Пьезодатчик Советский патент 1985 года по МПК G01L1/16 

CD О

IS9

i

1. ПЬЕЗОДАТЧИК, содержащий кольцевой пьезоэлемент, первый электрод которого нанесен на одну, а второй и третий электроды - на его другую торцовую поверхность, от- ли чающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности пьезоэлемент выполнен из кварца, причем плоскость среза кольца пьезо-. элемента наклонена против часовой стрелки от оси третьего порядка на угол 35-38° и совпадает с осью второго порядка, при этом второй и третий электроды выполнены в виде сегментов , хорды которых параллельны этой же оси, расстояние между хордами равно или больше внутреннего диаметра кольцевого пьезоэлемента, а соотношение наружного и внутреннего диаметров кольцевого пьезоэлемен- та выбрано в пределах от 1,8 до 2,5. 2. Пьезодатчик по п.1, о т л и ся ч. а ю щ и и . с я тем, что кольцевой пьезоэлемент выполнен с выпуклыми торцовыми поверхностями.

фиг t

11

Изобретение относится к измерит; телыюй технике и может быть использовано в приборостроении, автоматике, радиоэлектронике, в авиационнокoc шчecкиx системах управления и контроля и многих других областях науки и техники.

Цель изобретения - увеличение чувствительности,

фиг. изображена функциональная схема пьезодатчика; на фиг. 2 - конструк1щя пьезоэлемента с плоскими торцовыми поверхностями; на фиг.З1:аэрсз А-А на фиг.25 на фиг. 4 .конструкция пьезоэлемента с двояко- гпп:-.г.м. .(ордорыт поверхностямиJ на . ,1Р , - ПЧРСЗ В-Б на фиг.4; на . Iiij .) расноложение кристаллографических осей; на фиг. 7 - зависимость коэф(;ициентов Ратайского пьезоэлемента от соотношения его диаметров; на фиг. 8 - эпюра механических наиряжений в кольцевом пьезоэлементе.

Устройство содержит кварцевый автогенератор 1, пьезорезонатор 2 и измерительный прибор 3, причем пьезорезонатор 2 включен между авгогеж.ратором 1 и измерительным прибор.зм 3. В качестве измерительного прибора используется частотомер. Пьезорезонатор выполнен в виде цил1Н дрического кольца или кольцевой линзы из кварца АТ-среза, предполагающий выполнение плоскости среза кольца нод углом 35-38 к оси третьего порядка и совпадения названной плоскости с осью второго порядка.

В пьезорезонаторе в виде цилиндрического кольца (фиг.2 и 3) на пьезоэлемент нанесены три электрода, один электрод 4 наносится сплошным )доль одного основания цилиндричес кого кольца. На противоположное осио1 ;игие цилиндрического кольца 5 нанесены два сегментнообразньгх электрода 6 и 7, хорды которых перпендикулярны повернутой оптической оси Z среза AT.

R иьезорезонаторе в виде кольцевой линзы (фиг. 4 и 5 ) на пьезоэлемент также нанесены три электрода. Один из которых электрод 8, наносится сплошным на одну сферическую ;1оверх11ость кольцевой линзы 9. На пчтрую сферическую поверхность кольцевой ликзы 9 нанесены два сегментообразных электрода 10 и 11, хорды

2

которых перпендикулярны повернутой оптической оси Z среза AT.

Устройство работает следуюЕщм образом.

Автогенератор при номинальном измеряемом давлении, в частотозадающую цепь которого включен пьезорезонатор 2, генерирует частоту f, . В датчике давления используется точечная схема нагружения, причем измеряемое давление Р с помощью силопередающего устройства приклаывается к пьезорезонатору 2 по диаметральной линии пьезоэлемента в направлении максимальной тензочувствительности пьезоэлемента, вдоль электрической оси X (фиг.2-5). Пьезорезонаторы 2 в виде цилиндрического кольца или в виде кольцевой инзы имеют с одной стороны обищй электрод,4(3 ), а с другой - два изолированных один от другого электрода 6 и 7 (Ю и П), один из которых - электрод 6 (10 ),подключается к автогенератору 1, а другой электрод, 7 (1 1 ), к частотомеру 3. По частоте колебаний, фиксируемой частотомером 3, судят о величине измеряемого давления.

При изменении давления изменяется частота настройки резонатора 2 и частота автогенератора 1. Эти изменения частоты фиксируются частотомером 3. Выбранная схема нагружения (приложение измеряемого давления по диаметральной линии пьезоэлемента вдоль электрической оси X ) позволяет получить максимальную тензочувствительность. Это объясняется с помощью нелинейной теории упругости.

В результате точечного нагружения в объеме пьезоэлемента возникает напряженное состояние, описываемое сложной функцией координат и геометрических характеристик пьезорезона- тора. Существенньш вклад в тензочув- ствительность дают изменения упругих свойств пьезокристалла.

Для кольцевого пьезоэлемента с плоскими торцовыми поверхностями коэффициент силовой чувствительности определяется как

.

где S - площадь поперечного сечения

в центре пьезоэлемента; К - коэффициенты тензочувствительности;.- коэффициенты нагружения для кольца. Расчет и экспериментальные иссле дования показывают, что величина те зочувствительности кольцевого кварцевого пьезоэлемента AT-среза зависит от соотношения внешнего b и вну реннего а диаметров (фиг.2-5). На фиг. 7 показано влияние соотношения внешнего и внутреннего диаметров кольцевого пьезоэлемента на зависимость коэффициентов Ратайского от угловых координат пьезоэлемента. Ко эффициенты Ратайского характеризуют тензочувствительные свойства пьезоэлементов и связаны с коэффициентам тензочувствительности следующим образом:h -k Е 1Г где К - коэффициент тензочувствительности пьезозлемента; K - коэффициент Ратайского; ti - толщина пьезоэлемента; t - коэффициент, учитывающий . форму пьезоэлемента и схему нагружения; п - номер гармоники. Видно (фиг.7)что коэффициенты Ра тайского, а следовательно, и тензочувствйтельность кварцевого пьезоэлемента AT-среза максимальны вдоль электрической оси X и величина тензочувствительности зависит от соотношения внешнего и внутреннего диаметров пьезоэлемента. Поэтому N выбираем направление приложения уси лия вдоль электрической оси X пье зоэлемента, вдоль направления, обла дающего наибольшей тензочувствитель ностью. Кроме того, тензочувствител ность кольцевого пьезоэлемента увеличивается с возрастанием внутреннего диаметра а, при постоянстве наружного b. Выбор соотношения наружного и внутреннего диаметров при реализации данного датчика произ154водится исходя из требований высокой тензочувствительности и допустимой прочности пьезоэлемента. Соглас но экспериментальным данным соотношение диаметров, обеспечивающее эти требования, установлено в пределах от 1,8 до 2,5. Коэффициент силовой чувствительности также зависит от площади поперечного сечения пьезоэлемента. В случае применения в качестве датчика давления кольцевого пьезоэлемента -с двояковыпуклыми торцовыми поверхностями сило.вая чувствительность возрастает ввиду уменьшения площади поперечного сечения в центре пьезоэлемента. Выбор формы и расположения электродов на кварцевом пьезоэлементе AT-среза позволяет увеличить чувствительность пьезо датчика давления. При приложении усилия вдоль электрической оси X механические напряжения в сечении , проходящем через центр кольцевого пьезоэлемента вдоль . повернутой оптической оси Z, однородны, а в сечении, проходящем через центр кольцевого пьезоэлемента вдоль электрической оси X, механические напряжения неоднородны и имеют разные знаки в различных областях. Эпюры механических напряжений .в кольцевом пьезоэлементе при такой схеме нагружения показаны на фиг.8. Ис- ходя из этого выбраны сегментообразные электроды на одной из поверхностей кольцевого пьезоэле- мента, хорды которых перпендикулярны повернутой оптической оси Z кварцевого кольцевого пьезоэлемента АТ-среза и расстояние между хордами равно или превьш1ает внутренний диаметр пьезоэлемента. Таким образом, применение пьезорезонаторов в виде цилиндрического кольца или кольцевой линзы в качестве датчиков давления позволяет повысить их чувствительность.

г

%e.3

У

(Put. 6

фиг. 8

z

agSB