Пьезокварцевый датчик давления Советский патент 1987 года по МПК G01L9/08 

1

Изобретение относится к контрольно-измерительной- технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давления.

Цель изобретения - повьпиение чувствительности и точности измерений.

На фиг. 1 изображена конструкция пьезокварцевого датчика; на фиг. 2 зависимость коэффициента сггповой чуствительности собственной частоты точечного кварцевого пьезорезонатор от угла об приложенного силового воздействия относительно кристаллографческих осей пьезокварца; на фиг. 3- схема автогенератора датчика давления,

Пьезокварцевьй датчик давления сдержит корпус 1 с размещенной в нем мембраной 2, между мембраной и корпсом установлен упругий элемент 3 в виде рамки. Внутри рамки помещен пь зоэлемент 4, выполненный в виде многоугольника и скрепленный с рамкой своими углами. Тонкопленочные 3|лек- троды 5 пьезоэлемента, выполненные в виде сегментов, включены в схему автогенератора 6, а в центральной области пьезоэлемента выполнен точечный пьезорезонатор 7, тонкопленочные электроды 8 которого также включены в схему автогенератора 6, Контур точечного пьезорезонатора ограничен двумя прорезями 9, расположенными симметрично относительно ос симметрии пьезоэлемента, проходящих через точки скрепления этого пьезоэлемента с упругим элементом. При этом перемычки 10, соединяющие тело точечного пьезорезонатора с телом пьезоэлемента, лежат на оси симметрии пьезоэлемента, совпадающей с осью максимальной отрицательной силовой чувствительности точечного пьезорезонатора. Для скрепления пьезоэлемента с упругим элементом и упругого элемента с корпусом датчик имеет винты 11 и 12, которые позволяют также регулировать степень под жатия этого пьезоэлемента, а значит и осуществлять регулирование частот как основного пьезорезонатора пьезо

элемента, так и расположенного в центре последнего дополнительного точечного пьезорезонатора.

Предлагаемый пьезокварцевый датчик давления работает следующим образом.

Для реализации возможности дифференциального измерения, воздействую0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

щего на предлагаемый датчик давления Р, и обеспечения минимальной погрешности этих измерений необходимо в системе чувствительный элемент - автогенератор обеспечить одновременную генерацию двух частотных сигналов, частоты которых обладали бы разными по знаку частотными коэффициентами силовой чувствительности, а по абсолютной величине были бы близкими. В предлагаемом устройстве это достигается за счет выбора специальной кон- .

струкции чувствительного элемента и использования двухчастотного автогенератора, обеспечивающего одновременную генерацию двух информационных частот,, каждая из которых определенным образом зависит от воздействующего на датчик давления Р. Первая из генерируем1лх частот С0 является ангармонической модой основного колебания, используемого в пьезоэле- менте известного устройства. Причем используется ангармоническая мода основного колебания вида 1, 2, Л, зоны деформаций которой располагаются в периферийных областях пьезоэлемента 4 в местах расположения секто-. ров тонкопленочных электродов 5 и не занимают центральную зону этого пьезоэлемента. Для обеспечения высокой активности этой ангармонической моды основного толщинно-сдвиго- вого колебания каждый из двух электродов 5 пьезорезонатора пьезоэле- мент 4 выполнен в виде двух секторов, располагаемых в зонах максимашьных деформаций пьезоэлемента 4 при работе его основного пьезорезонатора на моде 1, 2, 1 с частотой СО,. Это обеспечивает значительное возрастание амплитуды колебаний возбуждаемой ангармонической моды по сравнению с другими модами толщинно-сдвиговых колебаний, а также по сравнению с основным колебанием пьезорезонатора.

Благодаря использованию такого режима работы основного пьезорезонатора злемента 4 вся энергия колебаний с частотой со, ока1,ывается сконцентрированной в области расположения электродов 5, выполненных в виде двух сегментов, а зоны пьезоэлемента 4 вблизи точек скрепления пьезоэлемента с упругим элементом 3 оказываются свободными от деформаций, что позволяет зн&чительно повысить добротность основного пьезорезонатора

и улучшить стабильность частоты генерируемых колебаний по сравнению с известным устройством

При воздействии на мембрану 2 измеряемого давления Р мембрана 2 деформируется и деформирует упругий элемент 3. В результате этого пьезо- элемент 4 оказывается нагруженньм по углам и подвергается всестороннему сжатию, в связи с чем чувствительность собственной частоты о к воздействию давления Р определяется интегральной силовой чувствительностью основного пьезорезонатора пьезо- элемента 4. Определить эту чувствительность можно из зависимости Kp(ei) приведенной на фиг, 16, вычислив интеграл следующего вида -г

Кр ао Kp(oi,)doi,

(1)

где а - коэффициент, учитывающий упругие свойства мембраны 2 и коэффициент передачи механического усилия упругим элементом 3,

В результате для зависимости час- оси Z , тоты со, от воздействующего давления Р получим следующую зависимость:

СО,(Р)ОО,+КР, (Р-РО), (2) где cOj, - начальное значение частоты

20 -коэффициент чувствительности по давлению Р частоты СО причем Кр - коэффициент силовой чувствительности точечного пьезорезонатора 7 при его нагружении вдоль

В результате для разностной частоты сигнала, снимаемого с выхода автогенератора 6, получим следующее выражение:

СО, при начальном значении измеряемого р(Р) (о,(Р)-и(Р) ( + (Кр +Kp,j )«

давления, т,е, при ..

и

Благ одаря тому, что основной пьезорезонатор пьезоэлемента 4 работает на ангармонической моде основного колебания вида 1, 2, 1, свободной от толщинно-сдвиговых колебаний оказывается не только периферийная часть пьезоэлемента 4, но и центральная его область. Вследствие этого возмож(Р-РО). (4)

Подбирая площадь электродов 5 основного пьезорезонатора пьезоэлемента 4, можно обеспечить равенство 35 коэффициентов чувствительности по давлению Кр и Кр , т,е, Кр Kpj,Kp и можно записать

Qp(P) (cOo,-Woa)+2Kp(P-P). (5) Поскольку оба пьезорезонатора пьезоно в этой области выполнить дополни- элемента 4 выполнены в единой пьезо- тальный точечный пьезорезонатор 7, кварцевой пластине, информационная собственная частота которого (j3 близка к частоте О), и отличается от последней на значение разностной часчастота сОр (Р) практически не зави45

сит от изменении температуры окружающей датчик среды.

45

тоты сОр G3,-C02, которая при значениях частот СО, и cOj порядка 5-10 МГц составляет 100-150 кГц,

Тонкопленочные электроды 8 точечного пьезорезонатора 7, как и электроды 5 основного пьезорезонатора 50 .пьезоэлемента 4, включены в базовую цепь автогенератора 6, который обеспечивает в многочастотном режиме работы одновременную генерацию сигналов

с частотами СО, и Og. Для обеспечения 55 элемент выполнен в виде многоуголь- высокой устойчивости режима генера- ника, скрепленного по углам с упру- ции двухчастотного колебания в схему рим элементом, отличающий- многочастотного автогенератора 6 вве- с я тем, что, с целью повышения

Формула изобретения

Пьезокварцевый датчик давления, содержавши корпус с мембраной и размещенный в нем контактирующий с мембраной упругий элемент замкнутой формы с закрепленным внутри пьезо- элементом с электродами, включенными в схему автогенератора, причем пьезоден нагрузочный полосовой ЬС-фильтр, включенный в эмиттерную цепь транзистора и настроенный на разностную частоту (,-c02.

Поскольку дополнительный точечный пьезорезонатор 7 ограничен по контуру прорезями 9 (фиг, 1) и связан с телом пьезоэлемента 4 двумя перемычками 10, лежащими на оси Z его максимальной отрицательной силовой чувствительности (фиг, 2), для зависимости частоты со, определяемой резонансной частотой точечного пьезорезонатора 7, от воздействующего

на датчик давления Р .получим

C02(P) 42-Kpi(P-Po). (3) где COgj, - начальное значение частоты (0 при исходном значении измеряемого давления; ,

20 -коэффициент чувствительности по давлению Р частоты СО причем Кр - коэффициент силовой чувоси Z ,

ствительности точечного пьезорезонатора 7 при его нагружении вдоль

оси Z ,

В результате для разностной частоты сигнала, снимаемого с выхода автогенератора 6, получим следующее выражение:

р(Р) (о,(Р)-и(Р) ( + (Кр +Kp,j )«

р(Р) (о,(Р)-и(Р) ( + (Кр +Kp,j )«

(Р-РО). (4)

Подбирая площадь электродов 5 основного пьезорезонатора пьезоэлемента 4, можно обеспечить равенство коэффициентов чувствительности по давлению Кр и Кр , т,е, Кр Kpj,Kp и можно записать

Qp(P) (cOo,-Woa)+2Kp(P-P). (5) Поскольку оба пьезорезонатора пьезоэлемента 4 выполнены в единой пьезо- кварцевой пластине, информационная

частота сОр (Р) практически не зави

сит от изменении температуры окружающей датчик среды.

элемент выполнен в виде многоуголь- ника, скрепленного по углам с упру- рим элементом, отличающий- с я тем, что, с целью повышения

Формула изобретения

Пьезокварцевый датчик давления, содержавши корпус с мембраной и размещенный в нем контактирующий с мембраной упругий элемент замкнутой формы с закрепленным внутри пьезо- элементом с электродами, включенными в схему автогенератора, причем пьезочувствительности и точности измерений, в нем каждый из .двух электродов пьезоэлемента выполнен в виде двух сегментов, а в центральной области пьезоэлемейта выполнен точечный пье- зорезонатор с электродами, ограниченный по контуру двумя дуговыми прорезями, расположенными симметрично относительно осей симметрии пьезоэлемента, проходящих через точки скрепления пьезоэлемента с упругим элементом, причем электроды точечного пьезорезонатора включены в схему автогенератора.

Редактор М. Недолуженко

фие.З

Составитель Н. Богданова

Техред И.Попович Корректор Л. Пилипенко

Заказ 767/43Тираж 777Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить чувствительность и точность измерений. Внутри рамки упругого элемента 3 размещен пьезоэлемент 4 в виде многоугольника, в центральной области которого выполнен точечный пьезорезонатор 7. Тонкопленочные электроды 5 пьезоэлемен- та 4, выполненные в виде сегментов, и электроды 8 пьезорезонатора 7 включены в схему автогенератора. Действующее на мембрану 2 измеряемое давление приводит к всестороннему сжатию пьезоэлемента 4. Автогенератор обеспечивает одновременную генерацию сигналов с частотами, равными собственным частотам периферийной и центральной областей пьезоэлемента 4. На информационную разностную частоту не влияет изменение температуры окружающей среды благодаря выполнению обоих пьезорезонаторов в единой пьезопластине. 3 ил. Р (Л