RU54202U1 - Piezoresonance sensor - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники для измерения механических параметров. Решаемой задачей является повышение чувствительности датчика. Технический результат достигается тем, что пьезорезонансный датчик, выполнен из пластины монокристаллического пьезоэлектрического материала в виде сдвоенного камертона, который состоит из двух идентичных параллельно расположенных стержней, средние части которых разделены между собой, а концы объединены частями пластины к которым прилагается измеряемая сила, при этом на концевых частях стержней установлены возбуждающие электроды, средние части стержней имеют ширину меньшую, чем части, на которых расположены возбуждающие электроды, при этом изменение ширины может иметь плавную или ступенчатую форму.The utility model relates to the field of measurement technology for measuring mechanical parameters. The task to be solved is to increase the sensitivity of the sensor. The technical result is achieved by the fact that the piezoresonance sensor is made of a plate of single-crystal piezoelectric material in the form of a double tuning fork, which consists of two identical parallel spaced rods, the middle parts of which are separated, and the ends are combined by parts of the plate to which the measured force is applied, while the end parts of the rods are equipped with exciting electrodes, the middle parts of the rods have a width less than the parts on which the exciting electrodes are located, When the width of this change can be smooth or stepped shape.

Description

Полезная модель относится к области измерений механической силы и связанных с ней производных: момента, давления, массы, деформаций, ускорений. Известен пьезорезонатор, (см. книгу В.В.Малова "Пьезорезонансные датчики" Москва ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1989 г.), который является наиболее близким по технической_сущности к заявляемому устройству и взят в качестве прототипа.The utility model relates to the field of measurements of mechanical force and related derivatives: moment, pressure, mass, deformation, acceleration. A known piezoresonator, (see the book by V.V. Malov "Piezoresonance sensors" Moscow ENERGOATOMIZDAT 1989), which is the closest in technical essence to the claimed device and taken as a prototype.

Пьезорезонансный датчик выполнен из пластины монокристаллического пьезоэлектрического материала (например, кварцевой пластины Z-среза) в виде сдвоенного камертона, состоящего из двух идентичных, параллельно расположенных стержней, средние части которых разделены между собой, а концы объединены частями пластины, к которым прилагается измеряемая сила. На концевых частях стержней, примыкающих к области их объединения расположены электроды, служащие для возбуждения механических колебаний стержней резонатора и обратного преобразования этих колебаний в электрический сигнал.The piezoresonance sensor is made of a single-crystal piezoelectric material plate (for example, a Z-slice quartz plate) in the form of a double tuning fork, consisting of two identical, parallel spaced rods, the middle parts of which are separated, and the ends are combined by the parts of the plate to which the measured force is applied. At the end parts of the rods adjacent to the region of their association, electrodes are located, which serve to excite mechanical vibrations of the resonator rods and reverse transform these vibrations into an electrical signal.

Недостатком прототипа является ограничения по применению из-за существенного возрастания эквивалентного (динамического) сопротивления резонатора при уменьшении ширины стержней резонатора.The disadvantage of the prototype is the restrictions on the application due to a significant increase in the equivalent (dynamic) resistance of the resonator while reducing the width of the rods of the resonator.

Решаемой технической задачей является создание устройства с более высокой чувствительностью при меньших деформациях резонатора.The technical problem to be solved is the creation of a device with higher sensitivity with less deformation of the resonator.

Технический результат достигается тем, что пьезорезонансный датчик, выполненный из пластины монокристаллического The technical result is achieved by the fact that a piezoresonance sensor made of a single-crystal plate

пьезоэлектрического материала в виде сдвоенного камертона, состоящего из двух идентичных параллельно расположенных стержней, средние части которых разделены между собой, а концы объединены частями пластины, к которым прилагается измеряемая сила, на концевых частях стержней расположены возбуждающие электроды.piezoelectric material in the form of a double tuning fork, consisting of two identical parallel spaced rods, the middle parts of which are separated, and the ends are combined by the parts of the plate to which the measured force is applied, exciting electrodes are located on the end parts of the rods.

Новым является то, что средняя часть стержней имеет ширину меньшую чем части, на которых расположены возбуждающие электроды, при этом изменение ширины может иметь плавную либо ступенчатую форму.What is new is that the middle part of the rods has a width less than the parts on which the exciting electrodes are located, while the change in width can have a smooth or stepped shape.

Уменьшение ширины стержней в средней части позволяет увеличить чувствительность (девиацию) резонатора, а широкие концевые части его стержней обеспечивают уменьшение динамического сопротивления резонатора.Reducing the width of the rods in the middle part allows you to increase the sensitivity (deviation) of the resonator, and the wide end parts of its rods provide a decrease in the dynamic resistance of the resonator.

На фиг.1 и фиг.2 изображен датчик согласно предлагаемого изобретения:Figure 1 and figure 2 shows the sensor according to the invention:

на фиг.1 - с плавной формой перехода;figure 1 - with a smooth transition form;

на фиг.2 - со ступенчатой формой.figure 2 - with a stepped form.

Пьезорезонансный датчик содержит два стержня, имеющих узкую часть 1 и две концевые широкие части 2, объединенных по концам акустическими развязками (пробками) 3, на окончаниях стержней (на фиг.1 и фиг.2 обозначены штриховкой) размещены электроды электромеханического преобразователя, служащие для возбуждения изгибных противофазных колебаний стержней. Изгибные колебания стержней возбуждаются (в плоскости рисунка фиг.1, фиг.2) при подключении к электродам переменного напряжения с частотой, близкой к резонансной частоте. При приложении силы Р к концевым частям резонатора 5, 6 его резонансная частота будет меняться в зависимости от значения силы (с учетом знака).The piezoresonance sensor contains two rods having a narrow part 1 and two end wide parts 2, connected at the ends by acoustic decouples (plugs) 3, the electrodes of the electromechanical transducer are used to excite at the ends of the rods (indicated by hatching in FIG. bending antiphase oscillations of the rods. Bending vibrations of the rods are excited (in the plane of figure 1, figure 2) when connected to the electrodes of an alternating voltage with a frequency close to the resonant frequency. When the force P is applied to the end parts of the resonator 5, 6, its resonant frequency will change depending on the value of the force (taking into account the sign).

Зависимость резонансной частоты ƒ(p) при однородных по длине стержнях имеет вид:The dependence of the resonant frequency ƒ (p) for rods uniform in length has the form:

где ƒ₀ - начальная резонансная частота при Р=0where ƒ ₀ is the initial resonant frequency at P = 0

В - величина, обратная критической силе, при которой стержень теряет устойчивостьB is the reciprocal of the critical force at which the rod loses stability

Р/2 - продольная сила, действующая на каждый из двух стержней резонатора;P / 2 is the longitudinal force acting on each of the two rods of the resonator;

а₀, а₁ - постоянные коэффициенты, определяющие условия закрепления концов стержней (для защемленных концов a₀=1,03, a₁=0,29);and ₀ , and ₁ are constant coefficients that determine the conditions for fixing the ends of the rods (for pinched ends a ₀ = 1.03, a ₁ = 0.29);

l, b, h - геометрические размеры стержня соответственно длина, ширина и толщина;l, b, h - the geometric dimensions of the rod, respectively, length, width and thickness;

Е, ρ - физические характеристики материала стержней: модуль упругости и плотность соответственноE, ρ - physical characteristics of the material of the rods: elastic modulus and density, respectively

В выражении (1) произведение В·Р/2 является безразмерной величиной и определяет девиацию частоты; обозначив ее через ε и представив выражение (1) в виде степенного ряда, получим:In expression (1), the product В · Р / 2 is a dimensionless quantity and determines the frequency deviation; denoting it by ε and presenting expression (1) in the form of a power series, we obtain:

Как правило, при использовании резонаторных датчиков с изгибной формой колебаний максимальное значение ε_м не превышает значения 0,1 (ε_м<0,1), поэтому изменения резонансной частоты в основном определяются линейным членом выражения (4).As a rule, when using resonant sensors with a bending waveform, the maximum value of ε _m does not exceed 0.1 (ε _m <0.1), therefore, changes in the resonance frequency are mainly determined by the linear term of expression (4).

Члены со степенью 2 и выше определяют нелинейность характеристики преобразования.Members with a degree of 2 or higher determine the non-linearity of the conversion characteristics.

Выражение (5) для ε с учетом выражения (3) для В имеет вид:Expression (5) for ε, taking into account expression (3) for B, has the form:

В выражении (7) отношение Pl/2bhE определяет деформацию стержнейIn expression (7), the Pl / 2bhE ratio determines the deformation of the rods

где Δl - изменение длины l стержней резонатора под действием силы Р (действующих на два стержня)where Δl is the change in the length l of the rods of the resonator under the action of the force P (acting on two rods)

Таким образом, выражение (6) для Δƒ может быть представлено зависимостью от силы Р через деформацию Δl стержней резонатораThus, expression (6) for Δƒ can be represented by the dependence on the force P through the deformation Δl of the resonator rods

С учетом погрешности, обусловленной изменением начальной частоты ƒ₀ под воздействием условий эксплуатации (температура и Given the error due to a change in the initial frequency ƒ ₀ under the influence of operating conditions (temperature and

давление окружающей среды, старение и проч.) выражение (9) можно записать в виде:environmental pressure, aging, etc.) expression (9) can be written as:

где ΣΔƒ₀ - суммарная погрешность от нестабильности начальной частоты под действием факторов эксплуатации.where ΣΔƒ ₀ is the total error from the instability of the initial frequency under the influence of operating factors.

Представление функции (10) в безразмерном виде Δƒ(p)/ƒ₀ имеет вид:The representation of function (10) in the dimensionless form Δƒ (p) / ƒ ₀ has the form:

илиor

где Σδƒ₀ - суммарная относительная нестабильность начальной частотыwhere Σδƒ ₀ is the total relative instability of the initial frequency

В выражении (12) множитель 0,5a₁·l/b² определяет чувствительность датчика (коэффициент преобразования), а отношение:In expression (12), the factor 0.5a ₁ · l / b ² determines the sensitivity of the sensor (conversion coefficient), and the ratio:

для максимального значения измеряемой величины Р=Рmax, является приведенной погрешностью от нестабильности ƒ₀.for the maximum value of the measured quantity P = Pmax, is the reduced error from instability ƒ ₀ .

Из приведенного анализа видно, что чувствительность датчика растет, а приведенная погрешность λ уменьшается с уменьшением ширины b стержней резонатора или с увеличением их длины l. При этом следует отметить, что эффективность варьирования шириной стержней b значительно выше, чем изменением их длины l, поскольку чувствительность и соответственно погрешность имеют It can be seen from the above analysis that the sensitivity of the sensor increases, and the reduced error λ decreases with decreasing width b of the resonator rods or with increasing their length l. It should be noted that the efficiency of varying the width of the rods b is much higher than changing their length l, since the sensitivity and, accordingly, the error have

квадратичную зависимость от b, а от изменения длины l - линейную. Кроме того, увеличение длины стержней сильно (обратно пропорционально квадрату ее значения) изменяют (уменьшают) начальную частоту резонатора (см. выражение 2).a quadratic dependence on b, and a linear dependence on the change in length l. In addition, an increase in the length of the rods strongly (inversely proportional to the square of its value) changes (decreases) the initial frequency of the resonator (see expression 2).

Таким образом, при разработке резонаторных датчиков на основе двухветвевого камертона необходимо стремиться к уменьшению ширины ветвей. Ограничением уменьшения ширины ветвей двухветвевого камертона является фактор роста динамического сопротивления. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила эффективность предложения. Так, например, у камертонного резонатора, имеющего эквивалентное сопротивление порядка 1 МОм после уменьшения ширины ветвей абсолютная девиация увеличилась более чем в два раза для одной и той же измеряемой силы, но при этом эквивалентное сопротивление резонатора увеличилось до 4÷5 МОм, что затрудняет их использование в кварцевых генераторах. При использовании резонаторов с переменной шириной стержней согласно предложения в настоящей заявке удается получить повышение чувствительности без заметного роста значения динамического сопротивления; изготовлен и испытан резонаторный датчик повышенной чувствительности с зауженной шириной стержней в средней части, который имел динамическое сопротивление порядка 1 МОм.Thus, when developing resonant sensors based on a two-branch tuning fork, it is necessary to strive to reduce the branch width. The limitation of reducing the width of the branches of a two-fork tuning fork is the growth factor of dynamic resistance. The conducted experimental verification confirmed the effectiveness of the proposal. For example, for a tuning fork resonator having an equivalent resistance of the order of 1 MΩ after reducing the branch width, the absolute deviation has more than doubled for the same measured force, but the equivalent resonator resistance has increased to 4–5 MΩ, which makes them difficult use in crystal oscillators. When using resonators with a variable width of the rods according to the proposal in this application, it is possible to obtain an increase in sensitivity without a noticeable increase in the value of dynamic resistance; A resonance sensor of increased sensitivity was manufactured and tested with a narrowed core width in the middle part, which had a dynamic resistance of the order of 1 MΩ.

Claims (1)

Пьезорезонансный датчик, выполненный из пластины монокристаллического пьезоэлектрического материала в виде сдвоенного камертона, состоящего из двух идентичных параллельно расположенных стержней, средние части которых разделены между собой, а концы объединены частями пластины, к которым прилагается измеряемая сила, при этом на концевых частях стержней установлены возбуждающие электроды, отличающийся тем, что средние части стержней имеют ширину меньшую, чем части, на которых расположены возбуждающие электроды, при этом изменение ширины может иметь плавную или ступенчатую форму.

A piezoresonance sensor made of a plate of a single-crystal piezoelectric material in the form of a double tuning fork, consisting of two identical parallel spaced rods, the middle parts of which are separated, and the ends are combined by the parts of the plate to which the measured force is applied, while exciting electrodes are installed on the end parts of the rods characterized in that the middle parts of the rods have a width less than the parts on which the exciting electrodes are located, with a change in width They can be smooth or stepped.