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

внутри БЧЭ, как на основании, так и на мембране, в зоне, свободной от деформаций. Для повышения чувствительности оба СЧР располагаются в зонах мембраны с противоположными знаками деформации. При этом можно использовать как два дискретных СЧР, так и интегральные преобразователи с двумя резонаторами на одной пластине. Кроме существенного повышения температурной стабильности применение интегральных преобразователей упрощает и монтаж элементов. Вариант такого преобразователя показан на рис. 5.21,г. Один из резонаторов закрепляется над центром мембраны и при ее прогибе растягивается, второй закреплен на периферии и при растяжении первого сжимается.

Оценим чувствительность преобразователя с резонатором на частоту /о, толщиной h и длиной 2L, присоединенным через соединительную прокладку шириной 5 и высотой d к центру мембраны толщиной Н и диаметром 2а.

С приемлемой для практики точностью коэффициент преобразователя давление-частота хорошо описывается соотношением

= А -.---.- , (5.14)

1 - L/a

где ~ ~ /оАГ§; F - площадь поперечного сечения пьезоэлемента.

В первом приближении К обратно пропорционален кубу толщины мембраны;

Варьируя параметры мембраны, а также размеры пьезоэлемента, можно менять в широких диапазонах значения номинальных преобразуемых давлений и чувствительности датчика. Значения А:„ (Гц/кПа) для различных сочетаний Я и 2а приведены в табл. 5.5. В числителе дроби даются значения К„р для резонатора ЭПК-В (11x4x0,167 мм; /о = 10 МГц), в знаменателе - для резонатора АТ-среза (3x8x0,1 мм; /о = 14 МГц).

По схеме рис. 5.21,г реализован датчик атмосферного давления. В качестве чувствительного элемента использован двухрезонаторный интегральный преобразователь размерами 15x4 мм (частота ПР около 10 МГц). Элемент закреплен на мембране в трех точках и подключен в схему разностного генератора. Размеры рабочей части профилированной мембраны: диаметр D = 20 мм, толщина t = 250 мкм; периферия - квадрат со стороной 24 мм, толщиной 1 мм. Внутренняя полость БЧЭ вакуумироваиа. Чувствительность датчика составляет 20 Гц/гПа. Основная погрешность в диапазоне 0-1100 гПа не более + 0,05 %. Диапазон рабочих температур - 40 -н -1-50 °С. 164

Толщина мембраны Н, мм

Значения К при диаметре мембраны 2а, мм

0,2 0,5 1,0

1500

0,34

1,35

0,74

11,9

0,04

0,17

0,38

0,68

0,09

0,37

0,84

1,49

Планарные датчики дифференцналыюго давления. В качестве чувствительных элементов дифференциальных манометров в принципе может Использоваться одномембранный вариант по схеме рис. 5.22. Однако область его применений ограничена, поскольку газовый состав, степень загрязненности в подмембранном пространстве, как правило, не обеспечивают высокую стабильность и надежность установленных в нем пьезорезонаторов. Иногда это удается преодолеть применением входных фильтров. Задача изоляции СЧР от внешней среды решается в двухмембран-ных БЧЭ (рис. 5.23). В первом варианте (рис. 5.23,д) сравнение давлений pi и р2 производится на двух связанных через шток мембранах. СЧР могут располагаться как на одной, так и на обеих мембранах. Во втором варианте (рис. 5.23,6) мембраны соединены только по периферии. Каждая из них работает как преобразователь избыточного давления, равного разности внешнего давления и давления в межмембранной полости, а дифференциальное давление вычисляется как разность

Др = (Pi -Рм) - (Р2-Рм) = Pi-Р2. (5.15)

Точность определения Др зависит от идентичности коэффициентов преобразований двух плеч fci и Лг.где =PilAfi; кг =Рг1А(г.

Проблемы идентичности существуют и в плоском варианте рис. 5.23,в с тем отличием, что здесь мембраны формируются в одном цикле, что обеспечивает их более высокую идентичность. Кроме того, ПР размешаются на открытых поверхностях, что позволяет вести их настройку. Однако для изоляции требуется дополнительный корпус. Заполнение внутреннего объема БЧЭ газом создает проблему борьбы с так называемым баллонным эффектом, проявляющимся в изменении давления Др внутри БЧЭ при изменениях температуры Т. Для идеальных газов

Др/р = т/т,

где Г - абсолютная температура, К.

(5.16)



/ / /

...... >

/a к

z Ж

Рис. 5.23. Датчики разности давлений

Рис. 5.24. Датчик акустического давления

Баллонный эффект весьма значителен - при Д7= 100° давление меняется примерно на 30%. В дифференциальных схемах его влияние ослабляется по мере повышения идентичности плеч. Так, при разбросе чувствитепьностей в 3% температурный сдвиг нуля в схемах рис. 5.23 при ДГ = 100° уже не превышает 1% верхнего предела измеряемого перепада, если межмембранный объем герметизируется под атмосферным давлением. Снижение внутреннего давления пропорционально снижает и влияние,баллонного эффекта.

В целях максимального использования прочностных возможностей БЧЭ опорное давление должно выбираться из соображений минимального перепада давления на мембране. Проблема идентичности плеч дифференциального ДЦ более просто решается ijpn использовании в планарном BapiaHTe дискретных плоских мембран. В качестве примера [101] описана конструкция датчика разрежения типа ПДК-04, где БЧЭ вьшол-нен в виде двух идентичных мембран толщиной 300 мкм, на каждой из которых Приклеивается силочувствительный резонатор типа ЭПК-В.

Мембраны соединяются через кольцо. Все элементы выполнены из пьезокварца одной ориентации. Внутренняя полость БЧЭ заполнена осушенным азотом под атмосферным давлением. Одна из мембран находится под атмосферным давлением, на вторую через штуцер подводится измеряемое давление (разрежение). В изолированной части корпуса размещается схема разностного генератора, формирующего сигнал разностной частоты.

в) Мезаструктурные датчики акустического давления

Одно из перспективных направлений в проектировании датчиков давления с кварцевыми БЧЭ связано с применением чувствительных элементов, реализованных в форме мезаструктурных резонаторов.

На основе комбинации из двух соединенных между собой идентичных мезаструктурных мембран авторами [101] создан высокочувствительный датчик акустического давления (рис. 5.24). В межмембранном пространстве находится воздух. При работе в режиме приемника акустических сигналов происходит .синфазная деформация мембран, поскольку расстояние между ними г во много раз меньше длины падающей акустической волны (Х/г > 10). Если в исходном состоянии мембраны разгружены, разностная частота на выходе не изменяется вследствие равных чувствительностей резонаторов. Для формирования значительного акустического отклика в межмембранном пространстве создается давление, отличное от окружающего. При этом происходит прогиб мембран в разные стороны, и вследствие нелинейности характеристики давление-частота при подводе акустического давления появляется отклик разностной частоты. Благодаря малой толщине мембраны (<« 30 мкм) подобный приемник позволяет фиксировать акустические давления на уровне 10" Па. Диапазон рабочих, частот определяется механическими резонансами мембраны и может достигать 40-50 кГц. Нелинейность амплитудной характертстики вследствие малости акустических давлений в сравнении со статическими не превышает долей процента.

5.4. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ

а) Общая характеристика [108,110,112,113]

Работа пьезорезонансных акселерометров основана на зависимости частоты силочувствительных резонаторов от инерционного усилия F, пропорщонального значениям ускорения w и инерционной массы т : F= = mw. Основные элементы конструкций акселерометров - силочувствительные резонаторы, обычно пьезоква1щевые, элементы упругого подвеса (УП), инерционные массы (ИМ), корпус и встроенная электронная схема. Назначение упругого подвеса - передача без искажений на ПР HHeptHOHHbix усилий вдоль оси чувствительности и защита ПР от действия боковых составляющих. С помощью пьезорезонансных акселерометров решаются в основном задачи измерения линейных ускорений. В простейшем варианте реализуются однокомпонентные П1жборы. Для измерения ускорений по трем координатам применяют либо три отдельных однокомпонентных датчика, либо блок, в котором три подвижные системы с ПР и ИМ сформированы на соответствующих гранях общего основания. В настоящем разделе будут рассматриваться в основном однокомпонентные датчики,



Кварцевые датчики линейных ускорений (КДЛУ), как правило, строятся по дифференциальной схеме. К преимуществам этой схемы, кроме традиционных (повьпиения стабильности, линейности, снижения выходной частоты), относится еще и то, что дифференциальная схема позволяет снизить чувствительность к боковым компонентам ускорения.

Чувствительность дифференциальной схемы по сравнению соднорезо-наторной повышается ценой увеличения суммарной инерционной массы. Этого можно избежать, если использовать СЧР, рассчитанные на меньшие номинальные нагрузки. Однако уменьшение поперечных сечений СЧР влечет за собой повышение поперечной чувствительности и снижение частоты механического резонанса конструкций.

Крутизна рабочей характеристики 5 КДЛУ определяется отношением

(5.17)

Инерционная масса обычно варьируется в пределах от 0,1 до 1000 г, а крутизна характеристики - в пределах 0,1-10 Гц с/м.

Практически в КДЛУ используются сдвигово-толщинные резонаторы с частотой 5-15 МГц, реже - низкочастотные ПР с колебаниями изгиба около 30-50 кГц, выполненные в виде сдвоенных камертонов объемного типа.

Порог чувствительности по ускорениям для КДЛУ определяется кратковременной нестабильностью генератора (Д /)кр и равен

Порог чувствительности по ускорениям можно снизить до 10"* - 10"* м/с. Динамический диапазон КДЛУ достаточно высок. Для сдвиговых СЧР он достигает iC* - 10*, для изгибных СЧР, имеющих на 2-3 порядка большие относительные изменения частоты (± 10-н 20%), динамический диапазоне лучших приборах достигает 10 - 10*.

КДЛУ характеризует высокая линейность преобразования, обычно не хуже 0,1 - Оу2%, Это упрощает обработку снимаемой с них информации и, кроме того, устраняет эффект смещения характеристики при вибрационных помехах, характерный для нелинейных преобразователей.

Частотный выход упрощает операции интегрирования ускорения, необходимые при решении навигационных задач в системах управления летательных аппаратов и транспортных средств для определения скорости (однократное интегрирование) и пройденного расстояния (двойное интегрирование).

Наиболее распространенные применения КДЛУ относятся к системам измерений с умеренной точностью (0,05-3%). В этих приборах удачно сочетаются сравнительная конструктивная простота, малые габаритные размеры, масса,потребление энергии и низкая стоимость. 168

6) Конструкции акселерометров

Основные разновидности конструктивных схем однокомпонентных КДЛУ представлены на рис. 5.25. Во всех примерах ось чувствительности 04 прибора лежит в плоскости чертежа и направлена вертикально.

В схеме на рис. 5.25,а инерционная масса М укреплена в подвесе УП плоско параллельно го типа. Центр инерционной массы совпадает с плоскостью пьезоэлемента. При ускорении платформы, на которой размещен акселерометр, в вертикальном направлении резонатор подвергается деформациям сжатия (при ускорении вверх в плоскости чертежа) или растяжения (при ускорении вниз) с силой F = Mw.

Дифференциальный пьезоакселерометр (рис. 5.25,6) содержит две идентичные секции, взаимно развернутые на 180° в плоскости чертежа. При ускорении вдоль оси чувствительности один из резонаторов сжимается, а другой растягивается, чем обеспечиваются равные по абсолютному значению и противоположные по знаку изменения частот пьезорезонаторов. Схема рис. 5.25,в [144] представляет модификацию схемы рис. 5.25,6 и отличается исгользованием дополнительной пружины, создающей предварительное сжатие пьезорезонаторов. Натяг пружины выбирается таким образом, чтобы при всех значениях измеряемых ускорений деформации резонаторов оставались деформациями сжатия. Это дает увеличение диапазона допустимых нагрузок пьезоэлементов более чем на порядок, поскольку, как уже отмечалось, допустимые напряжения сжатия для пьезокварца в 24 раза превышают допустимые напряжения растяжения.

В схеме используются два включаемых дифференциально-изгибных резонатора ПР и ПР2, соединяемых с корпусом К и массой М струнами. Последние припаиваются или привариваются в узловых точках резонатора. Ускорение укрепленной на упругом подвесе массы вызывает деформации резонаторов по длине.

Дифференциальный пьезоакселерометр, состоящий из двух идентичных секций, представлен на рис. 525,д. В каждой из секций центр инерционной массы совмещается с осью пьезорезонатора. В этом случае обеспечивается минимальная чувствительность к боковым ускорениям.

В схеме на рис. 5.25,е увеличение масштабного коэффициента 5 При фиксированной инерционной массе (или уменьшение массы при фиксированном значении коэффициента S) достигается использованием рычага. Нетрудно видеть, что увеличение крутизны преобразования по ускорениям, действующим вдоль оси чувствительности, сопровождается и соответствующим усилением влияния поперечных эффектов. Кроме того, в схеме с усилением сер>езную проблему представляет наличие перерезывающих сил в центре вращения подвеса О. Требования прочности вынуждают повышать жесткость подвеса, что в конечном счете отрицательно сказывается на точности акселерометра.

Схема на рис. 5.25,d, в которой центр инерционной массы совмещен с плоскостью пьезорезонатора, подобным недостатком не страдает.



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