ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСИЛИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к измерительным преобразователям механических параметров.

Известны пьезорезонансные измерительные преобразователи (датчики) механических параметров: усилий, перемещений, давлений, ускорений и т.д. Они содержат, как правило, два дифференциально включенных тензочувствительных пьезоэлемента (ТП), жестко соединенных с корпусом и/или упругим элементом.

Измерительный параметр воздействует на упругий элемент преобразователя и деформирует его. Деформация упругого элемента передается тензочувствительным пьезоэлементам. В результате изменяется резонансная частота каждого из пьезоэлементов и частота сигнала на выходе дифференциальной схемы.

Близким по технической сущности аналогом предлагаемого устройства является преобразователь [1]. Он представляет собой балку, выполненную из упругого материала. На противоположных поверхностях балки симметрично относительно ее средней плоскости закреплены тензочувствительные пьезоэлементы, так что их плоскости перпендикулярны вектору измеряемого параметра. При воздействии измеряемого параметра балка изгибается, происходит деформация ТП и изменяется их резонансная частота. К достоинству такого преобразователя относится возможность многократного увеличения коэффициента преобразования за счет увеличения отношения длины балки к расстоянию между пьезоэлементами. Кроме того, преобразователь обладает пространственной селективностью к компонентам измеряемого усилия, так как вследствие малой изгибной жесткости лишь в одном направлении, совпадающем с вектором измеряемой компоненты, чувствительность к двум другим компонентам пренебрежимо мала.

Недостатком является чувствительность пьезоэлементов к окружающей преобразователь среде. В датчике разности давления по [1], заполнение внутреннего пространства между мембранами несжимаемой средой, например кремнеорганической жидкостью, позволило бы во много раз снизить жесткость мембран и, следовательно, во столько же раз уменьшить гистерезис рабочей характеристики датчика и его погрешности температурного и временного дрейфа. Однако жидкость понижает добротность пьезоэлементов, что приводит к затуханию их колебаний и неработо- способности датчика.

Этого недостатка лишено техническое решение [2], являющееся прототипом предлагаемого. Согласно этому решению в балке выполнена герметичная полость с образованием пары перемычек между полостью и внешними гранями балки. Тензочувствительные пьезоэлементы помещены в полости и закреплены на перемычках, в которых на внешних гранях балки выполнены пазы, направление которых перпендикулярно оси чувствительности пьезоэлементов. Пазы формируют ребра жесткости и уменьшают изгибную жесткость балки. В результате такая балка не теряет прочности и упругости в условиях больших статических давлений окружающей кремнеорганической жидкости, оберегая ТП от ее воздействия, и в то же время обладает достаточной изгибной податливостью для передачи полезной деформации на ТП.

ТП включены в схему выделения разности их частот, что позволяет повысить точность в условиях дестабилизирующих воздействий и статического давления.

Недостаток прототипа заключается в следующем. Для повышения эффективности дифференциальной схемы с точки зрения снижения погрешности влияния статического давления в прототипе перемычки выполнены идентичными, чтобы взаимно компенсировать влияние этого давления на ТП, т.е. полость выполнена симметрично относительно средней - нейтральной поверхности изгиба балки.

Пределы нагружения ТП ограничены предельными напряжениями в балке, которые возникают при одновременном воздействии на нее измеряемой силы и статического давления.

При этом в зависимости от материала, из которого изготовлена балка, такими напряжениями являются пределы упругости (или пределы прочности, если потеря прочности наступает раньше, чем потеря упругости).

Если рассмотреть нагруженное состояние каждой перемычки под действием одновременно измеряемой силы и статического давления, то нетрудно увидеть, что в одной из перемычек, как правило, растягиваемой измеряемой силой, максимальными по величине будут напряжения растяжения, а в другой (сжимаемой) - напряжения сжатия. У различных материалов пределы прочности Т_п^р и упругости Т_У^р на растяжение отличаются от пределов Т_п^с и упругости Т_у^с на сжатие в несколько раз. Так, для кристаллического кварца
Т_у^р > Т_п^р, Т_у^с > Т_п^с, а Т_п^с ≈ 25 ˙Т_п^р.

Таким образом, максимальное полезное изменение разности частот ограничивается упругостью (или прочностью) той перемычки, в которой под действием измеряемой силы и статического давления раньше наступает предельное напряжение (упругости или прочности), и не достигает своего максимально возможного значения. В результате один из ТП используется лишь на 10-20%. Как следствие, влияние дестабилизирующих воздействий (в том числе статического давления) относительно полезного эффекта, т.е. относительные дополнительные погрешности увеличиваются примерно в 5-10 раз по сравнению с теми преобразователями, в которых ТП используются полностью.

Указанный недостаток усугубляется наличием в перемычках пазов, которые в данном случае, являясь как бы концентраторами напряжений, увеличивают их максимальные значения.

Очень просто (например, в датчиках разности давлений) преобразователь усилий измеряет усилие, которое направлено всегда в одном направлении. В этом случае недостаток прототипа может быть устранен.

Целью изобретения является повышение точности измерения однонаправленных усилий в условиях воздействия статического давления.

Цель достигается следующим образом. Пьезорезонансный преобразователь усилий, содержащий балку, закрепленную в корпусе преобразователя, имеющую герметичную полость, пару перемычек, расположенных по обе стороны от полости, пазы в перемычке и пару тензочувствительных пьезоэлементов, каждый из которых закреплен в полости на перемычке и включен в схему выделения разности частот, с целью повышения точности измерения однонаправленного усилия в условиях воздействия статического давления, снабжен второй балкой, идентичной первой, причем пьезоэлементы помещены в полости разных балок и закреплены на идентичных перемычках. Полости смещены относительно нейтральной поверхности изгиба балок в направлении одной из перемычек, а пазы выполнены только в тех перемычках, в направлении которых смещены полости.

Для снижения погрешности от статического давления пьезоэлементы закреплены на перемычках, не содержащих пазы.

Для снижения погрешности температурного дрейфа обе балки выполнены монолитно как продолжение одна другой и закреплены в корпусе так, что расстояния от полости и пьезоэлемента первой балки до места ее крепления равны соответствующим расстояниям от полости и пьезоэлемента второй балки до места крепления этой балки.

Для снижения погрешности временного дрейфа полости выполнены сообщающимися одна с другой.

Смещение полостей относительно нейтральной поверхности изгиба балок в направлении одной из перемычек каждой пары позволяет за счет изменения толщин перемычек уменьшить в одной из них критические (близкие к предельным) напряжения, а в другой - увеличить некритические (далекие до предельных) напряжения.

Преимущественно растягиваемая перемычка утолщается, а преимущественно сжимаемая - утоньшается. Выполнение пазов только в той перемычке, через которую нейтральная поверхность не проходит, позволяет удалить с поверхности растягиваемой перемычки пазы-концентраторы напряжения. В результате этого на порядок повышается коэффициент использования тензочувствительного пьезоэлемента, находящегося в полости первой (изгибаемой измеряемым усилием) балки.

Поскольку при этом перемычки одной пары, образованной полостью, становятся неидентичными, преобразователь снабжают второй балкой, в которой выполняют еще одну полость и еще одну пару перемычек, идентичных полости и перемычкам первой балки, а ТП помещают в полости разных балок и закрепляют на идентичных перемычках. В этом случае они одинаково чувствуют статическое давление и влияние этого фактора устраняется дифференциальным включением ТП.

Опорный пьезоэлемент, расположенный в предлагаемой конструкции во второй балке, не испытывает полезную деформацию измеряемой силой и не вносит вклад в изменение выходной разности частот. Но это приводит лишь к двукратному уменьшению полезного изменения разности частот, в то время как рабочий ТП используется на порядок выше. Таким образом, в целом полезное изменение разности частот увеличивается в 5-10 раз.

Если ТП закреплен на той перемычке, которая имеет пазы, то в силу меньшей в пазах толщины этой сжимаемой перемычки по сравнению с толщиной другой, растягиваемой перемычки, его чувствительность к статическому давлению может быть довольно большой.

В силу технологических неточностей конфигурации пазов и перемычек, на которых закреплены опорный и рабочий ТП, отличаются друг от друга. Вследствие этого чувствительности опорного и рабочего ТП к статическому давлению могут не полностью компенсировать друг друга в дифференциальной схеме. Поэтому целесообразно уменьшить их чувствительность, закрепив ТП на более толстой, не содержащей пазов перемычке. В этом случае необходимо, чтобы поверхность перемычки, на которой крепится ТП, была по возможности максимально удалена от нейтральной поверхности прогиба балки (тогда полезные напряжения в ТП будут максимальны). Без уменьшения толщины толстой перемычки это достигается в том случае, когда нейтральная поверхность проходит в самой этой перемычке.

Выполнение балок как продолжение одна другой позволяет повысить идентичность их коэффициента линейного расширения в направлении ориентации ТП, а следовательно, повысить идентичность температурно-частотных характеристик (ТЧХ) ТП. Этому способствует и использование той плоскости, в которой первая балка переходит во вторую, для крепления в корпусе преобразователя равноудаленно по отношению к полостям и ТП. В этом случае идентично влияние термонапряжений в заделке на ТЧХ ТП.

Идентичные же характеристики взаимно компенсируются дифференциальной схемой, что снижает температурную погрешность преобразователя.

Частота ТП зависит от состава и давления окружающего их газа. Если полости сообщаются, то состав газа и его давление, а следовательно, и влияние на ТП одинаковы. В этом случае дифференциальная схема устраняет ту составляющую погрешности временного дрейфа, которая обусловлена возможным изменением во времени состава и давления газа в полостях.

Не обнаружено никаких других технических решений со сходными признаками, на основании чего делается вывод, что предлагаемое устройство удовлетворяет критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 показан преобразователь со смещением полости относительно нейтральной поверхности изгиба; на фиг. 2 - преобразователь, у которого нейтральная поверхность изгиба балки проходит в теле одной из перемычек каждой пары; на фиг. 3 - преобразователь, вторая балка которого выполнена как продолжение первой; на фиг. 4 - преобразователь, в балке которого полости сообщаются друг с другом.

Пластины 1 и 2 выполнены из кристаллического кварца одинаковой ориентации, жестко скреплены друг с другом и образуют первую балку 3 преобразователя. Пластины 4 и 5 образуют вторую балку 6 преобразователя. Одним из концов каждая балка закреплена в корпусе преобразователя. На конец балки 3 воздействует измеряемая сила . В балке 3 имеется герметичная полость 8, а в балке 6 - герметичная полость 9.

Полости образуют с внешними гранями балок пары перемычек 10, 11 и 12, 13.

На перемычках 10 и 12 посредством соединительных элементов (клея, пайки и т.п.) жестко закреплены ТП 14 и 15.

В перемычках 10 и 12 на больших гранях пластин 1 и 4 выполнены пазы 16 и 17. Балки находятся в несжимаемой среде 18 и подвержены статическому давлению Р, ТП 14 и 15 подключены к схеме 19 выделения разностной частоты.

Пунктиром 20 показана нейтральная поверхность изгиба балок. Штрих-пунктиром показана ось 21, относительно которой равноудаленно расположены полости 8 и 9 и ТП 14, 15. Полости 8 и 9 сообщаются одна с другой посредством канала 22.

Предложенное техническое решение позволяет в 5-10 раз повысить полезное изменение выходной частоты преобразователя и примерно во столько же раз снизить погрешности, вызванные влиянием статического давления, температуры и временного дрейфа. Еще одним дополнительным полезным эффектом предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости изготовления преобразователя.

Объясняется этот эффект тем, что в преобразователе, изображенном на фиг. 2, нет больших углублений (как в прототипе) для формирования полости с целью разнесения ТП на большое расстояние от нейтральной поверхности изгиба и увеличения полезной перестройки их частоты. В преобразователе по фиг. 2 глубина углубления может быть не больше толщины ТП.

Технология изготовления углублений в кварце весьма трудоемка, и уменьшение глубины их пропорционально снижает трудоемкость этой операции.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерительным преобразователям механических параметров. Целью изобретения является повышение точности. Цель достигается тем, что устройство содержит две одинаковые балки, закрепленные в корпусе и выполненные с герметичными полостями, по разные стороны которых расположены перемычки. На идентичных перемычках закреплены пьезоэлементы, включенные в схему выделения разности частот, на выходе которой выделяется сигнал, пропорциональный измеряемому усилию, взаимодействующему на одну из балок. Пьезоэлементы могут быть закреплены на перемычках, не имеющих пазы. Балки могут быть выполнены за одно целое, причем расстояния от места крепления балок до соответвующих полостей и пьезоэлементов равны между собой. Полости могут быть выполнены сообщающимися друг с другом. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСИЛИЯ, содержащий балку, закрепленную в корпусе преобразователя, имеющую герметичную полость, пару перемычек, расположенных по обе стороны от полости, в одной из которых выполнены пазы, и пару пьезоэлементов, один из которых закреплен в полости на перемычке и оба включены в схему выделения разности частот, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения однонаправленного усилия в условиях воздействия статического давления, преобразователь снабжен второй балкой, идентичной первой, а второй пьезоэлемент размещен в полости второй балки и закреплен на перемычке идентично закреплению первого пьезоэлемента, а полости смещены относительно нейтральной плоскости изгиба балок в направлении перемычек с пазами. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлементы закреплены на перемычках, не содержащих пазы. 3. Преобразователь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет снижения погрешности температурного дрейфа, обе балки выполнены за одно целое, причем расстояния от места закрепления каждой балки до соответствующих полостей и пьезоэлементов равны между собой. 4. Преобразователь по п.3, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет снижения погрешности временного дрейфа, полости выполнены сообщающимися друг с другом.