Пьезокварцевый датчик давления

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить чувствительность и точность измерений. Внутри рамки упругого элемента 3 размещен пьезоэлемент 4 в виде многоугольника, в центральной области которого выполнен точечный пьезорезонатор 7. Тонкопленочные электроды 5 пьезоэлемента 4, выполненные в виде сегментов, и электроды 8 пьезорезонатора 7 включены в схему автогенератора. Действующее на мембрану 2 измеряемое давление приводит к всестороннему сжатию пьезоэлемента 4. Автогенератор обеспечивает одновременную генерацию сигналов с частотами, равными собственным частотам периферийной и центральной областей пьезоэлемента 4. На информационную разностную частоту не влияет изменение температуры окружающей среды благодаря выполнению обоих пьезорезонаторов в единой пьезопластине. 3 ил. Р (Л

СОЮЗ СОВЕТСИИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН гг9) гг1>

А1 (51) 4 G 01 L 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К AST0PCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3900194/24-10 (22) 24.05.85 (46) 15.03.87. Бюл. Ф 10 (71) Белгородский технологический институт строительных материалов им. И.А. Гришманова (72) Е.А. Милькевич, В.Г. Рубанов, АЛ. Сычев, В.Я. Баржин и А.С.Кижук (53) 531.787(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

И 862000, кл. G 01 Ь 9/08, 1980.

Авторское свидетельство СССР

Р 631793, кл. G 01 L 9/08, 1977. (54) ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить чувствительность и точность измерений. Внутри рамки упругого элемента 3 размещен пьезоэлемент 4 в виде многоугольника, в центральной области которого выполнен точечный пьезорезонатор 7. Тонкопленочные электроды 5 пьезоэлемента 4, выполненные в виде сегментов, и электроды 8 пьезорезонатора 7 включены в схему автогенератора. Действующее на мембрану 2 измеряемое давление приводит к всестороннему сжатию пьезоэлемента 4. Автогенератор обеспечивает одновременную генерацию сигналов с частотами, равными собственным частотам периферийной и центральной областей пьезоэлемента

4, На информационную разностную частоту не влияет изменение температуры окружающей среды благодаря выполнению обоих пьезорезонаторов в единой пьезопластине. 3 ил.

129б8

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давления.

ЦелЬ изобретения — повышение чувствительности и точности измерений, На фиг. l изображена конструкция пьезокварцевого датчика; на фиг, 2— зависимость коэффициента силовой чувствительности собственной частоты точечного кварцевого пьезорезонатора от угла ОС приложенного силового воздействия относительно кристаллографических осей пьезокварца; на фиг. 3— схема автогенератора датчика давле15 ни я, Пьеэокварцевый датчик давления содержит корпус 1 с размещенной в нем мембраной 2, между мембраной и корпусом установлен упругий элемент 3 в виде рамки. Внутри рамки помещен пьезоэлемент 4, выполненный в виде многоугольника и скрепленный с рамкой своими углами. Тонкопленочные электроды 5 пьезоэлемента, выполненные в виде сегментов, включены в схему автогенератора б, а в центральной области пьезоэлемента выполнен точечный пьезорезонатор -7, тонкопленочные электроды 8 которого также включены в схему автогенератора 6.

Контур точечного пьезорезонатора ограничен двумя прорезями 9, расположенными симметрично относительно осей симметрии пьезоэлемента, проходящих через точки скрепления этого пьезоэлемента с упругим элементом. При этом перемычки 10, соединяющие тело точечного пьезорезонатора с телом

40 пьезоэлемента, лежат на оси симметрии пьезоэлемента, совпадающей с осью максимальной отрицательной силовой чувствительности точечного пьезорезонатора. Для скрепления пьезоэлемента с упругим элементом и упругого элемента с корпусом датчик имеет винты 11 и 12, которые позволяют также регулировать степень поджатия этого пьезоэлемента, а значит, и осуществлять, регулирование частоты как основного пьезорезонатора пьезоэлемента, так и расположенного в центре последнего дополнительного точечного пьезореэонатора.

Предлагаемый пьезокварцевый датчик давления работает следующим образом.

Для реализации воэможности дифференциального измерения, воздействую7l 2 щего на предлагаемый датчик давления

Р, и обеспечения минимальной погрешности этих измерений необходимо в системе чувствительный элемент — автогенератор обеспечить одновременную генерацию двух частотных сигналов, частоты которых обладали бы разными по знаку частотными коэффициентами силовой чувствительности, а по абсолютной величине были бы близкими. В предлагаемом устройстве это достигается за счет выбора специальной конструкции чувствительного элемента и использования двухчастотного автогенератора, обеспечивающего одновременную генерацию двух информационных частот, каждая из которых определенным образом зависит от воздействующего на датчик давления P. Первая из генерируемых частот (д, является ангармонической модой основного колебания, используемого в пьезоэлементе известного устройства. Причем используется ангармоническая мода основного колебания вида 1, 2, .1, зоны деформаций которой располагаются в периферийных областях пьезоэлемента 4 в местах расположения секто-. ров тонкопленочных электродов 5 и не занимают центральную зону этого пьезоэлемента,. Для обеспечения высокой активности этой ангармонической моды основного толщинно-c HH Q вого колебания каждый из двух электродов 5 пьезорезонатора пьезоэлемент 4 выполнен в виде двух секторов, располагаемых в зонах максимальных деформаций пьезоэлемента 4 при работе его основного пьезорезонатора на моде 1, 2, 1 с частотой И<. Это обеспечивает значительное возрастание амплитуды колебаний возбуждаемой ангармонической моды по сравнению с другими модами толщинно-сдвиговых колебаний, а также по сравнению с

ocHoBHbIM колебанием пьезорезонатора.

Благодаря использованию такого режима работы основного пьезорезонатора элемента 4 вся энергия колебаний с частотой ц, ока ывается сконцентрированной в области расположения электродов 5, выполненных в виде двух сегментов, а зоны пьезоэлемента

4 вблизи точек скрепления пьезоэлемента с упругим элементом 3 оказываются свободными от деформаций, что позволяет значительно повысить добротность основного пьезорезонатора

1296871 и улучшить стабильность частоты генерируемых колебаний по сравнению с известным устройством

При воздействии на мембрану 2 измеряемого давления P мембрана 2 деформируется и деформирует упругий элемент 3. В результате этого пьезоэлемент 4 оказывается нагруженным по углам и подвергается всестороннему сжатию, в связи с чем чувствитель- 10 ность собственной частоты И к воз< действию давления P определяется интегральной силовой чувствительностью основного пьезорезонатора пьезоэлемента 4. Определить эту чувстви- 15 тельность можно из зависимости KF(«

»

Кр J К р (о") 1о

20 о

rpe a — коэффициент, учитывающий уп ругие свойства мембраны 2 и коэффициент передачи механического усилия упругим элементом 3.

В результате для зависимости частоты и< от воздействующего давления

P получим следующую зависимость: и,(P)=Ы„+К,, (P-P ), (2) где уо, — начальное значение частоты (0,при начальном значении измеряемого30 давления, т.е. при Р=Р

Благодаря тому, что основной пьезорезонатор пьезоэлемента 4 работает на ангармонической моде основного колебания вида 1, 2, 1, свободной 35 от толщинно-сдвиговых колебаний оказывается не только периферийная часть пьезоэлемента 4, но и центральная его область. Вследствие этого возможно в этой области выполнить дополнительный точечный пьезорезонатор 7, собственная частота которого у близ2 ка к частоте (,1, и отличается от последней на значение разностной частоты и =и,-М, которая при значениях

45 частот у< и сд порядка 5-10 МГц составляет 100-150 кГц.

Тонкопленочные электроды 8 точечного пьезорезонатора 7, как и электроды 5 основного пьезорезонатора 50 .пьезоэлемента 4, включены в базовую цепь автогенератора 6, который обеспечивает в многочастотном режиме работы одновременную генерацию сигналов с частотами Ы, и и . Для обеспечения 55 высокой устойчивости режима генерации двухчастотного колебания в схему многочастотного автогенератора 6 введен нагрузочный полосовой LC-фильтр, включенный в эмиттерную цепь транзистора и настроенный на разностную частоту 41 =Q, — <.< .

Поскольку дополнительный точечный пьезорезонатор 7 ограничен по контуру прорезями 9 (фиг. 1) и связан с телом пьезоэлемента 4 двумя перемычI ками 10, лежащими на оси Z его максимальной отрицательной силовой чувствительности (фиг. 2), для зависи" мости частоты Я, определяемой резонансной частотой точечного пьезорезонатора 7, от воздействующего на датчик давления Р,получим

Ц,(Р) = и„-Кр, (Р-P, ), (3) где (а — начальное значение частоты (д при исходном значении измеряемого давления; 7

Кр =а,К вЂ коэффицие чувствительности по давлению P частоты И,при2 чем К вЂ” коэффициент силовой чувствительности точечного пьезорезонатора 7 при его нагружении вдоль оси Z

В результате для разностной частоты сигнала, снимаемого с выхода автогенератора 6, получим следующее выражение:

< (P)= u,(Р)-,(Р)=(-u„)+(K1 +Кр, )»

«(P-P ). (4)

Подбирая площадь электродов 5 основного пьезорезонатора пьезоэлемента 4, можно обеспечить равенство коэффициентов чувствительности по давлению Кр, и Кр, э т.е. Кр» =Кр2=КР и можно записать (р(Р) =(о< о )+2Кр (Р Ро ) ° (5)

Поскольку оба пьезорезонатора пьезоэлемента 4 выполнены в единой пьезокварцевой пластине, информационная частота <д (Р) практически не завиP сит от изменений температуры окружающей датчик среды.

Формула изобретения

Пьезокварцевый датчик давления, содержащий корпус с мембраной и размещенный в нем контактирующий с мембраной упругий элемент замкнутой формы с закрепленным внутри пьезоэлементом с электродами, включенными в схему автогенератора, причем пьезоэлемент выполнен в виде многоугольника, скрепленного по углам с упругим элементом, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения

5 l29687l 6 чувствительности и точности измере- резями, расположенными симметрично ний, в нем каждый из .двух электродов относительно осей симметрии пьезопьезоэлемента выполнен в виде двух элемента, проходящих через точки сегментов, а в центральной области скрепления пьезоэлемента с упругим пьезоэлемента выполнен точечный пье- 5 элементом, причем электроды точечнозорезонатор с электродами, ограни- го пьезорезонатора включены в схему ченный по контуру двумя дуговыми про- автогенератора.

Составитель Н. Богданова

Редактор М. Недолуженко Техред H.Попович Корректор Л. Пилипенко

Заказ 767/43 Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул, Проектная, 4