биморфа мембранного типа приложенным давлением p по внешнему контуру мембраны, при этом величина силы P < P1 или давления p < p1 начального сжатия меньше значения силы P1 или давления p1 потери устойчивости биморфа с учетом его геометрических, физико-механических характеристик и способа закрепления.or carry out in the piezo sensor mode the measurement of the values of the emerging informative electromagnetic signal of the bimorph in order to measure the magnitude of the external force effect on the surface of the bimorph, according to the invention, the direct initial compression of the bimorph along the neutral line of the rod-type bimorph by the applied longitudinal force P at the ends of the rod or the initial compression of the bimorph in the plane of the neutral layer of a membrane-type bimorph by the applied pressure p along the outer contour of the membrane, while the value of the force P < P 1 or the pressure p < p 1 of the initial compression is less than the value of the force P 1 or the pressure p 1 of the buckling of the bimorph, taking into account its geometric, physical and mechanical characteristics and fastening method.

В частности, используют пьезоэлектрический биморф изгибного типа для работы в двух режимах: в режиме гибкого пьезоэлектрического актюатора и в режиме генератора как гибкий пьезоэлектрический датчик, при этом осуществляют в режиме пьезоэлектрического актюатора приложение управляющего электрического напряжения

Figure 00000004
к электродам биморфа с целью механического воздействия биморфа на внешние объекты или осуществляют в режиме гибкого датчика измерение значений информативного электрического напряжения
Figure 00000005
или электрического заряда
Figure 00000006
на электродах биморфа с целью измерения величины внешнего силового воздействия на поверхность биморфа.In particular, a bending-type piezoelectric bimorph is used to operate in two modes: in the flexible piezoelectric actuator mode and in the generator mode as a flexible piezoelectric sensor, while in the piezoelectric actuator mode, a control voltage is applied
Figure 00000004
to the electrodes of the bimorph in order to mechanically influence the bimorph on external objects or carry out measurement in the flexible sensor mode informative electrical voltage
Figure 00000005
or electric charge
Figure 00000006
on the electrodes of the bimorph in order to measure the magnitude of the external force on the surface of the bimorph.

В частности, используют магнитострикционный биморф изгибного типа для работы в режиме гибкого пьезоэлектрического актюатора, при этом осуществляют приложение управляющего магнитного поля к биморфу.In particular, a bending-type magnetostrictive bimorph is used to operate in the mode of a flexible piezoelectric actuator, while applying a control magnetic field to the bimorph.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, – используют непосредственное начальное сжатие биморфа вдоль нейтральной линии биморфа стержневого типа приложенной продольной силой P на торцах стержня или начальное сжатие биморфа в плоскости нейтрального слоя биморфа мембранного типа приложенным давлением p по внешнему контуру мембраны, при этом величина силы P < P 1 или давления p < p 1 начального сжатия меньше значения силы P 1 или давления p 1 потери устойчивости биморфа с учетом его геометрических, физико-механических характеристик и способа закрепления; используют пьезоэлектрический биморф изгибного типа для работы в двух режимах: в режиме гибкого пьезоэлектрического актюатора и в режиме генератора как гибкий пьезоэлектрический датчик, при этом осуществляют в режиме пьезоэлектрического актюатора приложение управляющего электрического напряжения

Figure 00000004
к электродам биморфа с целью механического воздействия биморфа на внешние объекты или осуществляют в режиме гибкого датчика измерение значений информативного электрического напряжения
Figure 00000005
или электрического заряда
Figure 00000006
на электродах биморфа с целью измерения величины внешнего силового воздействия на поверхность биморфа; используют магнитострикционный биморф изгибного типа для работы в режиме гибкого пьезоэлектрического актюатора, при этом осуществляютThe features of the proposed technical solution, which are different from the prototype, use the direct initial compression of the bimorph along the neutral line of the rod-type bimorph by the applied longitudinal force P at the ends of the rod or the initial compression of the bimorph in the plane of the neutral layer of the membrane-type bimorph by the applied pressure p along the outer contour of the membrane, while the value force P < P 1 or pressure p < p 1 of the initial compression is less than the value of the force P 1 or pressure p 1 of the loss of stability of the bimorph, taking into account its geometric, physical and mechanical characteristics and the method of fixing; a bending-type piezoelectric bimorph is used to operate in two modes: in the flexible piezoelectric actuator mode and in the generator mode as a flexible piezoelectric sensor, while in the piezoelectric actuator mode, the control voltage is applied
Figure 00000004
to the bimorph electrodes in order to mechanically influence the bimorph on external objects or measure the values of the informative electrical voltage in the flexible sensor mode
Figure 00000005
or electric charge
Figure 00000006
on the electrodes of the bimorph in order to measure the magnitude of the external force on the surface of the bimorph; a bending-type magnetostrictive bimorph is used to operate in the mode of a flexible piezoelectric actuator, while carrying out

приложение управляющего магнитного поля к биморфу.application of a control magnetic field to a bimorph.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют увеличить пьезочувствительность биморфа изгибного типа с увеличением диапазона допустимых значений изгибных деформаций (прогибов) в режиме пьезоактюатора и с увеличением значений возникающего информативного электромагнитного сигнала биморфа в режиме пьезодатчика для случая квазистатического или динамического (циклического) внешнего воздействия.Distinctive features in conjunction with the known ones make it possible to increase the piezosensitivity of a bending-type bimorph with an increase in the range of permissible values of bending deformations (deflections) in the piezoactuator mode and with an increase in the values of the emerging informative electromagnetic signal of the bimorph in the mode piezoelectric transducer for the case of quasi-static or dynamic (cyclic) external action.

В режиме пьезоактюатора увеличение пьезочувствительности биморфа изгибного типа и увеличение диапазона допустимых значений его изгибных деформаций (прогибов) достигается в результате появления дополнительных прогибов, обусловленных действием начальной сжимающей механической нагрузки на искривленный (в силу обратного пьезоэффекта) биморф, т.е. начальная сжимающая механическая нагрузка как «усилитель» увеличивает изгибные деформации (прогибы) биморфа от действия управляющего электромагнитного воздействия на биморф.In the piezoactuator mode, an increase in the piezosensitivity of a bending-type bimorph and an increase in the range of permissible values of its bending deformations (deflections) is achieved as a result of the appearance of additional deflections due to the action of an initial compressive mechanical load on a curved (due to the inverse piezoelectric effect) bimorph, i.e. the initial compressive mechanical load as an "amplifier" increases the bending deformations (deflections) of the bimorph from the action of the control electromagnetic action on the bimorph.

При смене знака управляющего, в частности, электрического напряжения

Figure 00000007
на электродах биморфа меняется на противоположное направление изгиба биморфа с сохранением эффекта «усиления» от действия начальной сжимающей механической нагрузки.When changing the sign of the control, in particular, electrical voltage
Figure 00000007
on the electrodes of the bimorph changes to the opposite direction of the bending of the bimorph with the preservation of the effect of "gain" from the action of the initial compressive mechanical load.

При

Figure 00000007
= 0 биморф не искривляется (так как сжимающая механическая нагрузка лишь сжимает, но не изгибает биморф в исходном прямолинейном состоянии) или возвращается из изогнутого в исходное прямолинейное состояние (так как величина сжимающей механической нагрузки не превышает соответствующее значение нагрузки для потери устойчивости биморфа).At
Figure 00000007
= 0 the bimorph does not bend (because the compressive mechanical load only compresses but does not bend the bimorph in the initial rectilinear state) or returns from the bent to the initial rectilinear state (since the value of the compressive mechanical load does not exceed the corresponding load value for the loss of stability of the bimorph).

В режиме гибкого датчика увеличение пьезочувствительности биморфа изгибного типа и увеличение диапазона допустимых значений информативного электрического напряжения

Figure 00000008
и электрического заряда
Figure 00000009
на электродах биморфа достигается также в результате эффекта «усиления» - появления дополнительных прогибов, обусловленных действием начальной сжимающей механической нагрузки на искривленный (под действием диагностируемого силового воздействия) биморф в силу прямого пьезоэффекта биморфа.In the flexible sensor mode, an increase in the piezosensitivity of the bending type bimorph and an increase in the range of allowable values of the informative electrical voltage
Figure 00000008
and electric charge
Figure 00000009
on the electrodes of the bimorph is also achieved as a result of the effect of "amplification" - the appearance of additional deflections due to the action of the initial compressive mechanical load on the curved (under the action of a diagnosed force) bimorph due to the direct piezoelectric effect of the bimorph.

Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков заявленного способа увеличения пьезочувствительности биморфа изгибного типа с получением указанного технического результата.The applicant is not aware of the use in science and technology of the distinctive features of the claimed method of increasing the piezosensitivity of a bending type bimorph with obtaining the specified technical result.

Предлагаемый способ увеличения пьезочувствительности биморфа изгибного типа в режиме, в частности, пьезоэлектрического актюатора, например, при положительном значении приложенного к электродам биморфа управляющего электрического напряжения

Figure 00000010
> 0 (знак величины
Figure 00000010
определяет направление отклонения изогнутой продольной оси стержня или нейтрального слоя мембраны биморфа от начального прямолинейного вида) иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.The proposed method for increasing the piezosensitivity of a bending-type bimorph in the mode, in particular, of a piezoelectric actuator, for example, with a positive value of the control voltage applied to the bimorph electrodes
Figure 00000010
> 0 (sign of magnitude
Figure 00000010
determines the direction of deviation of the curved longitudinal axis of the rod or the neutral layer of the bimorph membrane from the initial rectilinear view) is illustrated by the drawings shown in Fig.1-3.

На фиг.1 изображена расчетная схема изгибного деформирования консольно закрепленного биморфа, обусловленного действием управляющего электрического напряжения

Figure 00000011
на электроды биморфа, где начальное прямолинейнее расположение оси биморфа (график 1), без учета (график 2) и с учетом (график 3) действия продольной сжимающей силы P, результирующие величины компонент перемещения
Figure 00000012
,
Figure 00000013
(прогиб) по продольной
Figure 00000014
и поперечной
Figure 00000015
осям и угла поворота θ торца биморфа.Figure 1 shows the design scheme of the bending deformation cantilever fixed bimorph due to the action of the control voltage
Figure 00000011
on the bimorph electrodes, where the initial rectilinear location of the bimorph axis (graph 1), without taking into account (graph 2) and taking into account (graph 3) the action of the longitudinal compressive force P , the resulting values of the displacement components
Figure 00000012
,
Figure 00000013
(deflection) along the longitudinal
Figure 00000014
and transverse
Figure 00000015
axes and rotation angle θ of the bimorph end.

На фиг.2 изображена расчетная схема изгибного деформирования шарнирно закрепленного биморфа, обусловленного действием управляющего электрического напряжения

Figure 00000016
на электроды биморфа с учетом и без учета действия продольной сжимающей силы P.Figure 2 shows the design scheme of the bending deformation of the hinged bimorph due to the action of the control voltage
Figure 00000016
on the bimorph electrodes with and without taking into account the action of the longitudinal compressive force P .

На фиг.3 изображена расчетная схема изгибного деформирования шарнирно закрепленной круглой мембраны биморфа, обусловленного действием управляющего электрического напряжения

Figure 00000016
на электроды биморфа с учетом и без учета действия (в плоскости мембраны) распределенной по внешнему контуру мембраны сжимающей нагрузки (давления) p, где
Figure 00000013
- результирующий прогиб в центре мембраны биморфа с учетом действия давления p.Figure 3 shows the design scheme of the bending deformation of the hinged round bimorph membrane, due to the action of the control voltage
Figure 00000016
on the electrodes of the bimorph with and without taking into account the action (in the plane of the membrane) of the compressive load (pressure) distributed over the outer contour of the membrane p , where
Figure 00000013
- the resulting deflection in the center of the bimorph membrane, taking into account the action of pressure p .

Считаем, что в исходном (первоначальном) состоянии (фиг.1, 2) нейтральная линия (продольная ось) биморфа расположена, например, на координатной оси

Figure 00000017
, а взаимопротивоположные направления поляризаций двух пьезоэлектрических слоев биморфа коллинеарны поперечной оси
Figure 00000018
. Для мембраны (фиг.3) нейтральный слой биморфа в исходном (первоначальном) состоянии расположен, например, в плоскости
Figure 00000019
, а взаимопротивоположные направления поляризаций двух пьезоэлектрических слоев биморфа коллинеарны поперечной оси
Figure 00000020
.We believe that in the initial (initial) state (Fig.1, 2) the neutral line (longitudinal axis) of the bimorph is located, for example, on the coordinate axis
Figure 00000017
, and mutually opposite directions of polarizations of two piezoelectric layers of the bimorph are collinear to the transverse axis
Figure 00000018
. For the membrane (figure 3) the neutral bimorph layer in the initial (initial) state is located, for example, in the plane
Figure 00000019
, and mutually opposite directions of polarizations of two piezoelectric layers of the bimorph are collinear to the transverse axis
Figure 00000020
.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

Изгиб в плоскости

Figure 00000021
начально сжатого прямолинейного биморфа (фиг.1,2) инициируется действием, в частности, на электроды биморфа управляющего электрического напряжения
Figure 00000010
, при этом направление изгиба (от исходного положения) оси биморфа определяется знаком величины
Figure 00000010
. При приложении к электродам биморфа управляющего электрического напряжения
Figure 00000010
продольная ось биморфа искривляется по дуге с радиусом кривизны
Figure 00000022
, где
Figure 00000023
- пьезоэлектрический изгибающий момент вокруг оси
Figure 00000024
, известные величины:
Figure 00000025
- пьезоэлектрический коэффициент пропорциональности,
Figure 00000026
- пьезомодуль материала,
Figure 00000027
- жесткость поперечного сечения биморфа на изгиб,
Figure 00000028
- продольный модуль Юнга пьезоэлектрика вдоль оси
Figure 00000029
,
Figure 00000030
- осевой момент инерции прямоугольного поперечного сечения биморфа относительно оси
Figure 00000024
,
Figure 00000031
- ширина,
Figure 00000032
- толщина биморфа. Величину угла дуги изогнутой продольной оси биморфа
Figure 00000033
находим через угловой коэффициент пропорциональности
Figure 00000034
с учетом выражения длины биморфа
Figure 00000035
. Считаем, что величина приложенной к торцу биморфа продольной силы P < P 1, где величина силы потери устойчивости по Эйлеру
Figure 00000036
, в частности, имеем значение μ=2 для консольного (фиг.1) и μ=1 для шарнирного (фиг.2) закрепления торцов биморфа. Поэтому, после «выключения» управляющего электрического напряжения
Figure 00000037
биморф возвращается из изогнутого в первоначальное прямолинейное состояние, а при смене знака управляющего электрического напряжения
Figure 00000038
(например, при знакопеременном электрическом напряжении
Figure 00000039
во времени
Figure 00000040
) контролируемо изменяется «направление» изгиба биморфа в плоскости
Figure 00000041
, т.е. изменяется на обратный знак величин
Figure 00000042
,
Figure 00000043
(фиг.1) и
Figure 00000044
(фиг.2, 3). Bending in plane
Figure 00000021
initially compressed rectilinear bimorph (Fig.1,2) is initiated by the action, in particular, on the electrodes of the bimorph of the control voltage
Figure 00000010
, while the direction of bending (from the initial position) of the bimorph axis is determined by the sign of the quantity
Figure 00000010
. When applied to the electrodes of the bimorph control voltage
Figure 00000010
the longitudinal axis of the bimorph is curved along an arc with a radius of curvature
Figure 00000022
, where
Figure 00000023
- piezoelectric bending moment around the axis
Figure 00000024
, known quantities:
Figure 00000025
- piezoelectric coefficient of proportionality,
Figure 00000026
- piezomodulus of the material,
Figure 00000027
- bending stiffness of the bimorph cross section,
Figure 00000028
- longitudinal Young's modulus of the piezoelectric along the axis
Figure 00000029
,
Figure 00000030
- axial moment of inertia of the rectangular cross section of the bimorph about the axis
Figure 00000024
,
Figure 00000031
- width,
Figure 00000032
- bimorph thickness. The value of the angle of the arc of the curved longitudinal axis of the bimorph
Figure 00000033
we find through the angular coefficient of proportionality
Figure 00000034
taking into account the bimorph length expression
Figure 00000035
. We consider that the value of the longitudinal force applied to the end of the bimorph is P < P 1 , where the value of the buckling force according to Euler
Figure 00000036
, in particular, we have the value μ=2 for cantilever (figure 1) and μ=1 for hinged (figure 2) fixing the ends of the bimorph. Therefore, after "turning off" the control voltage
Figure 00000037
the bimorph returns from the bent to the original rectilinear state, and when the sign of the control voltage changes
Figure 00000038
(for example, with an alternating electrical voltage
Figure 00000039
in time
Figure 00000040
) the “direction” of the bimorph bending in the plane changes in a controlled manner
Figure 00000041
, i.e. changes to the opposite sign of quantities
Figure 00000042
,
Figure 00000043
(Fig.1) and
Figure 00000044
(figure 2, 3).

Таким образом, для случая консольного закрепления биморфа (фиг.1) при приложении управляющего электрического напряжения

Figure 00000010
имеем результирующие значения компонентов перемещения
Figure 00000045
,
Figure 00000046
, угла поворота
Figure 00000047
торца изогнутой консоли
Figure 00000048
,
Figure 00000049
,
Figure 00000050
или в видеThus, for the case of cantilever fixing bimorph (Fig.1) when applying a control voltage
Figure 00000010
we have the resulting values of the displacement components
Figure 00000045
,
Figure 00000046
, rotation angle
Figure 00000047
curved console end
Figure 00000048
,
Figure 00000049
,
Figure 00000050
or in the form

Figure 00000051
,
Figure 00000051
,

Figure 00000052
,
Figure 00000052
,

Figure 00000053
Figure 00000053

при действии на торце биморфа продольной силы

Figure 00000054
. under the action of a longitudinal force on the end of the bimorph
Figure 00000054
.

Для случая шарнирного закрепления биморфа (фиг.2) при приложении управляющего электрического напряжения

Figure 00000010
имеем результирующее значение прогиба
Figure 00000055
в середине биморфа при наличии продольной силы P’ на торце биморфа, где начальная пьезоэлектрическая величина прогиба
Figure 00000056
с учетом
Figure 00000057
и поправка
Figure 00000058
, обусловленная действием на торец биморфа продольной силы P’ < P’ 1. For the case of hinged bimorph (figure 2) when applying a control voltage
Figure 00000010
we have the resulting deflection value
Figure 00000055
in the middle of the bimorph in the presence of a longitudinal force P' at the end of the bimorph, where the initial piezoelectric deflection value
Figure 00000056
taking into account
Figure 00000057
and amendment
Figure 00000058
, due to the action of the longitudinal force P' <P' 1 on the end of the bimorph.

ТаблицаTable

Результирующие «коэффициенты усиления» консоли биморфаThe resulting "gain factors" of the bimorph console

Figure 00000059
Figure 00000059
Figure 00000060
Figure 00000060
Figure 00000061
Figure 00000061
00 1one 1one 0.20.2 1.211.21 1.161.16 0.60.6 1.621.62 1.491.49 0.80.8 1.821.82 1.661.66

В таблице даны численные значения результирующих «коэффициентов усиления» консоли биморфа

Figure 00000062
,
Figure 00000063
для различных относительных значений силы
Figure 00000064
, где
Figure 00000065
,
Figure 00000066
- соответствующие значения перемещения и угла поворота торцевого сечения при P = 0, константы
Figure 00000067
,
Figure 00000068
- характеристики биморфа. Для рассматриваемого случая имеем значения констант
Figure 00000069
= 0.0154 1/Н,
Figure 00000068
= 0.0123 1/Н, значение продольной силы потери устойчивости P 1 = 66.62 Н.The table gives the numerical values of the resulting "gain factors" of the bimorph console
Figure 00000062
,
Figure 00000063
for various relative force values
Figure 00000064
, where
Figure 00000065
,
Figure 00000066
- the corresponding values of displacement and angle of rotation of the end section at P = 0, constants
Figure 00000067
,
Figure 00000068
- bimorph characteristics. For the case under consideration, we have the values of the constants
Figure 00000069
= 0.0154 1/N,
Figure 00000068
= 0.0123 1/N, the value of the longitudinal buckling force P 1 = 66.62 N.

Для шарнирно закрепленного биморфа (фиг.2) имеем значения

Figure 00000070
= 1.21, 1,62, 1,82 результирующего «коэффициента усиления» биморфа
Figure 00000071
при относительной величине силы
Figure 00000072
= 0.2, 0.6, 0.8 соответственно, константа
Figure 00000073
= 0.00385 1/Н, значение продольной силы потери устойчивости P’ 1 = 266.48 Н.For a hinged bimorph (figure 2) we have the values
Figure 00000070
= 1.21, 1.62, 1.82 of the resulting "gain" of the bimorph
Figure 00000071
with a relative magnitude of force
Figure 00000072
= 0.2, 0.6, 0.8 respectively, constant
Figure 00000073
= 0.00385 1/N, the value of the longitudinal buckling force P' 1 = 266.48 N.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно увеличить пьезочувствительность биморфа изгибного типа с увеличением диапазона допустимых значений изгибных деформаций (прогибов) в режиме пьезоэлектрического актюатора и с увеличением информативного электрического напряжения

Figure 00000074
и электрического заряда
Figure 00000075
на электродах биморфа в режиме гибкого датчика для случая квазистатического или динамического (циклического) внешнего воздействия.Thus, the proposed technical solution makes it possible to significantly increase the piezosensitivity of a bending-type bimorph with an increase in the range of allowable values of bending deformations (deflections) in the piezoelectric actuator mode and with an increase in the informative electrical voltage
Figure 00000074
and electric charge
Figure 00000075
on the bimorph electrodes in the mode flexible sensor for the case of quasi-static or dynamic (cyclic) external influence.

Claims (3)

1. Способ увеличения пьезочувствительности биморфа изгибного типа, при котором используют биморф изгибного типа для работы в двух режимах: в режиме гибкого пьезоактюатора и в режиме генератора как гибкий пьезодатчик, осуществляют начальное сжатие биморфа, осуществляют в режиме пьезоактюатора приложение управляющего электромагнитного воздействия к биморфу с целью механического воздействия биморфа на внешние объекты или осуществляют в режиме пьезодатчика измерение значений возникающего информативного электромагнитного сигнала биморфа с целью измерения величины внешнего силового воздействия на поверхность биморфа, отличающийся тем, что используют непосредственное начальное сжатие биморфа вдоль нейтральной линии биморфа стержневого типа приложенной продольной силой P на торцах стержня или начальное сжатие биморфа в плоскости нейтрального слоя биморфа мембранного типа приложенным давлением p по внешнему контуру мембраны, при этом величина силы P < P1 или давления p < p1 начального сжатия меньше значения силы P1 или давления p1 потери устойчивости биморфа с учетом его геометрических, физико-механических характеристик и способа закрепления.1. A method for increasing the piezosensitivity of a bending-type bimorph, in which a bending-type bimorph is used to operate in two modes: in the flexible piezoactuator mode and in the generator mode as a flexible piezoelectric sensor, the bimorph is initially compressed, and in the piezoactuator mode, a control electromagnetic action is applied to the bimorph in order to mechanical impact of the bimorph on external objects or, in the piezo sensor mode, measure the values of the emerging informative electromagnetic signal of the bimorph in order to measure the magnitude of the external force effect on the surface of the bimorph, characterized in that the direct initial compression of the bimorph along the neutral line of the rod-type bimorph by the applied longitudinal force P at the ends is used of the rod or the initial compression of the bimorph in the plane of the neutral layer of the membrane-type bimorph by the applied pressure p along the outer contour of the membrane, while the value of the force P < P 1 or pressure p < p 1 of the initial compression less than the value of the force P 1 or pressure p 1 of the loss of stability of the bimorph, taking into account its geometric, physical and mechanical characteristics and the method of fixing. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют пьезоэлектрический биморф изгибного типа для работы в двух режимах: в режиме гибкого пьезоэлектрического актюатора и в режиме генератора как гибкий пьезоэлектрический датчик, при этом осуществляют в режиме пьезоэлектрического актюатора приложение управляющего электрического напряжения
Figure 00000076
к электродам биморфа с целью механического воздействия биморфа на внешние объекты или осуществляют в режиме гибкого датчика измерение значений информативного электрического напряжения
Figure 00000077
или электрического заряда
Figure 00000078
на электродах биморфа с целью измерения величины внешнего силового воздействия на поверхность биморфа.
2. The method according to claim 1, characterized in that a bending-type piezoelectric bimorph is used to operate in two modes: in the flexible piezoelectric actuator mode and in the generator mode as a flexible piezoelectric sensor, while in the piezoelectric actuator mode, a control voltage is applied
Figure 00000076
to the bimorph electrodes in order to mechanically influence the bimorph on external objects or measure the values of the informative electrical voltage in the flexible sensor mode
Figure 00000077
or electric charge
Figure 00000078
on the electrodes of the bimorph in order to measure the magnitude of the external force on the surface of the bimorph.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют магнитострикционный биморф изгибного типа для работы в режиме гибкого пьезоэлектрического актюатора, при этом осуществляют приложение управляющего магнитного поля к биморфу. 3. The method according to claim 1, characterized in that a bending-type magnetostrictive bimorph is used to operate in the mode of a flexible piezoelectric actuator, while applying a control magnetic field to the bimorph.
RU2022101875A 2022-01-27 Method for increasing piezosensitivity of bending-type bimorphi RU2778161C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778161C1 true RU2778161C1 (en) 2022-08-15

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793564C1 (en) * 2022-11-16 2023-04-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Piezoelectric bending-type bimorph

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7355325B2 (en) * 2006-06-15 2008-04-08 Piezomotor Uppsala Ab Wide frequency range electromechanical actuator
WO2009007047A2 (en) * 2007-07-06 2009-01-15 Eth Zurich Piezoelectric device for detecting or generating forces and torques in multiple directions
RU127251U1 (en) * 2012-03-15 2013-04-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (ОАО "НИИ "Элпа") SENSITIVE ELEMENT OF A BENDING TYPE
RU2636255C2 (en) * 2016-04-14 2017-11-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Bending type piezoactuator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7355325B2 (en) * 2006-06-15 2008-04-08 Piezomotor Uppsala Ab Wide frequency range electromechanical actuator
WO2009007047A2 (en) * 2007-07-06 2009-01-15 Eth Zurich Piezoelectric device for detecting or generating forces and torques in multiple directions
RU127251U1 (en) * 2012-03-15 2013-04-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (ОАО "НИИ "Элпа") SENSITIVE ELEMENT OF A BENDING TYPE
RU2636255C2 (en) * 2016-04-14 2017-11-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Bending type piezoactuator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793564C1 (en) * 2022-11-16 2023-04-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Piezoelectric bending-type bimorph
RU2829016C1 (en) * 2024-03-12 2024-10-22 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Bending-type piezo actuator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Moory-Shirbani et al. Experimental and mathematical analysis of a piezoelectrically actuated multilayered imperfect microbeam subjected to applied electric potential
JP4427665B2 (en) Bending deformation sensor and deformation measuring apparatus
Cho et al. Optimization of electromechanical coupling for a thin-film PZT membrane: I. Modeling
Liang et al. High sensitivity piezoelectric sensors using flexible PZT thick-film for shock tube pressure testing
EP1654771B1 (en) Strain energy shuttle apparatus and method for vibration energy harvesting
US6236143B1 (en) Transfer having a coupling coefficient higher than its active material
US7367242B2 (en) Active sensor for micro force measurement
Shi Bending behavior of piezoelectric curved actuator
Ganji et al. Design and modeling of a novel high sensitive MEMS piezoelectric vector hydrophone
Gehring et al. Cantilever unified theory and optimization for sensors andactuators
JP2014504364A (en) High performance curved accelerometer
RU2778161C1 (en) Method for increasing piezosensitivity of bending-type bimorphi
Shi et al. Bending analysis of a piezoelectric curved actuator with a generally graded property for thepiezoelectric parameter
Zhang et al. Two-dimensional exact analysis for piezoelectric curved actuators
Nguyen et al. The influence of temperature and bonding thickness on the actuation of a cantilever beamby PZT patches
Ma et al. Displacement improvement of piezoelectric membrane microactuator by controllable in-plane stress
JPH039713B2 (en)
US20190198748A1 (en) Self-sensing bending actuator
Pan’kov Membrane Piezoelectric MDS Actuator with a Flat Double Helix of Interacting Electrodes
Sedighi et al. A three-dimensional elasticity solution of functionally graded piezoelectric cylindricalpanels
Pan’kov Effect of Increasing Piezomodules of the Initially Compressed Flexible Bimorph
RU2793564C1 (en) Piezoelectric bending-type bimorph
Moutlana et al. Vibration of a cantilever beam with extended tip mass and axial load subject to piezoelectric control
Pan’kov Electromechanical mathematical model of curvilinear torsional-bending piezoelectric actuator
Luo et al. Enhancing displacement of lead–zirconate–titanate (PZT) thin-film membrane microactuators via a dual electrode design