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

CKKP2



Рис. 5.8. Разновидности преобразователей усилий на основе сдвоенных камертонных ПР

ции соответствуют напряжения в зубцах примерно 3 кг/мм. При этом в соответствии с (5.12) нелинейность рабочей характеристики составляет 10%.

Применение СККР в преобразователях усилий требует преодоления двух специфических проблем. Одна из них - потеря добротности пере-страиваемого CKICP при неидентичном силовом нагружении двух зубцов. В случае асимметрии нагрузки зубцы под действием создаваемых в них напряжений по-разному изменяют свои резонансные частоты и перестают колебаться синфазно, в результате чего резко падает добротность и резонансные колебания СККР в целом могут потерять стабильность либо сорваться.

Другая проблема связана с наличием нескольких конкурирующих мод колебаний в вибраторе. Каждая из них характеризуется собственной силовой чувствительностью. В общем случае при некоторых критических нагрузках частоты оказываются близкими настолько, что происходят перескоки частоты, провалы активности и т .п. [87,88].

Это требует тщательного расчета частотозадающих размеров колебательной системы, исключающего возможность подобного пересечения частот, присутствующих в спектре колебаний.

СККР характеризуются малыми габаритными размерами. Их длина колеблется в пределах 3-10 мм, толщина 50-200 мкм; ширина 200 - 500 мкм. Закрепление таких миниатюрных элементов можно упростить, если развить их периферию. Некоторые из вариантов таких СККР показаны на рис. 5.8. Первый из них - элемент с дополнительными упругими развязками [89], ослабляющему возможность разбалансировки зубцов боковыми составляющими (рис. 5.8,д). В конструкции рис. 5.8,6 снимается влияние локальных концентраций напряжений в заделке путем формирования СККР на перемычке. Имеется возможность реализации двухрезонаторных интегральных преобразователей, а также элементов более сложной формы, например, с формированием трех СККР - перемычек, развернутых на 120° (рис. 5.8,в). 146

СКНР

УЭ ВП РВ


Рис. 5.9. Высокоточный преобразователь усилий на основе СККР;

УЭ - упругий элемент; ВП - вакуумированная полость; СШ - силопередающий шток; С - разделительный сильфом; РВ - регулировочный винт для подстройки нуля; Г - гермоввод

Интересно отметить, что при реализации этой конструкции на подложке Z-среза все три СККР оказьтаются идентичны по силовой и температурной чувствительности, поскольку ось Z кристалла является осью симметрии третьего порядка (рис. 5.8 ,г).

Пример применения СККР в устройствах для измерений усилий показан на рис. 5.9 [90]. Для приложения усилия на СККР используется довольно сложная упругая рычажная система, с помощью которой входные усилия (40 Н) трансформируются в усилия, не превышающие допустимых для СКЮ* (примерно 3 Н). Одновременно обеспечивается защита от боковых нагрузок и разбалансировки зубьев. Измеряемые усилия передаются через толкатель. Внутренний объем вакуумирован с помощью сильфонов. Экспериментальные исследования продемонстрировали большие возможности датчиков усилий на СККР. При входной нагрузке в 40 Н разрешающая способность составила около 2,5.10"*. Это примерно на порядок лучше, чем у силоизмеригелей других типов.

5.3. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

В конструкцию преобразователей давления, как правило, входят узел упругого преобразования давления в усилия (деформации) и соединен-ньш с ним сило (тензо) чувствительный элемент. В качестве упругих преобразователей чаще всего используются сильфоны и мембраны. Все конструкции можно разделить на две группы:

комбинированные датчики с металлическими упругими преобразователями;

датчики с барочувствительными элементами [БЧЭ], выполняемыми полностью из пьезокристаллического материала, обычно из пьезокварца.

Кроме указанных разновидностей существует малочисленная группа контактных преобразователей для измерения давления в газовых средах, для которых характерен прямой контакт силочувствительных резонаторов со средой, без применения развязьшающих упругих преобра-



зователей. Датчики контактного типа иашли применение только в экспериментальных исследованиях.

а) Комбинированные датчики давления

Основные варианты конструкций датчиков давления (ДД) с металлическими упругими преобразователями показаны иа рис. 5.10. В простейшем ва{»1анте используется схема с прямым иагружением резонатора усилием, создаваемым мембраной (рис. 5.10,а,б), либо с органи зацией силового воздействия через промежуточные упругие злементь (рис. 5.10,в-е). В качестве упругих преобразователей используются про филированные и плоские мембраны либо сильфоны. Кроме схемь рис. 5.10,Д1Г, использующей коисольиые конструкции силочувстви тельиых элементов с относительно большими рабочими перемещениями (в десятки и сотни микрометров), в остальных датчиках обеспечивает ся заторможенный режим работы упругого преобразователя, опирающе гося иа жесткий силочувствительный элемент. Рабочие деформации СЧЭ ouii4Ho ие превышают 1 мкм.

Кратко охарактеризуем особенности представленных конструкций. Датчики, выполняемые по схешм рис. 5.10, пригодны для измерения как абсолютных, так и избыточных давлений на номинальные значения от 0,1 до 5-10 кгс/см. Для измерений абсолютных давлений внутренняя полость вакуумируется, при измерении избыточных - заполняется инертным газом или очищенным воздухом и поддерживается под опорным Давлением. Конструкция может быть как одно мембранной, так и двухмембраииой. В последнем случае (рис. 5.10,6) уменьшается влияние


S) Н УЭ б) ПР ПР2 г) ПР,


Рис. 5.10. ПРД давления с металлическими упругими элементами;

М - мембрана; К - корпус; УЭ - упругий элемент; ЖЦ - жесткий центр 148

Рис. 5.11. Пьезорезонансный датадк абсолютного давления

13 П


термодеформаций корпуса и снижается воздействие вибрационных нагрузок на пьезоэлемент. На практике конструкции рис. 5.10, а, б получили малое распространение из-за относительной сложности сборки.

Датчик абсолютного давления, показанный на рис.5.11, выполнен в виде термокамеры 1, образованной корпусом 2, основанием б и сило-передающей мембраной 10. Основание 6 содержит держатель 4, в который вмонтирован СЧР 5, и держатель 9, предназначенный для крепления опорного ПР 8. Основание б и держатель 4 соединены развязыва-юшей перемычкой 3.

В держателе 4 укреплен шарик 14, воспринимающий через жесткий центр 75 усилие от мембраны 70 и передающий его на СЧР.

На основании 6 укреплены гермовводь! 7, через которые резонаторы подаслючаются к автогенераторам 16 и 17. Выходной сигнал разностной частоты формируется схемой 75. Полость термокамеры вакуумироваиа. Датчик давления помещен в активный термостат 18 с температурой ста-тирования 40 ± 0,1 °С. Соединения мембраны и крышки 11, а также основания и корпуса осуществляются с помощью электронно-лучевой сварки. Измеряемое давление подается через штуцер 12.

На базе описанной конструктивной схемы реализованы датчики иа диапазоны 0-100, 0-160, 0-250, 0-600-кПа. В качестве силочувствительных резонаторов использованы серийные элементы ЭПК-А и ЭПК-В (см. §5.1) [104].

Основные характеристики для нескольких коиЬтруктивиых модификаций приведены в табл. 5.4.

Из анализа данных таблицы следует, что основной вклад в полную погрешность дает нелинейность преобразования. Использование цифровой линеаризации характеристики датчика обеспечивает погрешность измерений в пределах 0,1 %. Большой диапазон номинальных давлений позволяет перекрыть конструкции рис. 5.12, в которых СЧР йрисоеди-няется непосредственно к выступам на плоской мембране. В этом варианте резонатор работает фактически повторяя деформации внутренней стороны мембраны. Хотя подобная схема достаточно проста и технологична, ей присущи значительные температурные погрешности из-за различия линейного расширения мембраны и кварцевого ПР.



Диапазон измеря-

Тип ПР

Коэффициент преобразования, Гц/кПа

Максималы1ые значения погрешности. Па

емых давлений, кПа

СКО*

Гистерезис

Нелиней-ность

0,1 - 100

ЭПК-А

0,1 - 250

ЭПК-В

0,1 - 250

ЭПК-В

Примечание. СКО* - средняя ющая погрешности).

квадратическая ошибка

(случайная составля-

Конструкции с плоскими металлическими мембранами, сформированными воедино с корпусом, дают хорошие результаты при реализации датчиков гидростатического давления. Один из вариантов такого датчика представлен на рис. 5.13,а, где линзовый резонатор фиксируется с предварительным поджатием путем обеспечения соответствующих допусков на расстояние мевду мембраной и основанием.

В приведенном варианте ДЦ фаски на СЧР сориентированы относительно кристаллографических осей кристалла с таким расчетом, чтобы силовое воздействие на СЧР было направлено вдоль азимута с нулевой температурной нестабильностью чувствительности. На практике из-за разброса в ориентации пьезоэлемента и натяга мембраны полностью скомпенсировать влияние температуры не удается.

Один из вариантов ДД, в котором предусмотрена отстройка от температурного воздействия, приведен на рис. 5.13,6. Датчик выполнен по дифференциальной схеме. Измеряемое давление воспринимается мембраной М, воздействующей на линзовый резонатор nPi. Разворотом этого резонатора вокруг оси, нормальной к плоскости чертежа, обеспечивается подбор ориентации с минимальным температурным влиянием на чувствительность датчика.

Снижение температурного дрейфа нуля датчика достигается независимо, путем разворота второго резонатора. Изменение азимута приложения усилий приводит к вариации силовой чувствительности резонатора. Поскольку степень поджатия резонатора меняется с температурой, удается довернуть ПР таким образом, чтобы разностная выходная частота минимально зависела от температуры.

Консольные конструкции благодаря высокой чувствительности позволяют создавать малогабаритные ДД. Примером может служить частотный датчик избыточного давления,показанный на рис.5.14.Измеряемое давление поступает во входной штуцер датчика и передается на мембрану. При .ее прогибе формируется усилие, воздействующее на консольный преобразователь, содержащий два СЧР и упругую прокладку. В корпусе датчика расположена схема разностного генератора, вырабатыва-



а) ПР

Рис. 5.12. Датчик давления с параллельным расположением ПР и мембраны Рис. 5.13. Датчики давления с предварительным поджатием СЧР

эс кп

о м

1 V-


Рис. 5-14. Датчик избыточного давления ПДК-01:

КП - консольный преобразователь; М - мембрана; ЭС - электронная схема; Ш - штуцер для ввода давления; К - корпус; О - ограничитель



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



0.0007