SU1117466A1 - Quartz force-sencing element - Google Patents

Quartz force-sencing element Download PDF

Info

Publication number
SU1117466A1
SU1117466A1 SU833638079A SU3638079A SU1117466A1 SU 1117466 A1 SU1117466 A1 SU 1117466A1 SU 833638079 A SU833638079 A SU 833638079A SU 3638079 A SU3638079 A SU 3638079A SU 1117466 A1 SU1117466 A1 SU 1117466A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
teeth
electrodes
quartz
ratio
displacement
Prior art date
Application number
SU833638079A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Яковлевич Баржин
Юрий Семенович Шмалий
Анатолий Ефимович Обуховский
Владимир Алексеевич Шевелев
Original Assignee
Предприятие П/Я В-8558
Харьковский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Н.Е.Жуковского
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Предприятие П/Я В-8558, Харьковский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Н.Е.Жуковского filed Critical Предприятие П/Я В-8558
Priority to SU833638079A priority Critical patent/SU1117466A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1117466A1 publication Critical patent/SU1117466A1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

КВАРЦЕВЫЙ СИЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами , разделенные прокладками вне активных зон колебаний, отличающийс  тем, что, с целью повышени  его чувствительности, электроды вьтолнены в виде параллельных гребенок с зубцами пр моугольной формы и расположены на внешних сторонах кварцевых пластин со смещением зубцов электродов одной гребенки относительно другой, определ емым соотношением Ж е 0,2. 0,8, где uE - смещение зубцов электродов; Е - ширина зубцов электродов, причем рассто ние между зубцами больше указанного максимального смещени , отношение толщины прокладки к толщине кварцевой пластиЕ1ы выбрано в пределах 0,1-1,0 а отношение ширины зубцов b электрода к его длине выбрано в пределах 0,2-1,0.A QUARTZ SENSITIVE ELEMENT, containing two cantilever quartz plates with electrodes, separated by spacers outside the active vibration zones, characterized in that, in order to increase its sensitivity, the electrodes are filled in the form of parallel combs with rectangular teeth and are located on the outer sides of the quartz plates the displacement of the teeth of the electrodes of one comb relative to the other, determined by the ratio Ж e 0,2. 0.8, where uE - the displacement of the teeth of the electrodes; E is the width of the teeth of the electrodes, and the distance between the teeth is greater than the specified maximum displacement, the ratio of the thickness of the gasket to the thickness of the quartz plate is selected from 0.1 to 1.0, and the ratio of the width of the teeth b of the electrode to its length is chosen from 0.2 to 1 , 0.

Description

Изобретение относитс  к технике измерений неэлектрических величин, в частности параметров давлений, сил и т.д.This invention relates to a technique for measuring non-electric quantities, in particular, parameters of pressure, forces, etc.

Известен пьезоэлемент дл  дифференциального частотного пьезодатчика , состо щий из пьезоэлектрической двухрезонаторной пластины, один край которой жестко закреплен, а другой край пьезоэлектрической пластины расположен на опоре и несколько выступает за нее, причем поперечное усилие подаетс  на этот выступ таким образом, что два акустически разв занных пьезорезонатора наход тс  в област х с различными знаками кривизны l .A piezoelectric element for a differential frequency piezoelectric transducer is known, consisting of a piezoelectric two-resonator plate, one edge of which is rigidly fixed, and the other edge of the piezoelectric plate is located on a support and is somewhat supporting it, with the transverse force applied to this ledge in such a way that two acoustically developed piezoresonator located in areas with different curvature signs l.

Однако данный пьезоэлемент имеет недостаточную механическую прочность, поскольку действие силовых усилий передаетс  в рабочие зоныколебаний через плечо, образованное хрупкой пьезоэлектрической пластиной.However, this piezoelectric element has insufficient mechanical strength, since the action of force is transmitted to the working oscillation zones through a shoulder formed by a fragile piezoelectric plate.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  кварцевый силочувствительный пьезо- элемент, содержащий две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами , разделенные прокладками вне активных зон колебаний 2 . The closest in technical essence to the present invention is a quartz force-sensitive piezoelectric element containing two cantilever-mounted quartz plates with electrodes separated by spacers outside the active vibration zones 2.

Эффект преобразовани  прикладываемой силы в частоту основан на использовании только тензочувствительности кварцевых пластин, работающих на изгиб , чем ограничена чувствительность датчика.The effect of converting the applied force to the frequency is based on using only the strain sensitivity of quartz plates operating in bending, which limits the sensitivity of the sensor.

Цель изобретени  - повышение чувствительности элемента.The purpose of the invention is to increase the sensitivity of the element.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в кварцевом силочувствительном элементе, содержащем две консольно закрепленные кварцевые пластины с электродами, разделенные прокладками вне активных зон колебаний, электроды выполнены в виде параллельных гребенок с зубцами пр моугольной формь и расположены на внешних сторонах кварцевых пластин со смещением зубцов электродов одной гребенки относительно другой, определ емым соотношением  The goal is achieved by the fact that in a quartz force-sensitive element containing two cantilever-mounted quartz plates with electrodes separated by spacers outside the active oscillation zones, the electrodes are made in the form of parallel combs with square teeth and are located on the outer sides of the quartz plates with offset electrodes of the electrodes comb relative to another, defined by the ratio

деde

0,2 ,8,0,2, 8,

где лЕ - смещение зубцов электродов, t - ширина зубцов электродов, причем рассто ние между зубцами больше указанного максимального смещени , отношение толщины прокладки к толщинеwhere LE is the displacement of the teeth of the electrodes, t is the width of the teeth of the electrodes, the distance between the teeth being greater than the maximum displacement, the ratio of the thickness of the gasket to the thickness

кварцевой пластины выбрано в пределах 0,1-1,0, а отношение ширины зубцов электрода к его длине выбрано в пределах 0,2-1,0.quartz plate is selected in the range of 0.1-1.0, and the ratio of the width of the teeth of the electrode to its length is selected in the range of 0.2-1.0.

На фиг,1 дана конструкци  элемента , вид спереди; на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг.З - рабочее положение элемента при действии усили , вид спереди; на фиг.4 - то же, вид сверху; на фиг.З - структурна  схема устройства обработки выходной информации элемента.Fig. 1 shows the construction of the element, front view; figure 2 - the same, top view, fig.Z - the working position of the element under the action of effort, front view; figure 4 is the same, top view; FIG. 3 is a block diagram of a device for processing the output information of an element.

Кварцевый силочувствительный элемент состоит из двух кварцевых пластин 1 с колебани ми сдвига по толщине , разделенных вне активных зон колебаний прокладками 2. На внешних сторонах кварцевых пластин 1 расположены электроды 3 гребенчатой формы. Зубцы верхнего электрода 4 смещены относительно зубцов нижнего электрода 5. Кварцевый силочувствительный элемент закреплен консольно и подключен к многочастотному автогенератору 6, на выходе которого вьщел ютс  частоты , и 2; . Кроме того, на фиг.З показано выполнение схемы обработки информации в виде фильтров 7, сумматоров 8, генератора 9 и смесител  10.The quartz force-sensitive element consists of two quartz plates 1 with thickness fluctuations separated outside the active zones of vibrations by the pads 2. On the outer sides of the quartz plates 1 there are comb-shaped electrodes 3. The teeth of the upper electrode 4 are displaced relative to the teeth of the lower electrode 5. The quartz force-sensitive element is fixed console and connected to the multi-frequency oscillator 6, at the output of which frequencies are allocated, and 2; . In addition, FIG. 3 shows the execution of the information processing circuit in the form of filters 7, adders 8, generator 9 and mixer 10.

Кварцевый силочувствительный элемент работает следующим образом.Quartz force-sensitive element works as follows.

В исходном состо нии кварцевые пластины 1 разделены прокладками 2, причем прокладка 2 на свободном незакрепленном конце кварцевого силочувствительного элемента жестко соединена с нижней по фиг.1 кварцевой пластиной 1 и не имеет жесткого соединени  с верхней пластиной 1.In the initial state, the quartz plates 1 are separated by gaskets 2, and the gasket 2 on the free loose end of the quartz force-sensitive element is rigidly connected to the lower one in Fig. 1 by the quartz plate 1 and does not have a rigid connection to the upper plate 1.

Исход  из требований к чувствительности с учетом тензочувствительности и массочувствительности, рассчитываетс  величина .смещени  зубцов электродов, после чего производитс  консольное закрепление пластин 1. Электроды 3 подключаютс  к многочастотному автогенератору 6, на выходе которого имеютс  сигналы с частотами f,- и .Based on the sensitivity requirements, taking into account strain sensitivity and mass sensitivity, the value of the electrode teeth displacement is calculated, after which the plates 1 can be fixed. Electrodes 3 are connected to the multi-frequency oscillator 6, the output of which has signals with frequencies f, -, and.

в рассматриваемом случае число зубцов электродов равно четырем. Кажда  пара зубцов электродов перекрываетс , образу  четыре межэлектродных пространства, обозначенные на фиг.2 и 4 заштрихованными площад ми . Каждой из этих площадей 5, , .in this case, the number of teeth of the electrodes is four. Each pair of teeth of the electrodes overlaps, forming four interelectrode spaces, indicated in Figures 2 and 4 by shaded areas. Each of these areas is 5,,.

It tj соответствует пара резонансных часО 1ц, 12 13,, 14 21, 2г,2Я.4 в результате воздействи  измер емого усили  Р кварцевые пластины про гибаютс , что приводит к изменению смещений зубцов электродовд Е 2 4 и площадей, перекрываемых в межэлектродных пространствах (фиг.А). Вез воздействи  усилим перекрываемые пло щади выбраны примерно одинаковыми 5,-52 (фиг,2). В-результате действи  силы Р изменение указанных площадей происходит так, что 5, 4 Sj 5 5 (фиг.4). Изменение площадей приводит к изменению масс зубцов электродов, что вызывает изменение частот генерации. Кажда  из этих час ii- и I,2; получает приращени  i,r ;o ii; ir 3 n 2iМногочастотный сигнал с выхода автогенератора 6 подаетс  на фильтры 7, каждый из которых настроен на одну из частот i и 31 . Сигналы с частотами ii, , t, ,, 21 ijj ,2 подаютс  на два сумматора 8 частот, в которых происходит их сложение .Ь ; На сумматоры 8 подаютс  также сиг налы частоты If генератора 9, причем . На выходе сумматоров 8 выдел ютс  сигналы разностных частот p., ip,f.io- -X it,,:-, uio, . г O ,г1 1 л 1 где составл ющие Jl &i И Ц i.i 1л Ui учитывают изменение частот колебани обусловленных тензочувствительност  ми кварцевых пластин 1: ) На выходе смесител  10 выдел етс разностна  частота , измен юща  с  с учетом тензо- м массочувствите ностей кварцевых пластин 1 с электр дами 3 , F,„ -L. -.- -2fr. i2n 1лхч 71лI Из анализа соотношений (1) следует, что по сравнению с исходной силочувствите .пьностью кварцевого силочувствительного элемента, обусловленной тензочувствительностью .(й 4л,Л 2ч о введение отличительных признаков привело к дополнительному изменению частоты ЛР,2 обусловлено массочувствительностью . Проведенные исследовани  позволили )айти оптимальное решение предлагаемого кварцевого силочувствительного элемента. В оптимальном варианте относительное смещение зубцов электродов равно 0,5, рассто ние между зубцами электродов равно их ширине, что практически исключает акустичес- . кую св зь между резонаторами, отношение толщины прокладки к толщине кварцевой пластины равно 0,5J отношение сторон зубцов электродов равно 0,4. Оптимизаци  предлагаемого силочувствительного элемента проводилась по двум параметрам, по чувствительности и устойчивой работе в многочастотном автогенераторе. При отмеченных параметрах конструкции предлагаемый элемент над.ежно возб ждаетс  и устойчиво работает в многочастотном режиме, а силочувствительность повышаетс  примерно в 3-4 раза. Кварцевый силочувствительный элемент имеет две совокупности предельных значений параметров конструкции, указанных выше. На границах этих значений кварцевый элемент или неустойчиво работает или не обнаруживает эффекта массочувствительности. Предлагаемый кварцевый элемент имеет более высокие чувствительность и линейность характеристики преобразовани , обеспечение последней достигаетс  выбором геометрии зубцов электродов и их относительным смещением в процессе измерений. Кроме того обеспечиваетс  возможность получени  требуемой формы характеристики преобразовани  изменением или выбором геометрии зубцов электродов. Трудоемкость изготовлени  уменьшаетс , поскольку электроды напьшены только с одних cTipOH каждой пластины.It tj corresponds to a pair of resonant chrono Ots, 12 13, 14 21, 2d, 2 and 4. As a result of the influence of the measured force P, quartz plates are bent, which leads to a change in the displacements of the teeth of the electrodes E 2 4 and areas overlapped in the interelectrode spaces ( fig). The impact of the overlapping areas was chosen to be approximately the same 5, -52 (Fig. 2). In the result of the action of force P, the change of the indicated areas occurs so that 5, 4 Sj 5 5 (Fig.4). The change in the area leads to a change in the mass of the teeth of the electrodes, which causes a change in the frequency of generation. Each of these hours is ii- and I, 2; gets increments i, r; o ii; ir 3 n The 2iMulti-frequency signal from the output of the oscillator 6 is fed to filters 7, each of which is tuned to one of the frequencies i and 31. Signals with frequencies ii,, t, ,, 21 ijj, 2 are fed to two adders 8 frequencies, in which they are added. B; The adders 8 also provide signals of the frequency If of the oscillator 9, and. At the output of the adders 8, the signals of the difference frequencies p., Ip, f.io- -X it ,, are selected: -, uio,. r O, r1 1 l 1 where the components Jl & i and C ii 1 l Ui take into account the change in the oscillation frequencies caused by the quartz plates 1 strain gages 1:) At the output of the mixer 10, a difference frequency is selected that varies with the mass-sensitivity tensors quartz plates 1 with electrodes 3, F, „-L. -.- -2fr. i2n 1лхч 71лI From the analysis of relations (1), it follows that compared with the initial strength sensation. The strength of the quartz force-sensitive element due to the stress sensitivity. (4l, L 2h the introduction of distinctive signs led to an additional change in the frequency of LR, 2 was caused by mass sensitivity. The studies allowed ) Find the optimal solution for the proposed quartz force-sensitive element. In the best case, the relative displacement of the teeth of the electrodes is 0.5, the distance between the teeth of the electrodes is equal to their width, which practically excludes acoustic. Any connection between the resonators, the ratio of the thickness of the strip to the thickness of the quartz plate is 0.5J the ratio of the sides of the teeth of the electrodes is 0.4. Optimization of the proposed force-sensitive element was carried out according to two parameters, sensitivity and stable operation in a multi-frequency oscillator. With the marked construction parameters, the proposed element above is excited and stably operates in the multi-frequency mode, and the sensitivity increases approximately by 3-4 times. Quartz force-sensing element has two sets of limiting values of the design parameters indicated above. At the boundaries of these values, the quartz element either is unstable or does not detect the effect of mass sensitivity. The proposed quartz element has a higher sensitivity and linearity of the conversion characteristic, ensuring the latter is achieved by choosing the geometry of the teeth of the electrodes and their relative displacement during the measurement process. In addition, it is possible to obtain the desired shape of the conversion characteristic by changing or selecting the geometry of the teeth of the electrodes. The manufacturing complexity is reduced, since the electrodes are printed from only one cTipOH of each plate.

1one

ГR

ггЬyy

1one

; s; 4; s; four

5,five,

Т7ТT7T

ГR

II

ww

Фиг. 5FIG. five

Claims (2)

КВАРЦЕВЫЙ СИЛОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две консольно за- . крепленные кварцевые пластины с электродами, разделенные прокладками вне активных зон колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности, электроды выполнены в виде параллельных гребенок с зубцами прямоугольной формы и расположены на внешних сторонах кварцевых пластин со смещением зубцов электродов одной гребенки относительно другой, определяемым соотношениемQUARTZ STRONG SENSITIVE ELEMENT, containing two cantilever -–. fastened quartz plates with electrodes separated by spacers outside the active vibration zones, characterized in that, in order to increase its sensitivity, the electrodes are made in the form of parallel combs with rectangular teeth and are located on the outer sides of the quartz plates with the displacement of the teeth of the electrodes of one comb relative to the other, defined ratio 0,2.6 60,8, где йЕ - смещение зубцов электродов;0.2.6 60.8, where eE is the displacement of the teeth of the electrodes; 2 - ширина зубцов электродов, причем расстояние между зубцами больше указанного максимального смещения, отношение толщины прокладки к толщине кварцевой пластины выбрано в пределах 0,1-1,0 а отношение ширины зубцов электрода к его длине выбрано в пределах 0,2-1,0.2 - the width of the teeth of the electrodes, and the distance between the teeth is greater than the specified maximum displacement, the ratio of the thickness of the strip to the thickness of the quartz plate is selected in the range of 0.1-1.0 and the ratio of the width of the teeth of the electrode to its length is selected in the range of 0.2-1.0 . SU »»1117466 >SU »» 1117466>
SU833638079A 1983-08-17 1983-08-17 Quartz force-sencing element SU1117466A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU833638079A SU1117466A1 (en) 1983-08-17 1983-08-17 Quartz force-sencing element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU833638079A SU1117466A1 (en) 1983-08-17 1983-08-17 Quartz force-sencing element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1117466A1 true SU1117466A1 (en) 1984-10-07

Family

ID=21080241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU833638079A SU1117466A1 (en) 1983-08-17 1983-08-17 Quartz force-sencing element

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1117466A1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР № 345593, кл. Н 03 Н 9/17, 1970. 2. Налов В.В. Пьезорезонансные датчики. М., Энерги , 1978, с. 182 (прототип). *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4479385A (en) Double resonator cantilever accelerometer
CA1167664A (en) Resonator force transducer
US7802475B2 (en) Acceleration sensor
CN101162237B (en) Acceleration sensor
US4592663A (en) Resonator temperature transducer
US4107626A (en) Digital output force sensor using surface acoustic waves
KR100328532B1 (en) Angular velocity detector
EP2623994A1 (en) A vibrating beam accelerometer
US8006563B2 (en) Surface acoustic wave pressure sensor
SU1117466A1 (en) Quartz force-sencing element
RU131194U1 (en) SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL ACCELEROMETER
SU794546A1 (en) Frequency-output piezoaccelerometer
JP2009281975A (en) Surface acoustic wave device and sensor
SU1131024A1 (en) Pressure transducer based on surface acoustic waves
RU2293297C1 (en) Device for measuring pressure
RU2778373C1 (en) Piezoelectric receiver of low-frequency vibration
CN210037709U (en) Novel surface acoustic wave sensor
SU432359A1 (en) PIEZOELECTRIC CONVERTER
SU567970A1 (en) Pressure pickup
SU939973A2 (en) Vibration-frequency force converter
SU993006A2 (en) Displacement pickup
JPH05322670A (en) Load detector
SU947768A1 (en) Piezoelectric converter (its versions)
JPH06308149A (en) Acceleration sensor
JP2009243982A (en) Surface acoustic wave sensor element and surface acoustic wave sensor