Пьезодатчик

 

1. ПЬЕЗОДАТЧИК, содержащий кольцевой пьезоэлемент, первый электрод которого нанесен на одну, а второй и третий электроды - на его другую торцовую поверхность, отли чающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности пьезоэлемент выполнен из кварца, причем плоскость среза кольца пьезо-. элемента наклонена против часовой стрелки от оси третьего порядка на угол 35-38° и совпадает с осью второго порядка, при этом второй и третий электроды выполнены в виде сегментов , хорды которых параллельны этой же оси, расстояние между хордами равно или больше внутреннего диаметра кольцевого пьезоэлемента, а соотношение наружного и внутреннего диаметров кольцевого пьезоэлемента выбрано в пределах от 1,8 до 2,5. 2. Пьезодатчик по п.1, о т л и ся ч. а ю щ и и . с я тем, что кольцевой пьезоэлемент выполнен с выпуклыми торцовыми поверхностями.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (t9) (11) А (Я)4 G01 L 1 16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

l

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СЕИДЕ П!ЛЬСТВУ (21) 3754745/24-10 (22) 14.06.84 (46) 07.11.85 ° Бюл. № 41 (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им.Н.Е,Жуковского (72) В.Я.Баржин, Л.Г.Воробьева, Е, С.Колесник, В.В.Малов, В.Н.Симонов и К.В.Скульский (53) 531.781(088,8) (56) Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. -М.:Энергия, 1978, с.66-67.

Авторское свидетельство СССР № 315963, кл. G Ol L l/16, 1970.

Патент Великобритании N- 1601547, кл. G1N, опублик. 1981. (54)(57) 1. ПЬЕЗОДАТЧИК, содержащий кольцевой пьезоэлемент, первый электрод которого нанесен на одну, а второй и третий электроды — на его другую торцовую поверхность, о т— личающийся тем,что,с целью повышения его чувствительности, пьезоэлемент выполнен из кварца, причем плоскость среза кольца пьезо-, элемента наклонена против часовой стрелки от оси третьего порядка на угол 35-38 и совпадает с осью второго порядка, при этом второй и третий электроды выполнены в виде сегментов, хорды которых параллельны этой же оси, расстояние между хордами равно или больше внутреннего диаметра кольцевого пьезоэлемента, а соотношение наружного и внутреннего диаметров кольцевого пьезоэлемента выбрано в пределах от ),8 до 2,5.

2. Пьезодатчик по п.l, о т л и— ч а ю щ и й.с я тем, что кольцевой пьезоэлемент выполнен с выпуклыми торцовыми поверхностями.

1190215

Изобретение относится к измери«. тельной технике и может быть использоваио в приборостроении, автоматике, радиоэлектронике, в авиационнокосмических системах управления и контроля и многих других областях науки и техники.

Пель изобретения - увеличение чувствительности.

l1a фиг. 1 изображена функциональ- 10 ная схема пьезодатчика; на фиг. 2 конструкция пьезоэлемента с плоскими торцовыми поверхностями; на фиг.3разрез А-А на фиг.2; на фиг. 4 соиструкция пьезоэлемента с двоякоторцогыми поверхностями; на «пс>з R-Б иа фиг,4; на, .6 .. расположение кристаллографии.ски; осей; на фиг. 7 — зависимость ко«ффициеитов Ратайского пьезоэле- 20 мента от соотношения его диаметров; на фиг. 8 — эпюра механических напряжений в кольцевом пьезоэлементе.

Ус гройство содержит кварцевый 15 автогенератор 1, пьезорезонатор 2

H измерительный прибор 3, причем пьезорезоиатор ? включен между авiс.генератором 1 и измерительным прис«с>рс»« 3, I! качестве измерительного прибора используется частотомер.

Пьe «opезонатор выполнен в виде ци,пиндрического кольца или кольцевой

«пи«зы из кварца AT-среза, предполагающий выполнение плоскости среза кольца под углом 35-38 к оси третьо 35 его порядка и совпадения названной плоскости с осью второго порядка.

В пьеэорезонаторе в виде цилиндf«fr eel;of.o кольца (фиг. 2 и 3 ) на пьезоэлемент нанесены три электрода, один электрод 4 наносится сплошным

40 вдоль одного основания цилиндрическс«го кольца. На противоположное осоваиие цилиндрического кольца 5 на- 45 веселы два сегментнообразных электрода 6 и 7, хорды которых перпендикулярны повернутой оптической оси

Z среза Ат.

В пьезорезонаторе в виде кольце- 50 вой линзы (фиг. 4 и 5 ) на пьезоэлемент также нанесены три электрода.

Один нэ которых электрод 8, наносится сплошным на одну сферическую поверхность кольцевой линзы 9. На 55

«тору.с сферическую поверхность коль" цепс>й .tlfHsf f 9 нанесены два сегментообразных электрода 10 и ll, хорды которых перпендикулярны повернутой оптической оси 2 среза AT.

Устройство работает следующим образом.

Автогенератор 1 при номинальном измеряемом давлении, в частотозадающую цепь которого включен пьезорезонатор 2, генерирует частоту

В датчике давления используется точечная схема нагружения, причем измеряемое давление P с помощью силопередающего устройства прикладывается к пьезорезонатору 2 по диаметральной линии пьезоэлемента в направлении максимальной тензочувствительности пьезоэлемента, вдоль

"электрической" оси Х (фиг.2-5).

Пьезорезонаторы 2 в виде цилиндрического кольца или в виде кольцевой линзы имеют с одной стороны общий электрод 4(3 ), а с другой — два изо;|ированных один от другого электрода 6 и 7 (10 и 11), один из которых — электрод 6 (10 ),подключается к автогенератору !, а другой электрод 7(11 ), к частотомеру 3. По частоте колебаний, фиксируемой частотомером 3, судят о величине измеряемого давления.

При изменении давления изменяется частота настройки резонатора 2 и частота автогенератора l. Эти изменения частоты фиксируются частотомером 3. Выбранная схема нагружения

{приложение измеряемого давления по диаметральной линии пьезоэлемента вдоль "электрической" оси Х ) позволяет получить максимальную тензочувствительность. Это объясняется с помощью нелинейной теории упругости.

В результате точечного нагружения в объеме пьезоэлемента возникает »апряженное состояние, описываемое сложной функцией координат и геометрических характеристик пьезорезонатора. Существенный вклад в тензочувствительность дают изменения упругих свойств пьезокристалла.

Для кольцевого пьезоэлемента с плоскими торцовыми поверхностями коэффициент силовой чувствительности определяется как где S — площадь поперечного сечения в центре пьезоэлемента;

К вЂ” коэффициенты тензочувствиt тельна сти;

ll902l5

,. — коэффициенты нагружения

t для кольца.

Расчет и экспериментальные исследования показывают, что величина тензочувствительности кольцеBoго кварцевого пьезоэлемента AT-среза зависит от соотношения внешнего Ь и внут" реннего а диаметров (фиг.2-5 ). На фиг. 7 показано влияние соотношения внешнего и внутреннего диаметров кольцевого пьезоэлемента на зависимость коэффициентов Ратайского от угловых координат пьезоэлемента. Коэффициенты Ратайского характеризуют тензочувствительные свойства пьезоэлементов и связаны с коэффициентами тензочувствителъности следующим образом:

h ..k

К = К вЂ” > т 1 и

45 где К„ — коэффициент тензочувствительности пьезоэлемента;

К вЂ” коэффициент Ратайского;

- толщина пьезоэлемента; — коэффициент, учитывающий форму пьезоэлемента и схему нагружения; — номер гармоники.

Видно (фиг. 7 )что коэффициенты Ра- 30 тайского, а следовательно и тензочувствительность кварцевого пьезоэлемента AT-среза максимальны вдоль

It электрической" оси Х и величина тензочувствительности зависит от

35 соотношения внешнего и внутреннего диаметров пьезоэлемента. Поэтому выбираем направление приложения усилия вдоль "электрической" оси Х пьезоэлемента, вдоль направления, обла- 40 дающего наибольшей тензочувствительностью. Кроме того, тензочувствительность кольцевого пьезоэлемента увеличивается с возрастанием внутреннего диаметра а, при постоянстве наружного Ь. Выбор соотношения наружного и внутреннего диаметров при реализации данного датчика производится исходя из требований высокой тензочувствительности и допусти" мой прочности пьезоэлемента. Соглас но экспериментальным данным соотношение диаметров, обеспечивающее эти требования, установлено в пределах от 1,8 до 2,5.

Коэффициент силовой чувствительности также зависит от площади поперечного сечения пьезоэлемента. В случае применения в качестве датчика давления кольцевого пьезоэлемента -с двояковыпуклыми торцовыми поверхностями силовая чувствительность возрастает ввиду уменьшения площади поперечного сечения в центре пьезоэлемента. Выбор формы и расположения электродов на кварцевом пьезоэлементе AT-среза позволяет увеличить чувствительность пьезо датчика давления. При приложении усилия вдоль "электрической" оси Х механические напряжения в сечении, проходящем через центр кольцевого пьезоэлемента вдоль:повернутой оптической" оси Z однородны, а в сечении, проходящем через центр кольцевого пьезоэлемента вдоль "элек трической оси Х, механические напряжения неоднородны и имеют разные знаки в различных областях. Эпюры механических напряжений .в кольцевом пьезоэлементе при такой схеме нагру>кения показаны на фиг.8. Исходя из этого выбраны сегментообразные электроды на одной из поверхностей кольцевого пьезоэлемента, хорды которых перпендикулярны повернутой "оптической" оси (Z кварцевого кольцевого пьезоэлемента AT-среза и расстояние между хордами равно или превышает внутренний диаметр пьезоэлемента.

Таким образом, применение пьезорезонаторов в виде цилиндрического кольца или кольцевой линзы в качестве датчиков давления позволяет повысить их чувствительность.

1190215

1190215 бис. Ю

1) 90215

Составитель А.Экономов

Редактор Н.Бобкова ТехредЛ.Мартяшова Корректор Е.Сирохман

Заказ 6963/43 Тираж 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР яо делам изобретений и открытий

1!3035, Москва, 3(-35, Раушская наб., д. 4/5

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