РЕЗОНАТОР СИЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ

Полезная модель относится к области измерений механической силы и связанных с ней производных: момента, массы, деформаций, давления, ускорений. Известен пьезорезонансный датчик (см. патент РФ на полезную модель №54202 от 31.01.2006, опубликован в Б.И. №20 от 10.06.2006), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взят в качестве прототипа.
Пьезорезонансный датчик содержит два идентичных параллельно расположенных между собой стержня с прямоугольным сечением, средние части которых разделены между собой, а концы попарно объединены частями пластины, к которым прилагается измеряемая сила, при этом ширина центральной части стержней меньше ширины их концевых частей, вблизи которых установлены электроды электромеханического преобразователя, служащие для возбуждения механических колебаний стержней и обратного преобразования в электрический сигнал.
k
Средняя часть резонатора определяет начальную частоту и силовую чувствительность. Размеры (ширина и длина) концевых частей стержней, на которых размещены электроды электромеханического преобразователя определяют значение эквивалентного сопротивления резонатора и слабо влияют на частоту и силовую чувствительность. Для уменьшения эквивалентного сопротивления резонатора R необходимо увеличивать длину широкой концевой части стержней, что ведет к увеличению габаритов силочувствительного резонатора и является его недостатком.
Решаемой технической задачей является создание устройства с минимизацией габаритов (длины) при сохранении высокой чувствительности и малых значениях эквивалентного сопротивления резонатора.
Достигаемым техническим результатом является повышение чувствительности резонатора.
Для достижения технического результата в резонаторе силочувствительном, выполненном из пластины монокристалла кварца Ζ-среза, содержащим два идентичных параллельно расположенных между собой стержня с прямоугольным сечением, концы которых попарно объединены частями пластины, к которым прилагается измеряемая сила, при этом ширина центральной части стержней меньше ширины их концевых частей, вблизи которых установлены электроды электромеханического преобразователя, новым является то, что изменение ширины от концов стержней до их центральной части выполнено по линейному закону с углом сходимости боковых граней 0,06÷0,07 рад., при этом отношение максимального значения к минимальному значению ширины стержней составляет 3,0÷3,5, а длина электродов электромеханического преобразователя равна 0,30÷0,35 длины стержней.
Новая совокупность существенных признаков позволяет повысить чувствительность резонатора и уменьшить эквивалентное сопротивление за счет изменения формы стержней.
На фиг. 1 изображен резонатор силочувствительный согласно предлагаемой полезной модели;
на фиг. 2 - форма деформаций стержней при изгибных колебаниях резонатора (упругая линия);
на фиг. 3 - эквивалентная электрическая схема резонатора. Силочувствительный резонатор выполняется из пластины монокристалла кварца Z-среза. Резонатор фиг. 1 состоит из двух идентичных стержней 1, концы которого объединены элементами 2, соединяемые через концентраторы 4 с участками 5, к которым прилагается измеряемая сила Р. На концевых участках стержней 1 размещены электроды 3 электромеханического преобразователя.
Резонатор работает следующим образом. При подаче на электроды 3 электромеханического преобразователя резонатора разности электрических потенциалов, в следствии наличия у кварца пьезоэлектрического эффекта, в стержнях 1 резонатора возникают механические напряжения сдвига (обратный пьезоэффект), которые вызывают деформации изгиба. При смене знака разности потенциалов, подаваемых на электроды 3, электромеханического преобразователя резонатора изменяется и направление деформаций изгиба его стержней 1. В случае, когда частота переменного напряжения, подаваемого на электроды 3 будет близкой к частоте механического резонанса резонатора, в последнем устанавливаются резонансные колебания, сопровождаемые обменом энергии: потенциальной, связанной с упругой деформацией и кинетической, связанной со скоростью перемещения распределенных по длине стержней 1 его массы. Форма упругой линии, при колебании стержней резонатора представлена на фиг. 2.
Распределение деформации по длине стержней 1 изменяется от нулевых значений на концах (в месте объединения) до максимальных значений в центральной части, а значения механических напряжений при изгибах стержней максимальны у их концов и уменьшаются по мере приближения к их центральной части; становятся равными нулю в некоторых точках А, В и в дальнейшем снова увеличиваются со сменой знака.
В соответствии со значениями и знаком механических напряжений в материале стержней 1 индуцируются и электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект). В связи с этим электроды электромеханического преобразователя должны располагаться в области концевых частей, где механические напряжения максимальны и не должны переходить за точки А, В, где происходит смена знака механических напряжений и знака индуцируемых зарядов.
k
k
k
0
k
k
k
k
На фиг. 3 представлена эквивалентная электрическая схема электромеханического преобразователя, связанного с силочувствительным резонатором посредством электродов 3, установленных на всех четырех гранях конечных частей стержней 1 резонатора. Топология электродной системы представлена в книге "Пьезорезонансные датчики" В.В. Малов. Энергоатомиздат, 1989 стр. 62-63. Импеданс электромеханического преобразователя представляет собой последовательный L, C, R контур шунтированный емкостью С; где L, C, R - эквивалентные индуктивность, емкость и сопротивление. Со - статическая емкость электродной системы. На резонансной частоте импеданс электромеханического преобразователя будет минимальным и определяется в основном значением эквивалентного сопротивления R. Включив электромеханический преобразователь силочувствительного резонатора в контур обратной связи между выходом и входом усилителя электрических сигналов, при обеспечении условий баланса фаз и амплитуд на частоте механического резонанса, можно обеспечить генерацию электрических сигналов с частотой механического резонанса.
k
k
k
Для упрощения устройства усилителя, используемого для генерации электрических сигналов, значение эквивалентного сопротивления R должно быть минимально возможным и не превышать 1 МОм. Значение эквивалентного сопротивления резонатора R определяется его размерами и формой стержней. При уменьшении размеров резонатора увеличивается значение R.
Другой важной характеристикой заявляемого устройства является его силочувствительность (коэффициент преобразования), которая также определяется размерами и формой стержней силочувствительного резонатора. Коэффициент преобразования силочувствительного резонатора увеличивается при уменьшении ширины и толщины его стержней, более подробно связь коэффициента преобразования с размерами стержней резонатора рассмотрена в прототипе.
k
k
Отсутствие аналитических зависимостей для эквивалентного сопротивления R силочувствительного резонатора и его коэффициента преобразования для произвольной формы стержней приводит к необходимости проводить расчеты на ЭВМ с использованием метода конечных элементов при поиске оптимального варианта сочетания размеров и формы стержней резонатора и его электродной системы. Предлагаемая полезная модель будет использована в качестве вторичного преобразователя в линейном акселерометре. По условиям применения длина стержней силочувствительного резонатора не должна выходить за пределы 5 мм, его эквивалентное сопротивление R должно быть не более 1 МОм, а относительная девиация начальной частоты резонатора, при максимальном значении измеряемой величины, должна быть не менее 0,04. Указанные выше требования были выполнены при использовании стержней 1 резонатора с линейно уменьшаемой шириной от его концов до центральной части с углом сходимости 0,06÷0,07 радиан и отношением размеров максимальных и минимальных ширин стержней в диапазоне 3,0÷3,5. При этом длина электродов 3 электромеханического преобразователя составляет 0,3÷0,5 от длины стержней. Выполнение указанных выше требований, предъявляемых к характеристикам силочувствительного резонатора, подтверждено испытаниями экспериментальных образцов.