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

от верхнего предела

Пьезокристаллический кварц - один из наиболее совершенных материалов. Практически он может считаться безгистерезисным, не имеющим пластичности и сохраняющим упругие свойства вплоть до нагрузок, близких к разрушающим. Таким образом, реализация пьезоквар-цевого датчика в виде монолитной конструкции позволила бы исключить гистерезис из числа факторов, снижающих точность измерений. Это утверждение подтверждается практическими разработками - в датчике гидростатического давления фирмы Хьюлетт-Паккард реализация чувствительного элемента в монолитном исполнении обеспечила чрезвычайно низкий уровень гистерезиса - 10"*-МО" измерений [95].

Опыт построения датчиков механических величин других типов также свидетельствует, что повышение уровня конструктивной интеграции функциональных элементов датчика является наиболее эффективным путем повышения точностных показателей приборов [25].

Основная трудность создания монолитных чувствительных элементов определяется технологическими моментами. Здесь уместно вспомнить, что при традиционной технологии изготовления пьезоэлементов для приборов стабилизации частоты обычно применяется механическая обработка открытых поверхностей ориентированных кристаллических заготовок, обеспечивающая заданную толщину, плоскопараллельность, качество шлифовки (полировки). В то же время для изготовления монолитных узлов механических датчиков, как правило, требуется формообразование кварцевых деталей существенно более сложных профилей. Поскольку пьезокварц - плохо обрабатываемый материал, имеются большие трудности точной размерной обработки кристаллических деталей традиционными и механическими способами.

В этой связи значительная часть механических ПРД выполняется на основе соединения деталей дискретных кристаллических элементов; при этом соединительные звенья являются основным источником нестабильности и гистерезиса датчиков.

Основные способы включения дискретных силочувствительных резонаторов в кинематическую цепочку датчика показаны на рис. 5.3. Применяются два основных варианта - неразъемные соединения с помощью клеев, пайки, стеклоспаев, диффузии и т.д. и разъемные, предусматривающие фиксацию пьезорезонатора в конструкции путем его предварительного поджатия. Неразъемные соединения используются в основном для плоских пьезоэлементов с толщиной до 0,5-1 мм. Фиксация поджатием чаще применяется для элементов толщиной свьппе 1 мм.

Основными требованиями к соединениям являются: минимум вносимых погрешностей при механических измерениях во всех условиях эксплуатации и хранения датчиков, включая длительное сохранение стабильности градуировочной характеристики датчика; минимум гистерезиса и ползучести под нагрузками; постоянство упругих свойств в диапазоне рабочих температур и др. 134


Рис 5 3 Схемы включения силочувствительных резонаторов:

а ts - неразъемные соединения; г. д, е. ж - с фиксацией предэарительным поджаем; Г-н "зозонатор; 2 - лонередаюший упругий элемент; 3 - соединительный слой; 4 - фиксирующие прокладки

Среди применяемых соединений наиболее распространенными остаются клеевые. На их основе могут реапизовываться датчики механических величин с гистерезисом на уровне 0,1-0,2 % верхнего предела измеряемой величины. В отдельньгх случаях этот показатель может быгь снижен до 0,05 %, Достоинством клеев являются сравнительно невысокие температуры соединений, определяющие небольшие остаточные деформации. К недостаткам клеев следует отнести прежде всего их низкую технологичность, проблемы автоматизации сборочного процесса при серийном производстве, трудности получения тонких соединительных слоев. При наличии постоянных нагрузок клеевым соединениям присуща значительная ползучесть, затрудняющая реализацию датчиков с временным дрейфом менее 1 -2 % за год.

Несколько лучшими параметрами обладают соединения пайкой, требующие предварительного нанесения на соединяемые поверхности



тонких слоев металлов. Гистерезис и ползучесть паяных соединений хотя и меньше, чем клеевых, однако остаются высокими, что связано с низкими допустимыми для кварца температурами соединений и сравнительно большими толщинами соединительных слоев. Нельзя сбрасывать со счетов и газоотделение при пайке, вызывающее дополнительное старение резонаторов.

В последние годы все большее распространение получают соединения кварцевых элементов с помощью стеклостев. В качестве соединительных материалов используются стеклоцементы, легкоплавкие стекла и др. Главное достоинство стеклосоединений - практически ничтожный уровень вносимого гистерезиса и ползучести благодаря совершенству упругих свойств. Соединения стеклоспаями технологичны. Как показывает накопленный при производстве электронных приборов опыт, процессы соединения стеклом поддаются механизации и приемлемы для массового производства.

Однако массовому использованию стеклосоединений в ПРД препятствует ряд проблем. Температуры плавления стекол близки к 400-450 °С. Уровень остаточных напряжений после сборки может составлять от 10 до 60 % от предельно допустимых. Это связано с различием температурных коэффициентов расширения стеклоспая и пьезокварца. Принципиальным препятствием для полного согласования ТКР во всем температурном диапазоне при сборке и эксплуатации является значительная анизотропия кварца. Остаточные напряжения снижают запас прочности конструкций. Кроме того, их релаксация является источником дрейфа нуля датчиков.

Высокотемпературные режимы требуют тщательной отработки технологических процессов, обеспечивающих сохраняемость электродов пьезорезонатора на операциях сборки.

Эвтектики характеризуются несколько меньшими температурами соединений по сравнению со стеклоспаями. В частности [173], при использовании в кварцевых датчиках эвтектики золото-олово температура соединения составляет 250 °С. Толщина эвтектических слоев может быть снижена до 0,1-5 мкм. Обеспечивается герметичность соединения. Прочность соединения заметно меньше, чем у стекло-спаев.

Диффузионные соединения формируются путем осаждения на соединяемые детали пленок металлов и приложением давления при повьпиен-ных температурах. С учетом сравнительно низких предельных температур пьезокварца применяются соединения через А1. Малая толщина и высокая прочность диффузионных соединений позволяют создавать на их основе конструкции датчиков с ничтожно малым уровнем гистерезиса.

На сегодня наиболее перспективными с точки зрения повышения точностных возможностей механических ПРД, по-видимому, следует считать соединения стеклоспаями, эвтектикой и диффузией.

Тип соединения

Толщина соединительных слоев, мкм

Температура соединения, °С

Прочность

соединения,

кг/см

Максималь- Гистерезис, ные рабочие % максималь-температуры, ной нагрузки °С

Клеи

100-

-500

0.1 -0,5

Пайка

50-400

-530

100-

-200

-500

0,05-0,5

Сгеклоспаи

-200

-500

300-

-400

-500

0,02

Эвтектики

-500

100-

-200

-500

0,05

Диффузион-

-520

200-

-400

-550

0,02

Характеристики основных типов соединительных материалов приведены в табл. 5.3.

В конструкциях с поджатием предварительный натяг создается за счет использования пружин различных типов, обеспечивающих требуемый уровень сжатия резонатора. Однако это усложняет конструкцию, снижает ее устойчивость при воздействиях вибраций, вносит дополнительное старение.

Более оправдано поджатие ПРв упругом элементе, обладающем достаточной жесткостью /г- Если расстояние между точками крепления в таком элементе делается меньше размера пьезоэлемента на Ддс, то после установки пьезоэлемента он оказывается поджатым усилием Fn = = kyts Ax. Поджатие, естественно, должно выбираться достаточным для стабильного контакта УЭ и СЧР, и, с другой стороны, должно быть существенно меньше предельно допустимых нагрузок на ПР, поскольку измеряемые воздействия могут иметь тот же знак, что и поджимающие (рис. 5.3,г).

Контакт между УЭ и СЧР по плоским торцам (рис. 5.3, д) требует высокой плоскопараллельности контактных поверхностей.

При точечной схеме нагружения выполнение контактной области в виде сферы позволяет исключить сколы на пьезоэлементе при больших сжимающих напряжениях. Однако образование сферы небольшого радиуса на торце линзового ПР нетехнологично. Поэтому в резонаторе типа ЭПК-Г (см. § 5.1) на торце формируются две поверхности, как показано на рис. 5.1, обеспечивающие в контакте с пазом в УЭ сохранение объемного напряженного состояния. При точечном контакте существенную роль играет сминаемость материала УЭ. Из-за пластичности металла с течением времени площадь контакта постепенно увеличивается, что приводит к изменению напряжений в активной области пьезоэлемента и в конечном счете к вариации чувствительности датчика. Для устранения этого эффекта требуется упрочение контактной зоны УЭ, например, закалкой; дает результат и предварительное обмятие УЭ нагрузкой, значительно большей рабочей. Стабилизация площади



контакта достигается и применением двухслойных контактных площадок (рис. 5.3, ж). В этом случае наружный тонкий слой выполняется из мягкого металла, а внутренний - из металла с высокой твердостью. Предварительным обмятием в мягком слое формируется ложе для ПР, стабилизирующее контактную зону [84].

Если резонатор включается параллельно УЭ большой жесткости, особо важное значение должно придаваться свойствам материала, соединяющего детали. Фактически соединительный слой в этом случае является звеном, передающим деформации УЭ на СЧР. В идеале эти деформации должны передаваться без искажений, чему соответствует бесконечная жесткость (нулевая толщина) соединительного слоя. На практике эти деформации составляют единицы-десятки микрон, и деформации соединительного слоя оказываются сопоставимыми с ними. В этой ситуации соединение должно быть минимальным по толщине, безгистерезисным и сохранять свои упругие характеристики во всех условиях эксплуатации, в первую очередь при изменениях температуры. Как уже отмечалось, с этих позиций более предпочтительны не клеевые соединения, а диффузионные и стеклоспаи.

Разновидности преобразователей усилий. Можно выделить две группы пьезорезонансных преобразователей усилий в частоту:

динамометрические преобразователи, в которых полезные усилия Fp, приводимые на резонатор, меньше усилий, подаваемых на преобразователь Fn (Fp < Fn);

преобразователи малых усилий, для которых Fp > Fn.

б) Конструкции динамометрических преобразователей

Основные разновидности конструкций динамометрических преобразователей с УЭ приведены на рис. 5.4. Простейшая конструкция (рис. 5.4, а) содержит одинарный пьезорезонатор, включенный параллельно УЭ.

В схеме преобразователя дифференциального типа (рис. 5.4, б) сжатие УЭ приводит к деформациям двух идентичных резонаторов с противоположными знаками, в результате чего изменяется их разностная частота.

В схемах с УЭ предельно допустимые усилия возрастают по сравнению со схемой без УЭ пропорционально отношению продольных жест-костей УЭ и резонатора. При использовании УЭ диапазон измеряемых усилий может быть изменен в сторону увеличения номинальных нагрузок в 10-1000 раз. Выбор требуемого предела измерений может достигаться как изменением габаритных размеров УЭ, так и ослаблением продольной жесткости конструкции при помощи отверстий, пазов и тд. Вариант силоизмерителя подобного типа приведен на рис. 5.4, е.

Упругие элементы используются для защиты резонатора-пластины от разрушения боковыми нагрузками без изменения масштабного


Рис 5 4 Конструкции пьезорезонансных динамометрических преобразователей: ПР - пьезорезонатор; УЭ - упругий элемент; СО - сквозное отверстие

коэффициента преобразования. Так, в схеме на рис. 5.4, г продольная жесткость УЭ мапа по сравнению с продольной жесткостью пьезорезонатора, поэтому крутизна преобразования силы в частоту практически равна силовой чувствительности пьезорезонатора, если усилие F лежит в плоскости резонатора (/ = 0). В то же время большая поперечная жесткость упругого элемента повышает устойчивость резонатора при боковых воздействиях, снижая одновременно поперечную чувствительность датчика.

Применение упругого элемента оказывается иногда полезным в плане подстройки крутизны преобразования датчика. В частности, в схеме на рис. 5.4, г с увеличением расстояния / крутизна преобразования монотонно уменьшается. Таким образом, выбирая точку приложения усилий, можно обеспечить требуемую крутизну преобразования.

в) Термостабильиость силочувствительных элементов

Различие температурных коэффициентов линейного расширения пьезорезонатора и упругого элемента порождает температурные напряжения в пьезоэлементе и дополнительные уходы его частоты. Оценим этот эффект. Если разность температурных коэффициентов равна Да, то термонапряжение О/ в пьезорезонаторе-пластине для схемы на рис. 5.4, а определяется как

а, = ДаД/, (5.1)

где Скв - упругий модуль в направлении длины пьезоэлемента.

В соответствии с (2.23) относительные уходы частоты, вызванные термонапряжениями, определяются как

(5.2)



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



0.0063