Главная Промышленная автоматика.

Эффективмость силочувствительиых резонаторов может быть охарактеризована чувствительностью по силе:

Spdf/dF=Kjif4Dn. (12.3)

где Кр - коэффициент, зависящий от ориентации пьезоэлемента и направления приложения силы (иногда его называют коэффициентом Ратайского); D - диаметр круглого пьезоэлемента или ширина прямоугольной пластины; я - порядок колебаний.

Из анализа (12-3) видно, чтр чувствительность по силе возрастает пропорционально квадрату частоты и уменьшается при увеличении размеров пьезоэлементов и повышении порядка колебаний.

Одним из требований, предъявляемых к пьезоэлементу датчиков, является условие локализации механических колебаний в объеме пьезоэлемента. Кроме того, пьезоэлемент должен удобно сочленяться с элементами конструкции. Это условие обеспечивается иа низких частотах при изгибных колебаниях и иа высоких частотах при сдвиге по толщине. При сдвиговых кoлeiбaиияx по толщине это условие выполняется наиболее полно и просто из-за сосредоточения основной энергии в центре пьезоэлемента, в то время как края пьезоэлемента практически свободны от колебаний.

Высокочастотные резонаторы обладают большой линейностью характеристик, большей температурной и временной стабильностью и лучшей механической устойчивостью, чем низкочастотные резонаторы с колебаниями изгиба, и благодаря этим преимуществам иашли широкое применение. Ниже будут рассматриваться высокочастотные резонаторы (с колебаниями сдвига по толщине) с рабочими деформациями сжатия-растяжения в плоскости пьезоэлемента. Пьезоэлемёнты при сжатии выдерживают нагрузку в 24 раза больше, чем при растяжении. В большой степени чувствительность по силе зависит от ориентации кварцевой пластины. Максимальной силочувстви-тельиостью обладают пьезоэлемёнты AT среза. Высокая температурная стабильность датчиков этого среза обусловила их широкое применение в качестве силочувствительиых датчиков.

Чувствительность по силе зависит в большей степени оТ направления приложения силы, при i) = 90° оиа становится максимальной. Чувствительность по силе изменяется в интервале температур, причем температурный коэффициент силочувствительиости СКС) может иа несколько порядков превышать ТКЧ пьезоэлемента. Температурный коэффициент силочувствительиости также зависит от направления приложения силы, и выбором i) можно существенно его уменьшить. Целесообразно работать при угле ф = 50°, при котором ТКС=0, а чувствительность по силе уменьшается от максимального значения всего иа 10%.

Основные параметры высокочастотных силочувствительиых кварцевых датчиков приведены в табл. 12.3.

Пьезоэлемёнты закрепляются в соответствующих конструкциях с помощью пайки или клея, и усилия действуют непосредственно иа пьезоэлемент. Однако при иепосредствециом воздействии на пьезоэлемент конструкция получается неустойчивой к механическим воздействиям. Повысить механическую устойчивость и улучшить рабочие параметры можно применением упругого элемента (УЭ) (присоединенного параллельно резонатору), иа который воздействуют измеряемые усилия. Применение упругих элементов также позволяет обеспечить выбор диапазона рабочих нагрузок, снижает чувствительность к поперечным воздействиям и термоударам.

Таблица 12.3. Параметры высокочастотных силочувствительиых кварцевых датчиков

Показатель

Диапазон рабочих частот, МГц

Допустимое усилие на растяжение, Н

Допустимое усилие на сжатие, Н

Чувствительность по силе, Гц/Я

Полезные изменения частоты

Порог чувствительности Температурный коэффициент чувствительности по силе

Нелинейность одиорезо-нансной схемы, % Нелинейность дифференциальной схемы, %

Пьезоэлемент типа

плоская пластина

0,5-10 50-5000

5-10*-5-10< 0,3-100

0,5-10-10-»

(1-10)-10-" 10-5

0,1-0,2 10-

5-100

10-1000

10-1000

10-10<

0,5-3-10-»

(1-10)-10-5 10-5

0,1-0,2 10-»

При конструировании необходимо соблюдать, чтобы контакт между пьезоэлементами силочувствительного резонатора и упругим элементом осуществлялся только в местах пьезоэлементов, свободных от колебаний. Большое влияние может оказать упругий элемент иа ТЧХ резонаторов, линейно поворачивая температурные.ха-рактеристики резонаторов.

Большое влияние иа характеристики силочуэствительных датчиков оказывает и материал упругого элемента (стабильность его упругих свойств, отличие их температурных коэффициентов линейного расширения от коэффициента линейного расширения кварца). Влияние упругого элемента иа ТЧХ кварцевого резонатора можно ослабить применением дифференциальных схем включения сило-чувствительных резонаторов.

Большое влияние иа характеристики силочувствительиых датчиков оказывает и материал упругого элемента (стабильность его упругих свойств, отличие их температурных коэффициентов линейного расширения от коэффициента линейного расширения кварца).

Один из вариантов конструкции датчика дифференциального типа показан на рис. 12.3, а. В этом датчике сжатие упругого элемента УЭ приводит к растяжению пьезоэлемента Пэ1 и к сжатию пьезоэлемента Пэ2, при этом изменяется разностная нх частота. Применением упругих элементов специальной конструкции можно увеличить измеряемые нагрузки в 100 раз. Одна нз таких конструкций представлена на рнс. 12.3 [98].

Уменьшая расстояние I < Iq, можно уменьшать чувствительность датчика и соответственно увеличить диапазон номинальных нагрузок.



в некоторых случаях, например для измерения малых усилий, необходимо увеличить чувствительность по силе датчиков. Это можно достигнуть, применяя специальные конструкции упругого элемента (рис. 12.3. б). Прн условии, что / > /„, действительно чув-. ствнтельиость увеличивается в /Стр = /о раз.

Хорошие результаты по повышению чувствительности по силе дает конструкция (рис. 12.3, в), в которой резонаторы могут быть включены по дифференциально;! схеме. В этой конструкции упругий


Пз1-

V .

Рис. 12.3. Конструкции кварцевых снлочувствительных резонаторов: а - дифференциального с двумя пьезоэлемеитами; б-со специальный упругим элементом и одним пьезоэлемеитом; в - ДиффЪреицнальиого повышенной чувствительности с двумя пьезоэлемеитамн

элемент имеет малую жесткость вдоль рабочей оси и большую в других направлениях. Возможность использования дифференциальной схемы основана иа том, что в этой конструкции пьезоэлементы при нагрузке имеют разную деформацию (один нз ннх сжатия, а другой растяжения, /Стр =0,5 Ш). Такие схемы позволяют повысить чувствительность по силе в 100 раз.

Для получения высокой температурной стабильности в дифференциальной схеме необходимо, чтобы пьезоэлементы имели одинаковые ТЧХ, что достигается подбором резонаторов. Устранить необходимость подбора и получить идентичные ТЧХ можно размещением двух снлочувствительных резонаторов на одной кварцевой пластине.

Одни из вариантов такого дифференциального датчика показан на рнс. 12.4, а. Механическое усилие в датчике прикладывается к центру кварцевой пластины. Другим вариантом дифференциального датчика с преобразованием малых усилий (аналогичного по действию с конструкцией рис. 12.3, б) является датчик, показанный на рнс. 12.4, б. Прнлоиенная спла вызывает сжатие верхнего и растяжение нижнего пьезоэлемеитов. В дифференциальных датчиках измеряется разностная частота и обеспечиваются высокая точность и температурная стабильность.

С помощью снлочувствительных резонаторов можно из.мерять давление. Для измерения давления в газах можно использовать за-


Рис. 12.4. Конструкции снлочувствительных резонаторов дифференциального типа с одной

кварцевой пластиной; а - с использованием сжатия- растяжения; б - повышенной чувствительности

висимость частоты от давления, которая характеризуется чувствительностью к всестороннему давлению 5р = dfldp.

На принципе зависимости сопротивления резонатора от давления среды, где помещен пьезоэлемент, могут быть выполнены акустические датчики давления газа. Измеряя /?„ (нлн добротность) можно определить давление. Из-за малой чувствительности к всестороннему давлению, а также нз-за возможности засорения пьезоэлемента этот способ измерения давления практически не применяется.

Для измерения давления применяют описанные выше силочувствительные резонаторы с использованием мембран нлн сильфо-иов. Одни из вариантов использования силочувствитель ного дат

111 Мвмерана ПзТ

9

1 1 1

пз1. у . - «3



Рис. 12.5. Конструкции кварцевых датчиков давления: а - с ОДИП.Ч пьсзозлемептом: б - с двумя пьезоэлемеитамн; в - с дву.чя пьезоэлемеитамн для измерения разности давленпя

чика ДЛЯ измерении давления показан на рнс. 12.5, а. Сила, приложенная к резонатору, пропорциональна площади мембраны.

Такая конструкция датчика позволяет измерять давление от 0,025 до 500 МПа.

Интервал измерения давления может быть расширен при исполь-оваиии упругих элементов. Один из таких датчиков дифференциального типа приведен на рис. 12.5, б.

Дли измерения избыточного давления можно использовать аналогичный датчик с дополнительной мембраной (рис. 12.5, в).

Силочувствительные резонаторы могут примениться как преобразователи ускорения в частоту и Использоваться для измерения линейных ускорений в очень широком диапазоне. Для измерения ускорения необходимо подключить инерционную массу т к кварцевому датчику. Тогда при ускорении а на кварцевый силочувстви-тельный датчик будет действовать сила F = та. Чувствительность по ускорению 5„ = dflda = mdfldF = mSp. Обычно m = 1

500 г. тогда 5 =f 1 500 Гц cVm.

Силочувствительные датчики позволяют измерять ускорения от 10-? до 10 м/с.

В качестве датчиков используют высокочастотные пьезоэлементы, включенные по дифференциальной схеме. На выходе измеряется разностная частота двух датчиков (рнс. 12.6, о). Вариант датчика с двумя пьезоэлемеитамн на одной пластине показан иа рнс. 12.6, б.

Одной нз наиболее простых является конструкция дифференциального датчика, показанная на рнс. 12.6, в, позволяющая повы-



сить его чувствительность и механическую устойчивость. Резонаторы включаются в генераторы, и по разнице частот судят об измеряемом ускорении. В некоторых случаях, например при измерении вибрационных ускорении, применяется другое включение резонаторов (рис. 12.7). Одни из резонаторов, Пэ1, подсоединяется в схему генератора, другой - Пэ2 - служит фильтром, преобразующим частоту в амплитуду. На выходе фильтра при вибрационных нагрузках появляется высокочастотное напряжение, пропорциональное

if"



Рис. I2.S. Конструкции кварцевых датчиков ускорения: а - с двумя пьезоэлемеитамн; б - с двумя пьезоэлементами иа одной кварцевой пластине; в -с двумя пьезоэлементами повышенной чувствительности; М - ннерционнак масса; УП - упругий подвес

ускорению; после детектирования и усиления напряжение поступает на измерительный прибор. Данная схема позволяет на частоте 5 МГц при резонаторах AT получить крутизну не менее 50 мВ-с/м*.

Для повышения линейности измерения можно применять трех-кварцевую схему или включать параллельно кварцевому резонатору катушку индуктивности. Измерители ускорений с использова-

/7э7

Рис. 12.7. Структурная схема измерителя ускорения: ИГ - измерительный генератор; УС - усилитель; ИП - измерительный прибор

нием силочувствительиых резонаторов имеют высокую линейность рабочих характеристик, стабильность, малые габариты, что и обусловило нх широкое применение в измерителях ускорений (акселерометрах).

С помощью силочувствительиых резонаторов можно создать клинометры - приборы, измеряющие отклонение олданного направления от горизонтального или вертикального направлений с большой чувствительностью, порядка 1-10-*, и погрешностью измерения менее 0,2%.

Кварцевые датчики позволяют также измерять угловые скорости. Работа таких датчиков основана на действии сил Корнолнса, возникающих во вращающемся пьезодатчнке, причем угловая скорость пропорциональна амплитуде деформации, а следовательно, и амплитуде напряжения на электродах пьезоэлемента. Такой измеритель угловой скорости {виброгироскоп) имеет малые габариты, массу и нелинейность менее 0,5%.

С помощью кварцевых датчиков могут быть построены измерители микроперемещений. Работа датчиков основана также иа увелн чении сопротивления или уменьшении добротности пьезоэлемента При вхождении его поверхности в контакт с перемещающимся относительно его изделием.- Порог чувствительности таких измерителей составляет около сотых долен ангстрема.

12.3. Особенности построения измерительных КГ

Малое влияние элементов схемы генераторов. Ранее были рассмотрены резонаторы (датчики), используемые для преобразования различных измеряемых величин в изменении параметров (в основном частоты) генераторов. Генераторы могут оказывать влияние иа погрешность измерения, поэтому рассмотрим особенности схем измерительных КГ с точки зрения повышения точности измерения. Изменение частоты измерительных КГ, например, в интервале температур или в результате действия механических воздействий может привести к увеличению погрешности измерения. Для оценки погрешности измерения воспользуемся общей формулой, связывающей изменение измеряемой величины ДФ и изменение частоты Д/ц, т. е. Д/п - фДФ, где 5ф - чувствительность резонатора по величине Ф.

Тогда изменение нестабильности частоты Д/„с приводит к погрешности измерения

ДФ = Д/„с/5ф.

(12.4)

Из (12.4) видно, что для уменьшения погрешности измерения необ-ходнмо повышать чувствительность резонатора и уменьшать нестабильность частоты измерительного генератора.

При измерении температуры с помощью высокодобротного резонатора (Sj = 170 Гц/° С, частота 5 МГц) при нестабильности измерительного генератора Д /= 1-10- погрешность измерения температуры из-за нестабильности генератора будет равна примерно 3-10-* ° С.

Малая мощность рассеяния резонатора. Режим генератора оказывает большое влияние на мощность, рассеиваемую в резонаторе. Изменение мощности рассеяния под действием дестабилизирующих факторов приводит к изменению частоты, а следовательно, и к погрешности измерения. Механизм влияния изменения мощности на частоту состоит в изменении градиентов механических деформаций и температуры резонатора, особенно сильно действует изменение температуры на погрешность измерения при использовании темпера-турно-чувствнтельиых резонаторов.

Изменение температуры резонатора Д/цс ~ КтД = КтКпР, где Кп - коэффициент, характеризующий изменение мощности рассеяния в резонаторе от дестабилизирующих факторов.

У высокодобротного резонатора для измерения температуры (Кт = 0,12° С/мВт) при /Сн = 0,1 н р = 0,5 мВт погрешность измерения температуры из-за изменения мощности рассеяния составляет 6-10-3 ° с.

Для повышения точности измереиия следует уменьшать мощность рассеяния в резонаторе.

Одним из вариантов схемы КГ, имеющего малую мощность рассеяния на резонаторе (40-60 мкВт) при достаточно большом запасе





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [30] 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0045