|
|
|
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ СИЛЫРассмотренные в предыдущем сайте пьезоэлектрические тактильные датчики не предназначены для проведения точных измерений силы. Однако на основе того же пьезоэлектрического эффекта можно реализовать и прецизионные датчики силы, как активные, так и пассивные. При разработке таких сенсоров всегда рекомендуется помнить, что пьезоэлектрические устройства не могут измерять стационарные процессы. Это означает, что пьезоэлектрические датчики силы преобразуют изменения силы в переменный электрический сигнал, но при этом они никак не реагируют на постоянное значение внешней силы. Поскольку приложенные силы могут изменять некоторые свойства материалов, при разработке активных сенсоров необходимо учитывать всестороннее влияние сигналов возбуждения. На рис. 9.4 отображен вариант активного датчика силы. При проведении количественных измерений при помощи такого датчика рекомендуется помнить, что его диапазон измерения зависит от частоты механического резонанса применяемого пьезоэлектрического кристалла. Принцип действия таких сенсоров основан на том, что при механической нагрузке кварцевых кристаллов определенных срезов, используемых в качестве резонаторов в электронных генераторах, происходит сдвиг их резонансной частоты. Выражение для спектра собственных механических частот пьезоэлектрического генератора имеет вид: 
где п — номер гармоники, / — геометрический параметр,
определяющий резонансную частоту (к примеру, толщина относительно большой и
тонкой пластины или длина тонкого длинного стержня), с — коэффициент упругой
деформации (к примеру, коэффициент жесткости при сдвиге вдоль толщины пластины
или модуль Юнга в случае тонкого стержня), ар — плотность кристалла.
Частотный сдвиг возникает из-за нелинейности зависимостей
некоторых параметров кристалла от величины внешних сил. к примеру, в уравнении
(9.8) коэффициент жесткости с зависит от приложенной нагрузки, тогда как
плотность и геометрический параметр меняются при этом незначительно.
Рис. 9.12.Пьезоэлектрический дисковый резонатор, применяемый
в диаметральном датчике силы
Для каждого среза кристалла существуют направления, при приложении сил сжатия вдоль которых наблюдается минимальная чувствительность пьезорезонатора. При разработке генераторов выбираются именно эти направления, поскольку они позволяют реализовать наибольшую механическую стабильность. Тогда как при проектировании сенсоров разработчики преследуют противоположную цель, поэтому избегают использования данных направлений. Так для построения высокоэффективного датчика давления применили дисковый резонатор с диаметральным приложением сил [14] (рис. 9.12). На рис. 9.13 отображен еще один датчик, работающий в сравнительно узком диапазоне 0...1.5 кг, но обладающий хорошей линейностью и 11-ти разрядным разрешением. Для изготовления такого датчика из кристалла вырезали прямоугольную пластину, у той один край параллелен оси х, а передняя грань образует с осью z угол в, приблизительно равный 35°. Такой срез часто называют АТ-срезом. 
Рис. 9.13. Кварцевый датчик силы: A — AT срез кварцевого
кристалла, Б — структура датчика, В — внешний вид
На поверхностях пластины нанесены электроды, на которых в результате пье-зоэлекрического эффекта (см. рис. 3.22 главы 3) возникают заряды противоположных знаков. Эти электроды включены в цепь положительной ОС генератора на основе ОУ (рис. 9.13Б). Кварцевый кристалл в ненагруженном состоянии вибрирует на основной частоте Уд. При воздействии на кристалл внешней силы его частота смещается на величину Af [15]: 
где F — приложенная сила, К — константа, п — номер
гармоники, / — размер кристалла. Для компенсации ухода частоты вследствие
изменения температуры, иногда применяют сдвоенный кристалл, одна половина
того используется для температурной корректировки. Каждый резонатор
включается в свой собственный колебательный контур, и для исключения влияния
температуры находится
разность частот сигналов двух контуров. На рис. 9.13В
отображен внешний вид серийно выпускаемого датчика силы.
При разработке любых сенсоров силы на основе
пьезорезонаторов приходится находить компромисс между двумя противоречивыми
требованиями. С одной стороны резонатор должен обладать максимальной
добротностью, для чего датчик желательно изолировать от окружающей среды и
поместить в вакуум. С другой стороны, на датчик действуют давление и внешние
силы, поэтому он должен иметь довольно жесткую конструкцию, что неминуемо
ухудшает добротность всего устройства, в том числе и резонатора.
Эта проблема частично решается в датчиках с более сложной
структурой. к примеру, в работах [13,16] описан фотолитографический способ
изготовления двух — и трех — балочных структур. Цель их создания заключается в
согласовании размеров вибрирующего элемента с четвертью длины акустической
волны (1/4 А.). При выполнении этого условия полное отражение волны происходит
в точках, куда прикладываются внешние силы, что позволяет значительно снизить
влияние нагрузки на величину добротности резонатора.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
