Кварцевый силочувствительный элемент Советский патент 1984 года по МПК G01L1/16 

Изобретение относится к технике измерений неэлектрических величин, в частности параметров давлений, сил и т.д.

Известен пьезоэлемент для дифференциального частотного пьезодатчика, состоящий из пьезоэлектрической двухрезонаторной пластины, один край которой жестко закреплен, а другой край пьезоэлектрической пластины расположен на опоре и несколько выступает за нее, причем поперечное усилие подается на этот выступ таким образом, что два акустически развязанных пьезорезонатора находятся в областях с различными знаками кривизны l .

Однако данный пьезоэлемент имеет недостаточную механическую прочность, поскольку действие силовых усилий передается в рабочие зоныколебаний через плечо, образованное хрупкой пьезоэлектрической пластиной.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является кварцевый силочувствительный пьезо- элемент, содержащий две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами, разделенные прокладками вне активных зон колебаний 2 .

Эффект преобразования прикладываемой силы в частоту основан на использовании только тензочувствительности кварцевых пластин, работающих на изгиб, чем ограничена чувствительность датчика.

Цель изобретения - повышение чувствительности элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в кварцевом силочувствительном элементе, содержащем две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами, разделенные прокладками вне активных зон колебаний, электроды выполнены в виде параллельных гребенок с зубцами прямоугольной формь и расположены на внешних сторонах кварцевых пластин со смещением зубцов электродов одной гребенки относительно другой, определяемым соотношением

де

0,2 ,8,

где лЕ - смещение зубцов электродов, t - ширина зубцов электродов, причем расстояние между зубцами больше указанного максимального смещения, отношение толщины прокладки к толщине

кварцевой пластины выбрано в пределах 0,1-1,0, а отношение ширины зубцов электрода к его длине выбрано в пределах 0,2-1,0.

На фиг,1 дана конструкция элемента, вид спереди; на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг.З - рабочее положение элемента при действии усилия, вид спереди; на фиг.4 - то же, вид сверху; на фиг.З - структурная схема устройства обработки выходной информации элемента.

Кварцевый силочувствительный элемент состоит из двух кварцевых пластин 1 с колебаниями сдвига по толщине, разделенных вне активных зон колебаний прокладками 2. На внешних сторонах кварцевых пластин 1 расположены электроды 3 гребенчатой формы. Зубцы верхнего электрода 4 смещены относительно зубцов нижнего электрода 5. Кварцевый силочувствительный элемент закреплен консольно и подключен к многочастотному автогенератору 6, на выходе которого вьщеляются частоты , и 2; . Кроме того, на фиг.З показано выполнение схемы обработки информации в виде фильтров 7, сумматоров 8, генератора 9 и смесителя 10.

Кварцевый силочувствительный элемент работает следующим образом.

В исходном состоянии кварцевые пластины 1 разделены прокладками 2, причем прокладка 2 на свободном незакрепленном конце кварцевого силочувствительного элемента жестко соединена с нижней по фиг.1 кварцевой пластиной 1 и не имеет жесткого соединения с верхней пластиной 1.

Исходя из требований к чувствительности с учетом тензочувствительности и массочувствительности, рассчитывается величина .смещения зубцов электродов, после чего производится консольное закрепление пластин 1. Электроды 3 подключаются к многочастотному автогенератору 6, на выходе которого имеются сигналы с частотами f,- и .

в рассматриваемом случае число зубцов электродов равно четырем. Каждая пара зубцов электродов перекрывается, образуя четыре межэлектродных пространства, обозначенные на фиг.2 и 4 заштрихованными площадями. Каждой из этих площадей 5, , .

It tj соответствует пара резонансных часО 1ц, 12 13,, 14 21, 2г,2Я.4 в результате воздействия измеряемого усилия Р кварцевые пластины про гибаются, что приводит к изменению смещений зубцов электродовд Е 2 4 и площадей, перекрываемых в межэлектродных пространствах (фиг.А). Вез воздействия усилим перекрываемые пло щади выбраны примерно одинаковыми 5,-52 (фиг,2). В-результате действия силы Р изменение указанных площадей происходит так, что 5, 4 Sj 5 5 (фиг.4). Изменение площадей приводит к изменению масс зубцов электродов, что вызывает изменение частот генерации. Каждая из этих час ii- и I,2; получает приращения i,r ;o ii; ir 3 n 2iМногочастотный сигнал с выхода автогенератора 6 подается на фильтры 7, каждый из которых настроен на одну из частот i и 31 . Сигналы с частотами ii, , t, ,, 21 ijj ,2 подаются на два сумматора 8 частот, в которых происходит их сложение .Ь ; На сумматоры 8 подаются также сиг налы частоты If генератора 9, причем . На выходе сумматоров 8 выделяются сигналы разностных частот p., ip,f.io- -X it,,:-, uio, . г O ,г1 1 л 1 где составляющие Jl &i И Ц i.i 1л Ui учитывают изменение частот колебани обусловленных тензочувствительностя ми кварцевых пластин 1: ) На выходе смесителя 10 выделяетс разностная частота , изменяющая ся с учетом тензо- м массочувствите ностей кварцевых пластин 1 с электр дами 3 , F,„ -L. -.- -2fr. i2n 1лхч 71лI Из анализа соотношений (1) следует, что по сравнению с исходной силочувствите.пьностью кварцевого силочувствительного элемента, обусловленной тензочувствительностью .(й 4л,Л 2ч о введение отличительных признаков привело к дополнительному изменению частоты ЛР,2 обусловлено массочувствительностью. Проведенные исследования позволили )айти оптимальное решение предлагаемого кварцевого силочувствительного элемента. В оптимальном варианте относительное смещение зубцов электродов равно 0,5, расстояние между зубцами электродов равно их ширине, что практически исключает акустичес- . кую связь между резонаторами, отношение толщины прокладки к толщине кварцевой пластины равно 0,5J отношение сторон зубцов электродов равно 0,4. Оптимизация предлагаемого силочувствительного элемента проводилась по двум параметрам, по чувствительности и устойчивой работе в многочастотном автогенераторе. При отмеченных параметрах конструкции предлагаемый элемент над.ежно возб ждается и устойчиво работает в многочастотном режиме, а силочувствительность повышается примерно в 3-4 раза. Кварцевый силочувствительный элемент имеет две совокупности предельных значений параметров конструкции, указанных выше. На границах этих значений кварцевый элемент или неустойчиво работает или не обнаруживает эффекта массочувствительности. Предлагаемый кварцевый элемент имеет более высокие чувствительность и линейность характеристики преобразования, обеспечение последней достигается выбором геометрии зубцов электродов и их относительным смещением в процессе измерений. Кроме того обеспечивается возможность получения требуемой формы характеристики преобразования изменением или выбором геометрии зубцов электродов. Трудоемкость изготовления уменьшается, поскольку электроды напьшены только с одних cTipOH каждой пластины.

КВАРЦЕВЫЙ СИЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами, разделенные прокладками вне активных зон колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности, электроды вьтолнены в виде параллельных гребенок с зубцами прямоугольной формы и расположены на внешних сторонах кварцевых пластин со смещением зубцов электродов одной гребенки относительно другой, определяемым соотношением Ж е 0,2. 0,8, где uE - смещение зубцов электродов; Е - ширина зубцов электродов, причем расстояние между зубцами больше указанного максимального смещения, отношение толщины прокладки к толщине кварцевой пластиЕ1ы выбрано в пределах 0,1-1,0 а отношение ширины зубцов b электрода к его длине выбрано в пределах 0,2-1,0.

1

Г

ггЬ

1

; s; 4

5,

.Ц

Т7Т

Г

I

w

Фиг. 5