Пьезорезонансный преобразователь усилий

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезорезонансным преобразователям усилий, и может быть использовано в том числе в датчиках давления и усилия. Пьезорезонансный преобразователь усилий состоит из кварцевой балки, выполненной из двух одинаковых половин, герметично соединенных по нейтральной плоскости консольной балки, снабженной вакуумированной полостью. По крайней мере, один пьезорезонатор закреплен в полости параллельно нейтральной плоскости консольной балки. Консольная балка выполнена в виде балки равных напряжений. Пьезорезонатор закреплен в полости посредством удлинителей, ориентированных по направлению главной оси пьезорезонатора. Площадь поперечного сечения удлинителей выбирается большей площади поперечного сечения пьезорезонатора, а наружные поверхности балки, параллельные ее нейтральной плоскости, выполнены полированными. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и расширение диапазона измерений в условиях высокого статического давления. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезорезонансным преобразователям усилий, и может быть использовано, в частности, в датчиках давления жидких и газообразных сред.

Известны пьезорезонансные преобразователи усилий, состоящие из упругого элемента - консольной балки, на которой расположен чувствительный элемент - пьезорезонатор. К свободному концу балки прикладывается усилие, обусловленное воздействием измеряемого параметра, в результате чего балка изгибается и пьезорезонатор деформируется, изменяя свою частоту, пропорциональную приложенному усилию [1].

Известен пьезорезонансный преобразователь усилий, выполненный в виде кварцевой балки равного сечения, на поверхности которой размещен кварцевый резонатор типа двойного камертона. Герметизация камертона обеспечивается сильфоном, один конец которого соединен с контуром заделки, а другой конец - со свободным торцом консольной балки [2].

Выполнение упругой консоли и камертонного резонатора из одного и того же материала - кварца - обеспечивает их взаимное согласование по физическим параметрам, определяющим стабильность преобразования - модулю Юнга и температурному коэффициенту линейного расширения во всем диапазоне воспринимаемых усилий и деформаций.

Недостатками известного пьезорезонансного преобразователя усилий являются недостаточная чувствительность, обусловленная характером распределения деформаций по длине балки и расположением резонатора, и невозможность работы в условиях больших статических давлений, связанная с использованием в качестве средства герметизации сильфона.

Ближайшим техническим решением к заявляемому является пьезорезонансный преобразователь усилий, содержащий упругую консольную балку равного сечения, выполненную из двух одинаковых кварцевых кристаллических пластин, герметично соединенных по нейтральной плоскости консольной балки и снабженных выемками, образующими вакуумированную полость, и пьезорезонатор, жестко зафиксированный в полости параллельно нейтральной плоскости консольной балки. На наружной поверхности балки со стороны пьезорезонатора выполнены поперечные пазы (гофры), роль которых заключается в защите балки от статического давления и ослаблении реакции резонатора на изменение статического давления без увеличения жесткости балки для изгибающих усилий. Свободный конец балки воспринимает усилие, возникающее при воздействии измеряемого параметра, например давления, в результате чего происходят изгиб балки, деформация пьезорезонатора и изменение его частоты, пропорциональное величине измеряемого параметра [3].

Недостатком известного пьезорезонансного преобразователя усилий является то, что относительная деформация пьезорезонатора значительно меньше деформации поверхности балки и относительной деформации в опасном сечении. Это снижает чувствительность к усилию, действующему на консольную балку, и не позволяет производить измерения в области малых измеряемых усилий.

Действительно, относительная деформация ε_х балки равного сечения в точке, отстоящей от места заделки балки на расстояние х, может быть записана в виде

где l - длина балки,

Е - модуль упругости,

Н - толщина балки,

Р - сила, приложенная к свободному концу балки,

b - ширина балки.

Наибольшая деформация ε₀ в сечении заделки балки будет равна

а коэффициент преобразования по относительной деформации (чувствительность) ε₀ определяется выражением

При закреплении пьезорезонатора на некоторой высоте под нейтральной плоскостью балки одним концом в сечении заделки балки, а другим концом - на расстоянии, определяемом длиной резонатора l_k по направлению главной оси балки, он окажется под действием средних значений относительных деформаций на участке закрепления резонатора. Среднее значение относительной деформации на поверхности балки определяется выражением

Среднее значение деформации, воспринимаемое пьезорезонатором в плоскости закрепления на высоте h_k над нейтральной плоскостью будет в Н/2h_k раз меньше.

Кроме того, поперечные гофры вызывают концентрацию напряжений в зоне растяжения в непосредственной близости от места заделки балки, что нежелательно, так как создает опасность разрушения балки в зоне растяжения.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, - повышение чувствительности и расширение диапазона измерений в условиях высокого статического давления.

Указанная задача решается тем, что в пьезорезонансном преобразователе усилий, содержащем консольную кварцевую балку, выполненную из двух одинаковых половин, герметично соединенных по нейтральной плоскости консольной балки, и снабженную вакуумированной полостью по крайней мере, один пьезорезонатор, закрепленный в полости параллельно нейтральной плоскости консольной балки, упомянутая консольная балка выполнена в виде балки равных напряжений, пьезорезонатор закреплен в полости посредством удлинителей, ориентированных по направлению главной оси резонатора, при этом площадь поперечного сечения удлинителей выбирается большей площади поперечного сечения пьезорезонатора, а наружные поверхности балки, параллельные ее нейтральной плоскости, выполнены полированными. Пьезорезонатор выполнен в виде кварцевого камертона, при этом консольная балка и камертонный резонатор выполнены из кварца одного среза.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 схематически изображен заявляемый пьезорезонансный преобразователь усилий, на фиг.2 приведен камертонный резонатор.

Заявляемый пьезорезонансный преобразователь усилий выполнен в виде равнотолщинной кварцевой балки равных напряжений 1, имеющей в плане треугольную форму и состоящей из двух одинаковых и симметричных половин 2 и 3, которые герметично соединены друг с другом (например, посредством сварки) по нейтральной плоскости балки 1. В центральной части половин 2 и 3 выполнены выемки, образующие вакуумированную полость 4.

Пьезорезонатор 5 выполнен в виде кварцевого камертона, состоящего из активной области 6 (собственно резонатора) и удлинителей 7, ориентированных по направлению главной оси камертона и обеспечивающих его фиксацию на балке 1. Площадь поперечного сечения удлинителей 7 выбирается большей площади поперечного сечения резонатора 6. Пьезорезонатор 5 размещен в полости 4 в зоне растяжения балки 1 на определенной высоте h над нейтральной плоскостью балки 1.

Значение h выбирается из соображений максимально возможного приближения пьезорезонатора 5 к поверхности балки 1 и обеспечения механической прочности пьезорезонатора 5 при воздействии избыточного давления. Наружные поверхности балки 1, параллельные ее нейтральной плоскости, выполнены полированными. Балка 1 и пьезорезонатор 5 изготовлены из кварца одного среза.

Заявляемый преобразователь может быть снабжен вторым пьезорезонатором аналогичной конструкции, расположенным в зоне сжатия консольной балки 1 симметрично относительно нейтральной плоскости балки 1. Это позволяет работать при знакопеременных нагрузках.

Возможен также вариант конструкции балки, в котором консольная балка выполнена асимметричной и имеет основное тело и более тонкую крышку, а камертон размещается в вакуумированной полости, образуемой крышкой и выемкой, организованной в основном теле.

Заявляемый пьезорезонансный преобразователь усилий работает следующим образом. Измеряемый параметр, например давление, воздействует через силопередающий элемент (не показан) на свободный конец консольной балки 1. Возникающие в балке 1 деформации приводят к растяжению верхней части балки и сжатию ее нижней части и изменяют частоту пьезорезонатора 5, значение которой пропорционально величине измеряемого давления.

Выполнение упругой консольной пластины в виде балки равных напряжений обеспечивает постоянный уровень относительных деформаций в любом сечении балки, параллельном ее нейтральной плоскости. В этом случае среднее значение относительной деформации поверхности балки будет равно деформации балки в месте заделки.

Фиксация пьезорезонатора в полости консольной балки посредством удлинителей, ориентированных по направлению главной оси пьезорезонатора, жестко соединенных одним концом с пьезорезонатором, а другим концом - с балкой и имеющих площадь поперечного сечения больше площади поперечного сечения пьезорезонатора, позволяет обеспечить относительную деформацию пьезорезонатора, находящегося под поверхностью балки, равной относительной деформации поверхности балки.

Абсолютная деформация балки между точками присоединения удлинителей, определяемая произведением отрезка между точками фиксации удлинителей к балке на значение относительной деформации тела балки, будет одинаковой для балки и пьезорезонатора с удлинителями. Однако относительная деформация пьезорезонатора будет значительно больше, чем у балки, так как удлинители при большем сечении по сравнению с телом пьезорезонатора деформируются незначительно. Это позволяет получить равнопрочную конструкцию преобразователя усилий, в котором пьезорезонатор испытывает те же относительные деформации, что и поверхность балки. Как следствие, достигается предельно возможная чувствительность, расширяется диапазон воспринимаемых усилий в область малых измеряемых величин.

Выполнение наружных поверхностей балки 1 полированными позволяет избежать появления локальных дефектов, возникающих при механической обработке кварца и являющихся причиной разрушения балки при ее нагружении (в прототипе эта операция вследствие сложного рельефа поверхности балки со стороны резонатора затруднена). Как следствие, при соответствующем выборе толщины обеспечивается возможность работы в условиях высокого статического давления.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый пьезорезонансный преобразователь усилий обеспечивает повышение чувствительности и расширение диапазона измерений в условиях высокого статического давления.

Источники информации

1. B.B. Малов. Пьезорезонансные датчики. «Энергоатомиздат», 1989 г., стр.144-166.

2. Патент США №4751849, кл. 73/862.59, 1988 г.

3. Патент РФ №2020437, кл. G01L 1/16, 1994 г. (прототип).

1. Пьезорезонансный преобразователь усилий, содержащий консольную кварцевую балку, выполненную из двух одинаковых половин, герметично соединенных по нейтральной плоскости консольной балки, и снабженную вакуумированной полостью; по крайней мере, один пьезорезонатор, закрепленный в полости параллельно нейтральной плоскости консольной балки, отличающийся тем, что консольная балка выполнена в виде балки равных напряжений, пьезорезонатор закреплен в полости посредством удлинителей, ориентированных по направлению главной оси пьезорезонатора, при этом площадь поперечного сечения удлинителей выбирается большей площади поперечного сечения пьезорезонатора.

2. Пьезорезонансный преобразователь усилий по п.1, отличающийся тем, что пьезорезонатор выполнен в виде кварцевого камертона.

3. Пьезорезонансный преобразователь усилий по пп.1 и 2, отличающийся тем, что консольная балка и камертонный резонатор выполнены из кварца одного среза.

4. Пьезорезонансный преобразователь усилий по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что консольная балка выполнена асимметричной, имеет основное тело, в выемке которого размещен резонатор, и более тонкую крышку, накрывающую эту выемку, организуя вакуумируемую полость.

5. Пьезорезонансный преобразователь усилий по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что наружные поверхности балки, параллельные ее нейтральной плоскости, выполнены полированными.