Главная - Литература

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 39 40 41 42 43 44 45

«о

E ss

* s SI о s

«о

§

о t to to о

to to о

I I т

о о I

to to

воя 4> >»

я Й R к к

1 5 «

я - i«

i 1 " i

S o-

s >s Й

•ago f § S u.

a>

И01 в S

a>

о to

о to

2 2 2 to

00 00 Tt

о On

О q q О

об . об - 00 00

rri I rr т

О я с яс яе я



Рис. 5.1. Линзовый силочувствительный резонатор ЭПК-Г

Основная схема нагружения пьезоэлементов предусматривает приложение торцевых усилий растяжения-сжатия в плоскости резонаторов.

Прочность пьезокварца на сжатие в 24 раза превышает прочность на растяжение. Таким образом, создавая предварительное сжатие пьезоэлемента, можно более чем в 10 раз увеличить предельное значение знакопеременной нагрузки на пьезоэлемент и соответственно расширить диапазон изменений его частоты. Подобный способ пригоден при использовании линзовых резонаторов, характеризующихся небольшим отношением диаметра к толщине (D/R « 5-Hi5) и потому обладающих устойчивостью при сжатии. Для тонких пластин (D/h 30-М00) допустимые сжимающие нагрузки ограничиваются цртерей устойчивости резонатора, и практически для этих элементов допустимые уровни напряжений не должны превышать 60-80 МПа вне зависимости от знака нагрузки.

Пьезоэлементы вьшолняются в форме круглых, плоских и сферичных дисков, плоскопараллельных пластин, оконтуренных брусков с профилированием фасок. Электроды, как правило, располагаются в центре. Местоположение токоподводов выбирается из соображений удобства закрепления элемента в конструкции датчика.

В СССР выпускается ряд вариантов толщинно-сдвиговых СЧР. Их характеристики приведены в табл. 5.2. Конструкция линзового элемента ЭПК-Г соответствует рис. 5.1. Остальные СЧР имеют форму прямоугольных пластин. Плоскость всех пьезоэлементов совпадает с плоскостью ЛГ-среза. Ось силовой чувствительности развернута относительно оси X кристалла на угол, близкий к 38°, что, как показано в § 2.2, обеспечивает близкую к нулю температурную чувствительность коэффициента преобразования.



Для удобства контроля электрических характеристик, хранения и транспортировки силочувствительные резонаторы поставляются в ва-куумированных стеклянных баллонах.

б) Интегральные преобразователи

Локальный характер колебаний в пьезорезонаторах толщинно-сдви-гового типа предоставляет уникальную возможность реализации на их основе тензопреобразователей с повьппенным уровнем конструктивной интеграции [25]. В простейшем случае зто интеграция в одной прямоугольной или круглой пластине двух mm более резонаторов. Более слджные варианты предусматривают модификацию формы пьезоэлементов, создание в них пазов, выступов, углублений, отверстий и т.д. [27,31].

При этом обеспечивается получение ряда новых полезных свойств, позволяюших улучшить эксплуатационные характеристики датчиков.

Для иллюстрации на рас. 5.2 приведены конструктивные варианты исполнения интегральных преобразователей [1 ].

Многие из приведенных конструкций содержат два локализованных резонатора в одной пьезопластине. В случае применения дифференциальной схемы повышается идентичность ТЧХ пьезорезонаторов, поскольку практически устраняется основной источник неидентичности ТЧХ - расхождение в ориентациях пьезорезонаторов, неизбежное при реализации датчиков на основе дискретных элементов. Практически использование интегральных динамометрических преобразователей дает выигрьпи в термостабильности в 5-10 раз и устраняет необходимость в трудоемкой и не всегда возможной операции подбора идентичных по ТЧХ пар резонаторов дифференциальной схемы. В простейшем варианте (рис. 5.2, а) силовое воздействие подается на один из резонаторов, а второй используется только как элемент термокомпенсации,

В схеме на рис. 5.2, б пьезопластина крепится верхним и нижним горцами к жесткому основанию, а усилие подводится в центр пьезоэлемента, обеспечивая растяжение одного и сжатие другого пьезорезонатора [107]. Модификация этой конструкции, в которой при помощи рычага реализуется эффект усиления, показана на щс. 5.2, в.

В конструкциях рис. 5.2, б. в удвоение чувствительности достигнуто за счет удвоения числа СЧР и их дифференциального включения по отношению к нагрузке.

Такого же увеличения чувствительности можно достичь и в схеме рис. 5.2, г, если приращения частот двух СЧР суммировать, а не прибегать к использованию дифференциальной схемы, производящей вычитание частот. Схема pic. 5.2, г с двухточечной системой нагружения, пожалуй, наиболее простая из двухрезонаторных. Однако npi сопоставимой чувствительности она не обладает основным достоинством дифференциальных схем - снижением температурной погрешности нуля. 130

i2<

; ПРг



/777777PV7

©


Рис. 5.2. Интегральные тензопреобразователи:

Я - пьезопластина; ЯР, и ЯРг - локальные пьезорезонаторы; F - усилие в плоскости пьезоэлемента; СО - сквозное отверстие в пластине; СПЭ - силопере-дающий элемент; К - корпус

В схеме на рис 5.2, д отверстие в пьезоэлементе перераспределяет упругое поле таким образом, что растяжение пластины вызывает преимущественно растяжение нижнего резонатора в направлении действия силы и преимущественно сжатие верхнего резонатора в том же направлении, что обеспечивает эффект дифференциальности.

Варианты дифференциальных преобразователей с трансформацией усилий для простейшего двухточечного нагружения пьезоэлемента показаны на рис, 5.2, е, ж. В схеме на pic. 5.2, е приложение сил растяжения F вызывает растяжение нижнего и сжатие верхнего резонаторов. Аналогичная ситуация имеет место и в схеме на рис. 5.2, ж. Размещение пьезорезонаторов на ориентированных перемычках (рис, 5.2, з) обеспечивает противоположные знаки деформаций ПР [79, 80].



Как было отмечено в § 2-2, силочувствительность в общем случае зависит от температуры и только при определенных азимутах приложения усилий температурный эффект равен нулю. Этот угол, как было показано, близок к ij/ = 40°. Конструкции преобразователей, приведенных на рис. 5.2, позволяют сделать практически нулевой зависимость силочувствительности дифференциальной схемы от температуры. В схемах на рис. 5.2, е, ж усилия на оба резонатора подаются коллинеарно, поэтому для устранения влияния температуры на силочувствительность достаточно соответствующим образом сориентировать пластину. Для схемы на рис. 5.2, з перемычки непараллельны. Однако если одна из них повернута относительно оси X на оптимальный угол ф = +40°, а другая на угол ф =-40°, то для обоих резонаторов влияние температуры на силочувствительность сводится к нулю.

Выступ в нижней части преобразователя рис. 5.2, е играет роль ограничителя и обеспечивает защиту преобразователя от разрушений при перегрузках. Следует отметить, что благодаря достижениям в области размерной обработки пьезокварца методами химического и ионного травления размеры элементов конструкции, включая и зазоры ограничителя, могут обеспечиваться с микронной точностью. Это можно с успехом использовать как для снижения невоспроизводимости геометрии преобразователей - основной причины разброса силовой чувствительности, так и для снижения температурной погрешности чувствительности. В конструкции рис. 5.2, и обеспечение нулевого ТК силовой чувствительности обеспечивается формированием резонатора на ориентированной перемычке. Точки приложения усилий при этом удалены от чувствительной области вибратора, что значительно снижает влияние нестабильности контактных напряжений в зонах закрепления пьезоэлемента.

Сложнее решается проблема точной взаимной ориентации подводимых усилий, кристаллографических осей и расположения резонаторов в конструкции рис. 5.2, к, где используется один СЧР (расположен по силовой оси) и один опорный ПР дифференциальной схемы. Неизбежный для этого варианта разброс ТК силовой чувствительности можно скомпенсировать путем переноса эффективного центра силочувстви-тельного резонатора, например, путем удаления части электрода. Физическая возможность управления ТК силовой чувствительности основывается на неоднородности системы упругих напряжений по пластине. Поскольку ТК масштаба зависит от комбинации главных напряжений в шюскости (см. § 2-2), при перемещениях эффективного центра электрода происходит фактически изменение системы действующих на резонатор напряжений и, как следствие, вариация ТК его масштаба [82].

Дискретная подстройка силовой чувствительности может быть осуществлена в схеме рис. 5.2, л, характеризующейся переменным сечением вдоль высоты пластины. При использовании в качестве рабочего верхнего из резонаторов, очевидно, чувствительность, пропорциональная сечению на высоте ПР, максимальна, для нижнего ПР она минимальна. 132

5.2. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УСИЛИЙ

Работа пьезорезонансных датчиков механических величин основывается на преобразовании измеряемого воздействия в усилия или деформации силочувствительного резонатора и измерениях частоты ПР либо их приращений. Нередко в этих датчиках в цепочку преобразования вводятся дополнительные упругие элементы (УЭ).

Обычно применением УЭ решаются такие задачи, как выбор диапазона рабочих нагрузок, повьпиение прочности, снижение поперечной чувствительности и в некоторых случаях улучшение температурной стабильности преобразователя (снижение температурного дрейфа нуля, стабилизация масштабного коэффициента, снижение чувствительности к термоударам).

Вопросы конструирования УЭ не новы и достаточно хорошо проработаны в тензорезистивных, вибрационно-частотных и других датчиках механических величин. Многое из опыта по конструированию УЭ оказывается полезным при создании пьезорезонансных преобразователей усилий. Вместе с тем можно указать ряд специфических моментов, которые присущи ПРД и должны учитываться при их построении.

Прежде всего, следует иметь в виду, что контакт между резонатором и УЭ может осуществляться только в свободных от колебаний областях пьезорезонатора. Для обычно применяемых в комбинации с УЭ высокочастотных пьезорезонаторов-пластин необходимо, чтобы область пьезоэлемента вблизи электродов на расстоянии не менее 10 толщин была свободна и не контактировала с другими элементами конструкции. Это обычно обеспечивается выполнением в УЭ проточек, пазов, отверстий и т.д.

По возможности следует исключать воздействие на пьезоэлемент поперечных, скручивающих и других нагрузок, способных разрушить пьезорезонатор. Упругий элемент должен обеспечивать деформации пластины-резонатора стрчго в плоскости пьезоэлемента. Рекомендуется избегать появления в пьезоэлементе больших концентраций напряжений, способствующих развитию трещин, дефекте ров и являющихся потенциальным источником нарушения работоспособности резонатора. Стабильная работа резонатора обеспечивается только в вакууме или герметизированном объеме, заполненном инертным газом (гелием). В тех случаях, когда жестких требований к долговременному дрейфу частоты не предъявляется, допускается работа резонатора в герметизированном объеме, заполненном осушенным и очищенным воздухом.

а) Особенности монтажа пьезорезонаторов в преобразователях усилий

Точностные возможности датчиков механических величин в существенной мере ограничиваются значениями упругого гистерезиса и ползучести, которые порождаются неидеальностью упругих свойств элементов конструкций и соединительных звеньев между ними.



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 39 40 41 42 43 44 45



0.0109