Пьезодатчик

(5 Ц 4 С 01 Ь ГОСУДАРСТВПО ДЕЛАМ РСН ли ч ающи целью повышени пьезоэлемент в с я тем, что его чувствите ости авиам плоскос нта накло ского еме порядка на с осью вто торой и тр а,Симоде сегельны ные.66-6СР70,01547 у хо реннегооэлемент внутренн пье т 1, 1, о оэлем ржащиий элекаа егоо т -до 2 5 й тлильце клыми о пу СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ЫЙ НОМИТЕТ СССРБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗ СЕИДЕПЛЬСТ(71) Харьковский ордена Ленинционный институт им.Н,Е,Жуков(54)(57) 1. ПЬЕЗОДАТЧИК, содекольцевой пьезоэлемент, первытрод которого нанесен на однувторой и третий электроды - ндругую торцовую поверхность,ТЕНИЯ 7 полнен из кварца, ть среза кольца пьезонена против часовой стрелки от оси третьего угол 35-38 О и совпадает рого порядка, при этом тий электроды выполнены ментов, хорды которых и этой же оси, расстояние ми равно или больше вну диаметра кольцевого пье а соотношение наружного го диаметров кольцевого та выбрано в пределах о2. Пьезодатчик по и. ч а ю щ и й.с я тем, ч пьезоэлемент выполнен с торцовыми поверхностямиИзобретение относится к измериг тельной технике и может быть использоваио в приборостроении, автоматике, радиоэлектронике, в авиационно- космических системах управления и контроля и многих других областях ггаукгг и техники.Пель изобретения - увеличение чувствительности.На Фиг, 1 изображена функциональ О ная схема пьезодатчика; на фиг, 2 коггсгтрукция пьезоэлемента с плоскими торповымп поверхностями; на фиг,3- газрс з А-А на фиг.2; на фиг. 4сопструкция пьезоэлемента с двояко ц "торггогьгми поверхностями; нагг с з Б-.Б на фиг,4; на, и . 6 р;гсположение кристаллографияк оей; на фиг. 7 - зависимость ко Ффицггеггтов Ратайского пьезоэле мента от соотношения его диаметров;на Фиг. 8 - эпюра механических напряжеиий в кольцевом пьезоэлементе. Ус гройство содержит кварцевый 25 автогенератор 1, пьезорезонатор 2 и измерительный прибор 3, причем иьезорезоиатор 2 включен между авгсгенератором 1 и измерительным прибосг 3, В качестве измерительного прибор используется частотомер. Пьезорезонатор выполнен в виде цилггндрического кольца или кольцевой гггггзг.г из кварца АТ-среза, предполагающий выполнение плоскости среза кольца под углом 35-38 к оси третьо 35 его порядка и совпадения названной плоскости с осью второго порядка. В цьезорезонаторе в виде цилиндгического кольгга (Фиг.2 и 3) на пьезоэлемент нанесены три электрода, один электрод 4 наносится сплошным 40 ггдоль одного основания цилиндрическсго кольца, На противоположное основание цилиндрического кольца 5 на ггесеггы два сегментнообразных электрода 6 и 7, хорды которых перпендикулярны повернутой оптической оси г среза Ат.В ггьезорезонаторе в виде кольце вой линзы (Фиг. 4 и 5 ) на пьезоэлемеит также нанесены три электрода.Одгги иэ которых электрод 8, наносится сплошным на одну сферическую поверхность кольцевой линзы 9. На 55 гггоругс ферггческую поверхность коль" ггегзсгг гинзы 9 нанесены два сегменто" образньгх электрода 1 О и 11, хорды которых перпендикулярны повернутой оптической оси 2 среза АТ.Устройство работает следующим образом.Автогенератор 1 при номинальном измеряемом давлении, в частотозадающую цепь которого включен пьезорезонатор 2, генерирует частоту Го . В датчике давления используется точечная схема нагружения, причем измеряемое давление Р с помощью силопередающего устройства прикладывается к пьезорезонатору 2 по диаметральной линии пьезоэлемента в направлении максимальной тензочувствительности пьезоэлемента, вдоль "электрической" оси Х ( фиг.2-5).Пьезорезонаторы 2 в виде цилиндрического кольца или в виде кольцевой линзы имеют с одной стороны общий электрод 4(3 ), а с другой - два изо;гированных один от другого электрода 6 и 7 (10 и 11), один из которых - электрод 6 (10 ),подключается к автогенератору , а другой электрод 7(11 ), к частотомеру 3. По частоте колебаний, фиксируемой часто. томером 3, судят о величине измеряемого давления.При изменении давления изменяется частота настройки резонатора 2 и частота автогенератора . Эти изменения частоты Фиксируются частотомером 3. Выбранная схема нагружения (приложение измеряемого давления по диаметральной линии пьезоэлемента вдоль "электрической" оси Х ) 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 пьезорезонатора. Существенный вклад в тензочувствительность дают изменения упругих свойств пьезокристалла.Для кольцевого пьезоэлемента с плоскими торцовыми поверхностями коэффициент силовой чувствительности определяется как1 ГВ5 РГ В 1 г где Б - площадь поперечного сеченияв центре пьезоэлемента;К - коэффициенты тепзочувствительности;1,. - коэффициенты нагружениядля кольца.Расчет и экспериментальные исследования показывают, что величина тензочувствительности кольцевого кварцевого пьезоэлемента АТ-среза зависит от соотношения внешнего Ь и внут" 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. Коэффициенты Ратайского характеризуют тензочувствительные свойства пьезоэлементов и связаны с коэффициентами тензочувствителъности следующим образом:Ь 1 сКт 1 и 101520 где К - коэффициент тензочувствительности пьезоэлемента;К - коэффициент Ратайского;)Видно (фиг. 7 )что коэффициенты Ратайского, а следовательно,и тензочувствительность кварцевого пьезоэлемента АТ-среза максимальны вдоль 11электрической" оси Х и величина тензочувствительности зависит от35 соотношения внешнего и внутреннего диаметров пьезоэлемента. Поэтому выбираем направление приложения усилия вдоль "электрической" оси Х пьезоэлемента, вдоль направления, обла дающего наибольшей тензочувствительностью. Кроме того, тензочувствительность кольцевого пьезоэлемента увеличивается с возрастанием внутреннего диаметра а, при постоянстве 45 наружного Ь. Выбор соотношения наружного и внутреннего диаметров при реализации данного датчика производится исходя из требований высокой тензочувствительности и допусти"мой прочности пьезоэлемента. Согласно экспериментальным данным соотношение диаметров, обеспечивающееэти требования, установлено в пределах от 1,8 до 2,5,Коэффициент силовой чувствительности также зависит от площади поперечного сечения пьезоэлемента. Вслучае применения в качестве датчика давления кольцевого пьезоэлемента .с двояковыпуклыми торцовыми поверхностями силовая чувствительностьвозрастает ввиду уменьшения площади поперечного сечения в центрепьезоэлемента. Выбор формы и расположения электродов на кварцевомпьезоэлементе АТ-среза позволяетувеличить чувствительность пьезодатчика давления. При приложенииусилия вдоль "электрической" оси Хмеханические напряжения в сечении,проходящем через центр кольцевогопьезоэлемента вдоль:повернутойоптической" оси Е, однородны, а всечении, проходящем через центркольцевого пьезоэлемента вдоль "электрической оси Х, механические напряжения неоднородны и имеют разныезнаки в различных областях. Эпюрымеханических напряжений .в кольцевом пьезоэлементе при такой схеменагрукения показаны на фиг.8. Исходя из этого выбраны сегментообразные электроды на одной из поверхностейкольцевого пьезоэлемента, хорды которых перпендикулярны повернутой "оптической" осиЕ кварцевого кольцевого пьезоэлемента АТ-среза и расстояние междухордами равно или превышает внутренний диаметр пьезоэлемента.Таким образом, применение пьезорезонаторов в виде цилиндрическогокольца или кольцевой линзы в качестве датчиков давления позволяетповысить их чувствительность.1190215Составитель А.Экономов Редактор Н.Бобкова ТехредЛ.Мартяшова Корректор Е,Сирохман Заказ 6963/43 Тираж 896 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, 0(-35, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул,Проектная, 4