ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК

Полезная модель относится к области измерений механической силы и связанных с ней производных: момента, давления, массы, деформаций, ускорений. Известен пьезорезонатор, (см. книгу В.В.Малова "Пьезорезонансные датчики" Москва ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1989 г.), который является наиболее близким по технической_сущности к заявляемому устройству и взят в качестве прототипа.
Пьезорезонансный датчик выполнен из пластины монокристаллического пьезоэлектрического материала (например, кварцевой пластины Z-среза) в виде сдвоенного камертона, состоящего из двух идентичных, параллельно расположенных стержней, средние части которых разделены между собой, а концы объединены частями пластины, к которым прилагается измеряемая сила. На концевых частях стержней, примыкающих к области их объединения расположены электроды, служащие для возбуждения механических колебаний стержней резонатора и обратного преобразования этих колебаний в электрический сигнал.
Недостатком прототипа является ограничения по применению из-за существенного возрастания эквивалентного (динамического) сопротивления резонатора при уменьшении ширины стержней резонатора.
Решаемой технической задачей является создание устройства с более высокой чувствительностью при меньших деформациях резонатора.
Технический результат достигается тем, что пьезорезонансный датчик, выполненный из пластины монокристаллического
пьезоэлектрического материала в виде сдвоенного камертона, состоящего из двух идентичных параллельно расположенных стержней, средние части которых разделены между собой, а концы объединены частями пластины, к которым прилагается измеряемая сила, на концевых частях стержней расположены возбуждающие электроды.
Новым является то, что средняя часть стержней имеет ширину меньшую чем части, на которых расположены возбуждающие электроды, при этом изменение ширины может иметь плавную либо ступенчатую форму.
Уменьшение ширины стержней в средней части позволяет увеличить чувствительность (девиацию) резонатора, а широкие концевые части его стержней обеспечивают уменьшение динамического сопротивления резонатора.
На фиг.1 и фиг.2 изображен датчик согласно предлагаемого изобретения:
на фиг.1 - с плавной формой перехода;
на фиг.2 - со ступенчатой формой.
Пьезорезонансный датчик содержит два стержня, имеющих узкую часть 1 и две концевые широкие части 2, объединенных по концам акустическими развязками (пробками) 3, на окончаниях стержней (на фиг.1 и фиг.2 обозначены штриховкой) размещены электроды электромеханического преобразователя, служащие для возбуждения изгибных противофазных колебаний стержней. Изгибные колебания стержней возбуждаются (в плоскости рисунка фиг.1, фиг.2) при подключении к электродам переменного напряжения с частотой, близкой к резонансной частоте. При приложении силы Р к концевым частям резонатора 5, 6 его резонансная частота будет меняться в зависимости от значения силы (с учетом знака).
Зависимость резонансной частоты ƒ(p) при однородных по длине стержнях имеет вид:
0
где ƒ - начальная резонансная частота при Р=0
В - величина, обратная критической силе, при которой стержень теряет устойчивость
Р/2 - продольная сила, действующая на каждый из двух стержней резонатора;
0
1
0
1
а, а - постоянные коэффициенты, определяющие условия закрепления концов стержней (для защемленных концов a=1,03, a=0,29);
l, b, h - геометрические размеры стержня соответственно длина, ширина и толщина;
Е, ρ - физические характеристики материала стержней: модуль упругости и плотность соответственно
В выражении (1) произведение В·Р/2 является безразмерной величиной и определяет девиацию частоты; обозначив ее через ε и представив выражение (1) в виде степенного ряда, получим:
м
м
Как правило, при использовании резонаторных датчиков с изгибной формой колебаний максимальное значение ε не превышает значения 0,1 (ε<0,1), поэтому изменения резонансной частоты в основном определяются линейным членом выражения (4).
Члены со степенью 2 и выше определяют нелинейность характеристики преобразования.
Выражение (5) для ε с учетом выражения (3) для В имеет вид:
В выражении (7) отношение Pl/2bhE определяет деформацию стержней
где Δl - изменение длины l стержней резонатора под действием силы Р (действующих на два стержня)
Таким образом, выражение (6) для Δƒ может быть представлено зависимостью от силы Р через деформацию Δl стержней резонатора
0
С учетом погрешности, обусловленной изменением начальной частоты ƒ под воздействием условий эксплуатации (температура и
давление окружающей среды, старение и проч.) выражение (9) можно записать в виде:
0
где ΣΔƒ - суммарная погрешность от нестабильности начальной частоты под действием факторов эксплуатации.
0
Представление функции (10) в безразмерном виде Δƒ(p)/ƒ имеет вид:
или
0
где Σδƒ - суммарная относительная нестабильность начальной частоты
1
2
В выражении (12) множитель 0,5a·l/b определяет чувствительность датчика (коэффициент преобразования), а отношение:
0
для максимального значения измеряемой величины Р=Рmax, является приведенной погрешностью от нестабильности ƒ.
Из приведенного анализа видно, что чувствительность датчика растет, а приведенная погрешность λ уменьшается с уменьшением ширины b стержней резонатора или с увеличением их длины l. При этом следует отметить, что эффективность варьирования шириной стержней b значительно выше, чем изменением их длины l, поскольку чувствительность и соответственно погрешность имеют
квадратичную зависимость от b, а от изменения длины l - линейную. Кроме того, увеличение длины стержней сильно (обратно пропорционально квадрату ее значения) изменяют (уменьшают) начальную частоту резонатора (см. выражение 2).
Таким образом, при разработке резонаторных датчиков на основе двухветвевого камертона необходимо стремиться к уменьшению ширины ветвей. Ограничением уменьшения ширины ветвей двухветвевого камертона является фактор роста динамического сопротивления. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила эффективность предложения. Так, например, у камертонного резонатора, имеющего эквивалентное сопротивление порядка 1 МОм после уменьшения ширины ветвей абсолютная девиация увеличилась более чем в два раза для одной и той же измеряемой силы, но при этом эквивалентное сопротивление резонатора увеличилось до 4÷5 МОм, что затрудняет их использование в кварцевых генераторах. При использовании резонаторов с переменной шириной стержней согласно предложения в настоящей заявке удается получить повышение чувствительности без заметного роста значения динамического сопротивления; изготовлен и испытан резонаторный датчик повышенной чувствительности с зауженной шириной стержней в средней части, который имел динамическое сопротивление порядка 1 МОм.