Пьезокварцевый датчик давления

(51)4 С 01 Ь 9/08 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(46) 15,03.87. Бюл, В 10 (71) Белгородский технологический институт строительных материалов им. И.А. Гришманова(56) Авторское свидетельство СССР Иф 862000, кл. 6 01 Ь 9/08, 1980.Авторское свидетельство СССР Р 631793, кл. С 01 Ь 9/08, 1977. (54) ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить чувствительность и точность измерений. Внутри рамки упругого элемента 3 размещен пьезоэлемент 4 в виде многоугольника, вцентральной области которого выполнен точечный пьезорезонатор 7, Тонкопленочные электроды 5 пьезоэлемента 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. Автогенераторобеспечивает одновременную генерациюсигналов с частотами, равными собственным частотам периферийной ицентральной областей пьезоэлемента4, На информационную разностную частоту не влияет изменение температуры окружающей среды благодаря выполнению обоих пьезорезонаторов вединой пьезопластине. 3 ил,129 баИзобретение относится к контрольно-измерительной технике, вчастности к пьезорезонансным датчикам давления,ЦелЬ изобретения - повышение чувствительности и точности измерений,На фиг. 1 изображена конструкция пьезокварцевого датчика; на фиг, 2 - зависимость коэффициента силовой чувствительности собственной частотыточечного кварцевого пьезорезонатораот угла рС приложенного силового воздействия относительно кристаллографических осей пьезокварца; на фиг. 3 -схема автогенератора датчика давле 15ния,Пьеэокварцевый датчик давления содержит корпус 1 с размещенной в неммембраной 2, между мембраной и корпусом установлен упругий элемент 3 ввиде рамки, Внутри рамки помещен пьезоэлемент 4, выполненный в виде многоугольника и скрепленный с рамкойсвоими углами. Тонкопленочные электроды 5 пьезоэлемента, выполненныев аиде сегментов, включены в схемуавтогенератора б, а в центральнойобласти пьезоэлемента выполнен точечный пьезорезонатор 7, тонкопленочные электроды 8 которого такжевключены в схему автогенератора б.Контур точечного пьезорезонатора ограничен двумя прорезями 9, расположенными симметрично относительно осейсимметрии пьезоэлемента, проходящихчерез точки скрепления этого пьезоэлемента с упругим элементом. Приэтом перемычки 10, соединяющие телоточечного пьезорезонатора с телом40пьезоэлемента, лежат на оси симметрии пьезоэлемента, совпадающей сосью максимальной отрицательной силовой чувствительности точечногопьезорезонатора. Для скрепления пьезоэлемента с упругим элементом и упругого элемента с корпусом датчикимеет винты 11 и 12, которые позволяют также регулировать степень поджатия этого пьезоэлемента, а значит,и осуществлять, регулирование частотыкак основного пьезорезонатора пьезоэлемента, так и расположенного вцентре последнего дополнительноготочечного пьезореэонатора.Предлагаемый пьезокварцевый датчикдавления работает следующим образом,Для реализации воэможности дифференциального измерения, воздействую 71 2щего 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 конструкции чувствительного элемента и использования двухчастотного авто- генератора, обеспечивающего одновременную генерацию двух информационных частот, каждая из которых определенным образом зависит от воздействующего на датчик давления Р. Первая из генерируемых частот (д, является ангармонической модой основного колебания, используемого в пьезоэлементе известного устройства, Причем используется ангармоническая мода основного колебания вида 1, 2, .1, 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-сдвигового колебания каждый из двух электродов 5 пьезорезонатора пьезоэлемент 4 выполнен в виде двух секторов, располагаемых в зонах максимальных деформаций пьезоэлемента 4 при работе его основного пьезорезонатора на моде 1, 2, 1 с частотой И. 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 элемента 4 вся энергия колебаний с частотой (д, ока 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 значительно повысить добротность основного пьезореэонатораи улучшить стабильность частоты генерируемых колебаний по сравнениюс известным устройством,При воздействии на мембрану 2 измеряемого давления Р мембрана 2 деформируется и деформирует упругийэлемент 3. В результате этого пьезоэлемент 4 оказывается нагруженным поуглам и подвергается всестороннемусжатию, в связи с чем чувствительность собственной частоты У к воздействию давления Р определяетсяинтегральной силовой чувствительностью основного пьезорезонатора пьезоэлемента 4, Определить эту чувствительность можно из зависимости КР(Ы),приведенной на фиг, 1 б, вычисливинтеграл следующего видаК =а,К (м)с 1 м,20огде а - коэффициент, учитывающий упругие свойства мембраны 2 и коэффициент передачи механического усилияупругим элементом 3.В результате для зависимости частоты и, от воздействующего давленияР получим следующую зависимость:и,(Р) +КР (Р Р,), (2)где уо, - начальное значение частотыя,при начальном значении измеряемогоЗ 0давления, т.е. при Р=РБлагодаря тому, что основной пьезорезонатор пьезоэлемента 4 работаетна ангармонической моде основногоколебания вида 1, 2, 1, свободной 35от толщинно-сдвиговых колебаний оказывается не только периферийная частьпьезоэлемента 4, но и центральнаяего область, Вследствие этого возможно в этой области выполнить дополнительный точечный пьезорезонатор 7,собственная частота которого у близ 2ка к частоте (,1, и отличается от последней на значение разностной частоты и =р,-И, которая при значениях45частот И, и ы порядка 5-10 ИГц составляет 100-150 кГц.Тонкопленочные электроды 8 точечного пьезорезонатора 7, как и электроды 5 основного пьезорезонатора 50,пьезоэлемента 4, включены в базовуюцепь автогенератора 6, который обеспечивает в многочастотном режиме работы одновременную генерацию сигналовс частотами Ы, и и , Для обеспечения 55высокой устойчивости режима генерации двухчастотного колебания в схемумногочастотного автогенератора 6 введен нагрузочный полосовой ЬС-фильтр, включенный в эмиттерную цепь транзистора и настроенный на разностную частоту ц =Ы, - И .Поскольку дополнительный точечный пьезорезонатор 7 ограничен по контуру прорезями 9 (фиг. 1) и связан с телом пьезоэлемента 4 двумя перемыч ками 10, лежащими на оси Е его максимальной отрицательной силовой чувствительности (фиг. 2), для зависи" мости частоты Я , определяемой резонансной частотой точечного пьезорезонатора 7, от воздействующего на датчик давления Р,получимЦ,(Р) =и-КР, (Р-Р, ), (3) где (д - начальное значение частоты ц при исходном значении измеряемого давления;КР =аоК - коэффиЦиент чУвствительности по давлению Р частоты И,приВчем К - коэффициент силовой чувствительности точечного пьезорезонатора 7 при его нагружении вдоль оси ЕВ результате для разностной частоты сигнала, снимаемого с выхода автогенератора 6, получим следующее выражение:О,(Р)=и,(Р)-Ы (Р)=Ь -Ы )+(К +КР ) (Р Ро ) (4)Подбирая площадь электродов 5 основного пьезорезонатора пьезоэлемента 4, можно обеспечить равенство коэффициентов чувствительности по давлению К и КР , т.е. КР, =КР =КР и можно записать(Р(Р) (о 1 ой)+2 КР (Р Ра ) Поскольку оба пьезорезонатора пьезоэлемента 4 выполнены в единой пьезокварцевой пластине, информационная частота Ю (Р) практически не завиРсит от изменений температуры окружающей датчик среды.Формула изобретенияПьезокварцевый датчик давления, содержащий корпус с мембраной и размещенный в нем контактирующий с мембраной упругий элемент замкнутойформы с закрепленным внутри пьезоэлементом с электродами, включенными в схему автогенератора, причем пьезоэлемент выполнен в виде многоугольника, скрепленного по углам с упругим элементом, о т л и ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью повышенияиГ.З Составитель Н, БогданаРедактор М. Недолуженко Техред Я.Попович пен рек аз 767/43 Тираж 777рственного комитета СССобретений и открытийЖ-ЗЬ, Раушская наб., д Подпис НИИПИ Госуда по делам из 035, Москва, 5 Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектн 5 1296871 6чувствительности и точности измере- резями, расположенными симметрично ний, в нем каждый из,двух электродов относительно осей симметрии пьезопьезоэлемента выполнен в виде двух элемента, проходящих через точки сегментов, а в центральной области скрепления пьезоэлемента с упругим пьезоэлемента выполнен точечный пье элементом, причем электроды точечнозорезонатор с электродами, ограни- го пьезорезонатора включены в схему ченный по контуру двУмя дуговыми про- автогенератора.