Чувствительный элемент преобразователя механических величин в частоту

 

О П И С А И И Е, ) 5--8 84

ИЗОБРЕТЕНИЯ

СОюз (-Овбтских

СОцчалистич&ских

Ранг)убг)нК (б 1 ) (0 Г! >? .7 и и те. ! > и 0 с !(а В т. c il l!;i,- Б (22) Заяг, .Си.) 24.12.75 (21) 2305894) f() с присоедииепиеч заявя(! Л > (23) Приор ит(.т ()н(!),л и„он;!ш 1),(15,77. ))107.7(")сиь л 18 (51) М, Кл,а С 0)1 i,16

Гссударственню(й кюмите!

Сювета Министрюв СССР вю делам изабретений

И ЮТКР 1(ИИ,. ;,Бта ()ii). !) !!ii<ОБ(1:1;!я Оииcа!!) i 27.(16.> 7 (72) Авторы изоб)) с Г(иия

В. В. Малов, Г!. A. Филимонов, В. j!. Глазунова H В. Б. Симонов

Московский ордена Трудового,pacиого )н:!Х)сни HHB(CHepttoфизический институг (71) Заяп:! (ель

15))) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЗЛЕМЕИТ ПРЕОВРАЗОВА

М Е ХА И Vi "× f. !".. Ê È Õ В ЕЛ И Ч И И В )А СТО Т У

ИЗООр(TCH HC OTHOCHTCSI K уСТронс1 В(1. >1 ЗВтоматики и измерительной техники и может быть использовано в частотных датч;(ках механ:(Håñê iõ велич(ш (усилий, деформаций, ускорений, в(браций, давления).

Известны прнмеи".емые в частотных преобразователях механических вели шн чувствнтсльиыс элементы емкостного, индуктивно! O, CTp > Hlioi 0 H lp>>T« . Tt!HOB (11. 3TtI liÇBCCTиые чуBcTBI!тел(>ные элементы характеризуются низкой временной и температурной стаоильиостью, нел:!нейностью арактсристик, пло ой взаичозамснясмостью. Известны также чувствитсльныс элементы иробразоватслей механических величин в частоту пьезорезонансного типа, выполненные в виде пьезоэлемента правильной формы (прямоугольной пластины, выпуклой линзы), HB противополо кные поверхности которого нанесены электроды, образующие Высокочастотныйй пьезоэлектрический резонатор (21. Наиболее близким к изооретенню по технической сущности является H) вствнтельный элемент, Б котором измеряемое усилие подается в плоскости пьезоэлемента, обуслоьливая дефор)!ации растяжения — с:-катия )3j, Г)ри такой схсмс подвода усилий обеспечив(ется линейность характеристик «усилие — частота», т. с. крутизна характеpHcTHKH — постояи:!а во

Бсс)! д1! а п(!ЗОН с из >)!Сря(м ьlх усилий.

8 процессе гзготc B.(ения чувствительных

Э.!С)(СИТОБ 1> BH;i БЫСОКО Овершеиства техноло11!ii, возникает естествеиныи разброс парамст5 ров чувстьительиых элементов Б партии, в частности различиыс образцы (меют разные

Значен;lя 1(р; Г(lзиы харак1сi)IICTHKH <<), cHëHc— !Бстот )», а пpoijccñ рсГу !HpOBK!I 1(рутизиь( этой характеристики (для обеспечен(я идсн10 T!1>!i! ocTH) ДОстс)то 1 но С. Iожси. Это 3атР>> Дн)1 T Р Си! СИ ИС и PO!).10 „: Ь! ЬЗ (! 1! )i!>3 !1. >(ЕНЯС. !001 И

ИРСООPБÇÎББТ(.,!Сi> (. Ill>Ñ.>OPÑ301! IИСИЫ)! il 1) БС ГБИТ(.. 1ЬНЫ. 1И Э. IС»(с!1Т(! 1>(И ii HP ИВОДИТ К ) С.(ОЖIIСИ IO И а 01!)>J>i!>!1 111) Н DOPOB.

15 Це;11 изооретсн!!я - — упрОщсн;Iс рег) 7НроВKIi крутизны . Бракте)? Нстик!! «усилие-частота»;1 облегчение настройки. Б описывас Ioì элементе зто достигается тем, что 0Н вьшолиен с неоднородным 01:!оситслш.о внешнего

2) механического возде Гствия распределение..: внутреиии. механических напряжений, иаиричер, в в!(дс пласт!!!iB!, грани которой Быполне!1ы Б (1)ор)!с Граllспи 1,;) э с (T,)Оды j)азмсщсиы нси)арно иа гра((ях пьезоэлемента в областях с pазли Гной Bc;1: 11>ной Ви) треп их

)(с." БH i. ссl(и:>: !! а и р)1)кс(! 1! !.

Н;! (р(!г. 1 показ lн Описываемый чувстви c7!>Hi>1 Й 31 с)(сl!т, Oд! Ill !13 Б;! Р! iа итОВ (31>1 по. 1IIсH1lЯ; Ii;1 ())!iã. 2 — эH!0Ра ill!!!РH;Hell!!й HО Bl>13!) сот(. и ьс3037 c)tcHTH ьдОл!> сГО цситр ально!

558184

Af=kT, т (6) =

А — — (А — 1) Н где

Т,= —; А=—

И b

Хе 336540, оси; на фиг, 3 — элемент, в котором неоднородность внутренних напряжений достигается прп приложении точечных усилий, один из вариантов выполнения.

Описываемый чувствительный элемент выполнен в виде пластины, грань которой имеет форму трапеции. Пьезоэлемент 1 представляет собой плоскопараллельную пластину толщиной 1, к торцам 2 и 3 которой прило кено растягивающее усилие / . Грани пластины пьезоэлемента имеют форму трапеции высотой h с основаниями а и b. По высоте пьезоэлемента с двух его сторон нанесены попарно электроды 4 — 4", 5 — 5", 6 — 6", 7 — 7" и

8 — -8", образующие пьезорезонаторы 4, 5, 6, 7, 8, которые вследствие эффекта локализации энергии акустически не связаны один c другим на частотах разонацсных колебаний.

Приращение частоты Л/ высокочастотного пьезорезонатора при фиксированной ориентации кристаллографических осей пьезоэлемента и заданном способе подвода усилий линейно зависит от величины механического напряжения Т в подэлектродной области ш езорезонатора где и — постоянная. Величина механического напряжения определяется как отношение силы к сечению, через которое оно передается.

В схеме нагрузка F приложена к торцам равномерно (см. фиг. 1), поэтому на различной высоте h напряжение Т при заданном усилии различно: максимальное напряжение

То= развивается у верхнего торца, И,"

F минимальное Т= — у нижнего. В общем

at случае напряжение Т меняется с высотой монотонно по закону

Таким образом, нанося электроды, образующие резонатор, на различных высотах, можно обеспечить различные значения крутизны преобразования усилия F в приращении частоты Л/. Если же размещать на пьезоэлементе два, три и более пьезорезонаторов, то в процессе отладки датчика можно найти резонатор, имеющий чувствительность, наиболее близкую к требуемой.

Различие в крутизне характеристик f(F) между отдельными резонаторами, выполненными в пьезоэлементе, тем меньше, чем бо:ише прямоугольность пьезоэлемента, т. е. чем

43

60 меньше отличается от единицы отношение а — =Л. Изменяя это отношение, можно изb менять диапазон перестройки крутизны прса образования hf. Так, если A = — =2, ru силовая чувствительность пьезорезонатора

4, прилежащего к верхнему торцу, оказывается почти в два раза больше чувствительности пьезорезонатора 8, прилежащего к нижнему торцу и, таким образом, при использовании пяти пьезорезонаторов на пластине можно выбором резонатора, подключаемого в схему автогенератора, регулировать крутизну преобразования с шагом, равным 12,5 /о максимального значения. Если же выбрать — =-1,01, то крутизну преобразования»oii но менять уже с шагом 0,25 /о.

Ila пьезоэлементе, приведенном на фиг. l, размещено пять резонаторов. В принципе пх число может быть и меньшим, и большим.

Пьезорезонаторы могут быть размещены «е только вдоль прямой линии, но и любым другим образом.

Описываемый вариант выполнения чувствительного элемента не ограничивает возможные другие конструктивные его формы.

Неоднородные напряжения могут быть созданы и другими способами, в частности, если выполнять пьезоэлемент в форме диска, а электроды размещать по окружности, как показано на фиг. 3. В этом случае локальные пьезорезонаторы будут иметь также различные по крутизне характеристики преобразования.

Формула изобретения

Чувствительный элемент преобразователя механических величин в частоту, содержащий пьезоэлемент с нанесенными на него электродами, отличающийся тем, что, с целью упрощения регулировки крутизны характеристики «усилие — частота» и облегчения настройки, пьезоэлемент выполнен с неоднородным относительно внешнего механического воздействия распределением внутренних механических напряжений, например, в виде пластины, грани которой выполнены в форме трапеции, а электроды размещены попарно на гранях пьезоэлемента в областях с различной величиной внутренних механических напряжений.

Источники информации, принятые во внимание прн экспертизе:

1. Новицкий П. и др. Цифровые приборы с частотными датчиками. М., Энергия, 1970.

2. Авторское свидетельство X 351300, М. Кл. Н ОЗН 9/18, 1970.

3. Лвторское свидетельство

М. Кл.- Ci 011 1/16, 1969.

558184 фиг. !

Фиг 3

С оста в и тель Е. А рта л1 оно в а

Редактор Л. Тюрина

Текред М. Сел1енов

Корректор О. Тюрина

3аказ 1166/4 1:!зд, Л 444 Тираж 1106 Поди лсиос

1 НИИП11 Государственного комитета Совета Министров CCCI ио дел iм изобретеиII3 и открытий

113035, Москва, К-35, Рамииская иао., д. 4j5