Кварцевый силочувствительный элемент

 

КВАРЦЕВЫЙ СИЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами , разделенные прокладками вне активных зон колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности, электроды вьтолнены в виде параллельных гребенок с зубцами прямоугольной формы и расположены на внешних сторонах кварцевых пластин со смещением зубцов электродов одной гребенки относительно другой, определяемым соотношением Ж е 0,2. 0,8, где uE - смещение зубцов электродов; Е - ширина зубцов электродов, причем расстояние между зубцами больше указанного максимального смещения, отношение толщины прокладки к толщине кварцевой пластиЕ1ы выбрано в пределах 0,1-1,0 а отношение ширины зубцов b электрода к его длине выбрано в пределах 0,2-1,0.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1117466

511 G 01 L 1/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ЗСЕСОИЗНА :, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ: "3,",",„.,;"..""..

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3638079/24-10 (22) 17.08.83 (46) 07.10.84. Бюл. Ф 37 (72) В.Я.Баржин, Ю.С.Шмалий, А.Е.Обуховский и В.А.Шевелев (53) 531.781(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство ".,ССР

Ф 345593, кл. Н 03 Н 9/17, 1970.

2. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М., "Энергия", 1978, с. 182 (прототип). (54) (57) КВАРЦЕВЫЙ СИЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ

ЭЛЕМЕНТ, содержащий две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами, разделенные прокладками вне активных зон колебаний, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения его чувствительности, электроды выполнены в виде параллельных гребенок с зубцами прямоу ольной формы и расположены на внешних сторонах кварцевых пластин со смещением зубцов электродов одной гребенки относительно другой, определяемым соотношением где 61 — смещение зубцов электродов, — ширина зубцов электродов, причем расстояние между зубцами больше указанного максимального смещения, отношение толщины прокладки к толщине кварцевой пластины выбрано в пределах

З

О, 1-1, 0 а от ноше ние шир ины з уб цо в электрода к его длине выбрано в пределах 0,2-1,0.

С:

i 11 74

Изобретение относится к технике измерений неэлектрических величин, в частности параметров давлений, сил и т.д.

Известен пьезоэлемент для дифференциального частотного пьезодатчика, состоящий из пьезоэлектрической двухрезонаторной пластины, один край которой жестко закреплен, а другой край пьезоэлектрической плас- 10 тины расположен на опоре и несколько выступает за нее, причем поперечное усилие подается на этот выступ таким образом, что два акустически развязанных пьезорезонатора находятся в 15 областях с различными знаками кривизны (1) .

Однако данный пьезоэлемент имеет недостаточную механическую прочность, поскольку действие силовых усилий 20 передается в рабочие эоны колебаний через плечо, образованное хрупкой пьезоэлектрической пластиной.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 25 кварцевый силочувствительный пьезоэлемент, содержащий две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами, разделенные прокладками вне активных зон колебаний (2) .

Эффект преобразования прикладываемой силы в частоту основан на использовании только тензочувствительности кварцевых пластин, работающих на изгиб, чем ограничена чувствительность З5 датчика.

Цель изобретения — повышение чувствительности элемента.

Поставленная цель p,îñòèãàåòñÿ тем, что в кварцевом силочувствитель-40 ном элементе, содержащем две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами, разделенные прокладками вне активных зон колебаний, электроды выполнены в виде параллельных гре-45 бенок с зубцами прямоугольной формы и расположены на внешних сторонах кварцевых пластин со смещением зубцов электродов одной гребенки относительно другой, определяемым соотношением 50

0,2 («а 0,8, <е где Ь Е вЂ” смещение зубцов электродов, - ширина зубцов электродов, причем 55 расстояние между зубцами больше ука занного максимального смещения, отношение толщины прокладки к толщине

66 3 кварцевой пластины выбрано в пределах 0,1-1,0, а отношение ширины зубцов электрода к его длине выбрано в пределах 0,2-1,0.

На фиг.1 дана конструкция элемента, вид спереди; на фиг.2 — то же, вид сверху; на фиг.3 — рабочее положение элемента при действии усилия, вид спереди; на фиг.4 — то же, вид сверху; на фиг.5 — структурная схема устройства обработки выходной информации элемента.

Кварцевый силочувствительный элемент состоит из двух кварцевых пласl тин 1 с колебаниями сдвига по толщине, разделенных вне активных зон колебаний прокладками 2, На внешних сторонах кварцевых пластин 1 расположены электроды 3 гребенчатой формы.

Зубцы верхнего электрода 4 смещены относительно зубцов нижнего электрода 5. Кварцевый силочувствительный элемент закреплен консольно и подключен к многочастотному автогенератору

6, на выходе которого выделяются частоты f „ и 12, . Кроме того, на фиг.5 показано выполнение схемы обработки информации в виде фильтров 7, сумматоров 8, генератора 9 и смесителя 10.

Кварцевый силочувствительный элемент работает следующим образом.

В исходном состоянии кварцевые пластины 1 разделены прокладками 2, причем прокладка 2 на свободном незакрепленном конце кварцевого силочувствительного элемента жестко соединена с нижней по фиг.1 кварцевой пластиной 1 и не имеет жесткого соединения с верхней пластиной 1.

Исходя из требований к чувствительности с учетом тензочувствительности и массочувствительности, рассчитывается величина .смещения зубцов электродов, после чего производится консольное закрепление пластин 1.

Электроды 3 подключаются к многочастотному автогенератору 6, на выходе которого имеются сигналы с частотами,„и f.;;

В рассматриваемом случае число зубцов электродов равно четырем.

Каждая пара зубцов электродов перекрывается, образуя четыре межэлектродных пространства, обозначенные на фиг.2 и 4 заштрихованными площадями аждой иэ этих площадей 5) 2 Ъ 4 ,54

1117466

35 где.

hF2 1 2 Я 2о 1о соответствует пара резонанснь1х час 1»>12, 1,14 21, 22, 2q,24

В результате воздействия измеряемого усилия P кнарцевые пластины прогибаются, что приводит к изменению смещений зубцов электродов Ь(, 2 и площадей, перекрываемых н межэлектродных пространствах (фиг.4). Без воздействия усилий перекрываемые площади выбраны примерно одинаковыми 10

»=» = 54 (фиг.2). В результате действия силы P изменение указанных площадей проис:;одит так, что э» 4 э ф «э g g (фиг.4). Изменение площадей приводит к изменению масс зубцов 15 электродов, что вызывает изменение частот генерации. Каждая из этих частот f1 и 1Zq получает приращения

Многочастотный сигнал с выхода автогенератора 6 подается на фильтры

7, каждый из которых настроен на од-. ну из частот 1„ и 12» . Сигналы с частотами 11», 11,,f13,f14 f21 У

122, 1ц, 2 2 подаются на два сумматора 8 частот, в которых происходит их сложение 4

11

Е2 21 22 2 5 24 - 4»

»--1

На сумматоры 8 подаются также сигналы частоты f q генератора 9, причем f1, » .f ь 2;. На выходе сумматоров 8 выделяются сигналы разностных частот

Р- 2, о»=1 =1 и где составляющие

» 1 "»»=1 учитывают изменение частот колебаний, обусловленных тензочувствительностя- 45 ми кварцевых пластин 1:

1 о г 1о ) Г 21о 2О

На выходе смесителя 10 выделяется разностная частота 112, изменяющая- 5з ся с учетом тензо- и массочувствительностей кварцевых пластин 1 с электродами 3 ь „=aF 17. (о21,4Й2,ref 1ь|,), О »=1

Из анализа соотношений (1) следует, что ло сравнению с исходной силочувствительностью кварцевого силочувствительногп элемента, обусловленной тензочувствительностью введение отличительных признаков привело к дополнительному изменению частоты Г, что обусловлено массочувствительностью.

Проведенные исследования позволили найти оптимальное решение предлагаемого кварцевого снлочувстнительного элемента. В оптимальном варианте относительное смещение зубцов электродов равно 0,5, расстояние между зубцами электродов равно их ширине, что практически исключает акустичес- . кую связь между резонаторами, отношение толщины прокладки к толщине кварцевой пластины равно О,э; отношение сторон зубцов электродов равно

0,4, Оптимизация предлагаемого силочувствительного элемента проводилась по двум параметрам, по чунствительности и устойчивой работе в многочастотном автогенераторе. При отмеченных параметрах конструкции предлагаемый элемент надежно возбуждается и устойчиво работает в многочастотном режиме, а силочувствительность повышается примерно в 3-4 раза.

Кварцевый силочувствительный элемент имеет две совокупности предельных значений параметров конструкции, указанных выше. На границах этих значений кварцевый элемент или неустойчиво работает или не обнаруживает эффекта массочувствительности.

Предлагаемый кварцевый элемент имеет более высокие чувствительность и линейность характеристики преобразования, обеспечение последней достигается выбором геометрии зубцов электродов и их относительным смещением в процессе измерений, Кроме того обеспечивается возможность получения требуемой формы характеристики преобразования изменением или выбором геометрии зубцов электродон. Трудоемкость изготовления уменьшается, поскольку электроды напылены только с одних ст» рон каждой пластины.

1117466

5-9,-5 =$q

1117466

Составитель А.Северин

Редактор E.Ïàïï Техред 3 11алнй Корректор H,Эрдейи

Заказ 7185/25 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делаи изобретений и открыгий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4