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

мическое расширение демпфирующей жидкости - приводит к появлению дополнительных деформаций сильфона вдоль консоли. Для снятия возникающих при этом паразитных нагрузок на пьезоэлементы соединение консоли и сильфона с закрепленной снаружи инерционной массой выполняется скользящим. Благодаря этому устраняется влияние гер-модеформаций на нулевой сигнал датчика. Одновременно снижается и чувствительность к боковой (горизонтальной) составляющей ускорений и ударов.

Однако смещение массы вдоль консоли меняет момент нагрузки консоли при действии полезных ускорений и, следовательно, крутизну характеристики ускорение-частота. Для компенсации температурной нестабильности крутизны резонаторы консольного преобразователя подбираются таким образом, чтобы эффекты от расширения жидкости, приводящие к смещению массы, компенсировались встречными эффектами изменения силовой чувствительности СЧР от температуры. Разработанные акселерометры характеризуются максимальным полезным изменением рабочей частоты ± 500 Гц, двойным запасом прочности при коэффициенте демпфирования 0,6. Линейность составляет 0,2% от верхнего предела, воспроизводимость характеристики 0,2%. Питание 1,5 В, 3,5 мА. Акселерометры работают на кабель длиной до 100 м. Уход нуля датчиков за три месяца составляет около 1 % от верхнего предела (Д/ 50 Гц).

Датчики BbinojmnroTCH в трех модификациях [60], приведенных в табл. 5.7.

Табпица 5.7

Диапазон

Крутизна

Габаритные

Модель

ускорение.

преобразо-

размеры, мм

вания.

Гц/(м .с")

QA 030 DА

± 30

50 X 20 X 20

QA 100 D А

± 100

40 X 20 X 20

QA югмА

+ 10 ООО

19 X 19x22

г) Пьезорезонансный наклономер

Коэффициент чувствительности Kg к ускорению силы тяжести Kg для пьезорезонансных акселерометров меняется в зависимости от ориентации приборов в пространстве по закону

(5.27)

К =К

go cos«

где а - угол между направлением силы тяжести и осью чувствительности акселерометра; KgQ - чувствительность к ускорению силы тяжести, 176



10 ш

Рис. 5.29. Наклономер:

УЭ - упругий элемент; С - сильфон; ЖД - жидкостный демпфер; О - ограничитель; ИМ - инерционная масса; Н - наклономер; К - корпус

Гц/мс , при а = 90°. Для малых отклонений Да вблизи а = 90° АК = Kgo зшДа S KgoA.a.

Соотношение положено в основу работы датчика угла наклона, предложенного компанией Токио Денпа [60]. Конструкция устройства показана на рис. 5.29. Основу датчика составляет консольный преобразователь с силочувствительным пьезорезонатором СЧР. Через длинную штангу он соединяется с инерционной массой ИМ. В рабочем положении ось чувствительности 04 развернута относительно оси силы тяжести (отвеса) на угол а = 90 ± 10° . Большая длина соединительной штанги (~ 150 мм) обеспечивает высокую чувствительность АГц. Однако при этом возникают проблемы эксплуатационной надежности прибора в связи с низкой прочностью преобразователя при ударах и вибрациях. Для повышения механической устойчивости в конструкции предусмотрены жидкостной демпфер ЖД, цилиндрический ограничитель О хода ИМ и ударопоглогигель (см. рис. 5.29,д). Жидкостной демпфер по принципу аналогичен демпферу, примененному в акселерометрах компании, описанных вьипе. Разделение полоста с демпфирующей жидкостью от полости с пьезорезонансными ЧЭ обеспечивается сильфоном С. Зазор между цилиндрической стенкой полости с жидкостью и ИМ выбран исходя из допустимых перемещений конца штанги вдоль 04. Занщга от ударов обеспечена подвеской инерционной массы к штанге через промежуточную пружину, сглаживающую перегрузки в вертикальном направлении.

Прибор с датчиком наклона предназначен для инженерных работ при сооружении мостов, дорог и т.п. и выполнен в переносном варианте с пиганиеА! от батарей. При замерах наклона прибор устанавливается дном



на контролируемую поверхность. Величина наклона в процентах индицируется через 10 с после нажатия кнопки "пуск" на цифровом индикаторе, выполненном на светодиодах. Пьезорезонансный цифровой измеритель наклона компании Токио Денпа имеет следующие характеристики:

Диапазон измерений, %............... ±10

Точность, % ...................... ±0,2

Разрешающая способность, %........... ±0,01

Поперечная чувствительность........... Ничтожно мала при

углах наклона до 6°

Диапазон рабочих температур, °С........ -10 +50

Габаритные размеры, мм.............. 190 х 130 х 230

Масса (с источником питания), кг........ 5,1

5.5. ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1. Емкостные частотные датчики с пьезоэлектрической стабилизацией.

Как уже отмечалось, частота кварцевого генератора изменяется в функции емкости, включенной последовательно или параллельно резонатору. На этой основе реализуются авто генераторные частотные датчики с перестраиваемой емкостью. Нашли применение два основных варианта подобных пьезопреобразователей:

с управляемой емкостью зазора между электродом и поверхностью пьезовибратора;

с управляемой емкостью, выполненной в виде самостоятельного чувствительного элемента, включенного в цепь автогенератора последовательно с резонатором.

Первый тип преобразователей можно однозначно отнести к пьезоре-зонансным с модуляцией геометрии, поскольку модуляция электрических характеристик цепи с пьезорезонагором достигается изменением расстояния между элементами ПР - вибратора и электродов.

Преобразователи второго типа следует считать преобразователями емкостного тит. Использование в них стабилизирующего кварцевого генератора дает этим датчикам определенные преимущества, однако модуляции параметров собственно пьезорезонаторов в этой схеме включения не Происходит.

У датчиков давления с модуляцией геометрии изолированный от мембраны электрод, перемещаясь вместе с мембраной под действием давления, изменяет зазор до пьезоэлемента, закрепленного на основании датчика [114] и выполненного в виде линзы ЛГ-среза. Подобный датчик был применен для внутриполостных измерений давления при медицинских исследованиях. Высокочастотный выход обеспечивает беспроводную передачу измерительной информации из тела пациента по радиоканалу.


А г.

f1-h

ФСРЧ


"1

1 г г

Рис. 5.30. Преобразователь давления ПДКИ-04:

АГ - автогенератор; ФСРЧ - формирователь сигнала разностной частоты; УФ - усилитель-формирователь

Датчик давления емкостного типа с кварцевой стабилизацией показан на рис. 5.30. Здесь переменная емкость включается в качестве элемента управления частотой генератора с пьезоэлектрической стабилизацией. Конструкции этих датчиков характеризуются большим разнообразием. Проиллюстрируем ряд существенных особенностей этих приборов на примере датчика атмосферного давления типа ПДКИ-0,3 [115], используемого в составе мультиметра "Электроника МК-Г. Емкостный баро-чувствительный элемент включается в контур автогенератора последовательно с кварцевым ПР.

Частота последовательного резонанса цепочки ПР - емкостный чувствительный элемент (ЕЧЭ) и соответственно частота генератора определяются выражением

0,5т

1 + Со/Су

(5.28)

где - частота параллельного резонанса ПР; т - емкостное отношение ПР; Со - статическая емкость; Су - емкость ЕЧЭ. Применение дифференциальной схемы позволяет линеаризовать градуировочную ха-



рактеристику. Действительно, если опорный генератор настроен на частоту параллельного резонанса ПР, включенного в управляемый генератор, то период выходной разностной частоты линейно зависит от давления.

На описанном принципе разработан датчик атмосферного давления типа ПДКИ-03 на диапазон 630-800 мм рт.ст.

Конструкция датчика представлена на рис. 5.30,а .

Датчик давления состоит из металлического корпуса 1, разделенного на две части керамической или ситалловой перегородкой 2, с одной стороны которой находится ЧЭ а с другой - электронная схема датчика 4. Внутренний объем, содержащий электронную схему, герметизирован. Для гюдсоединения к внешним цепям служит розетка 5, установленная на крышке 6. Для корректировки уходов частоты датчиков служит корректор. Соединение с внешним задатчиком осуществляется через штуцер 7.

Структурная схема датчика (рис. 5.30,в) содержит емкостный ЧЭ Су, включенный последовательно с кварцевым резонатором ЯР) в цепь обратной связи измерительного генератора AFi, опорный кварцевый резонатор ПР, включенный в цепь обратной связи опорного генератора АГг, смеситель-формирователь выходного низкочастотного сигнала ФСР¥, корректор частоты Соп, усилитель-формирователь УФ.

Емкостный чувствительный элемент (рис. 5.30,6) состоит из жесткого основания О и мембраны М с нанесенными на них электродами. Для уменьшения гистерезиса, старения и температурной погрешности основание и мембрана вьшолнены из монокристаллического кварца среза. Характеристики датчика приведены ниже.

Рабочий диапазон, мм рт.ст............. 630-800

Коэффициент преобразования, мкс/мм..... 27

Гистерезис и невоспроизводимость, мм рт. ст. 0,1

Порог чувствительности, мм рт. ст......... 0,001

Температурный дрейф нуля, мм рт. сг./°С 0,1-0,3 Температурный дрейф коэффициента преобразования, отн.ед./°С ................ 2 10

Временной дрейф, мм рт.ст./мес ......... 0,1

Габаритные размеры, мм.............. 70 х 64 х 82

Масса, г......................... 350

Для развязки рабочей области мембраны от мест соединения с основанием она вьшолнена как одно целое с утолщенным бортиком, расположенным по периферии. Внутренний объем ЧЭ вакуумирован. Основание и мембрана соединяются между собой легкоплавким стеклом С-90 в атмосфере воздуха с последующим вакуумированием через специальное технологическое отверстие в основании.

2. Пьезорезонансные датчики для волоконно-оптических каналов [118] связи. Быстрое развитие волоконно-оптических устройств и систем обработки и передачи информации поставило на повестку дня задачу разработки датчиков, обеспечивающих простой ввод измерительной ин-180

формации в волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Один из путей решения этой задачи связан с использованием эффектов модуляции параметров оптического излучения при прохождении через колеблющийся пьезокристаллический вибратор. Благодаря упруго-оптическому эффекту [6] поляризованный световой поток, проходя через оптически прозрачный вибрирующий кристалл и выходной анализатор, оказьшается промодулированным по яркости, причем частота модуляции совпадает с частотой упругих колебаний в кристалле. Принцип действия ПРД, сопрягаемых с ВОЛС, поясняется рис. 5 31,а. Лазерное излучение через многомодовую ВОЛС подается на поляризатор П. Между поляризатором и анализатором установлен линзовый пьезорезонатор ПР с колебаниями толщинного сдвига. В торцах резонатора вьшолнены полированные окна, обеспечивающие сквозное прохожцение света через центральную зону активных упругих колебаний. К выходному анализатору А присоединена ВОЛС.

При отсутствии колебаний ПР яркость светового потока в выходной ВОЛС близка к нулю. При возбуждении кристалла на резонансной частоте яркость выходного потока становится модулированной с частотой колебаний ПР. Если изменять частоту колебаний путем изменения температуры ПР, толщины пленки, осаждаемой на поверхность, либо силовым воздействием на кристалл, то идентичные изменения частоты модуляции света возникнут и в выходной ВОЛС. На указанном принципе реализуется съем сигнала и с дифференциального датчика с двумя перестраиваемыми ПР (рис. 5.31,6). В этом случае, поставив на пути оптического пучка не один, а два ПР, получают в выходной ВОЛС поток, модулированный с разностной частотой колебаний двух ПР.

3, Вибрационные микровесы. В исследовательской лаборатории фирмы Филипс (Голландия) разработаны простые микровесы с частотным выходом с порогом чувствительности на уровне 10~ мг при массе взвешиваемых образцов до 5 мг. В отличие от пьезорезонансных устройств, использующих тензочувствительность либо масс-чувствительность ПР, в предложенном устройстве реализуется зависимость частоты резонансной механической системы с образцовой пружиной жесткостью /Гот измеряемой массы Л/ [117] :

(5.29)

Конструкция вибрационных микровесов показана на рис. 5.32. Упругая система представляет К-образную консоль из плавленого кварца. Измеряемая масса подвешивается на острие пружины элемента. Концы консоли крепятся к пьезовибраторам, закрепляемым в основании. Один из пьезоэлементов используется для возбуждения в системе механических колебаний, другой - для съема. Коэффициент передачи по напряжению изменяется в зависимости от входной частоты и максимален, когда она совпадает с резонансной частотой механической колебатель-



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



0.0009