SU1190215A1 - Пьезодатчик - Google Patents

Abstract

1. ПЬЕЗОДАТЧИК, содержащий кольцевой пьезоэлемент, первый электрод которого нанесен на одну, а второй и третий электроды - на его другую торцовую поверхность, от- ли чающийс  тем, что, с целью повышени  его чувствительности пьезоэлемент выполнен из кварца, причем плоскость среза кольца пьезо-. элемента наклонена против часовой стрелки от оси третьего пор дка на угол 35-38° и совпадает с осью второго пор дка, при этом второй и третий электроды выполнены в виде сегментов , хорды которых параллельны этой же оси, рассто ние между хордами равно или больше внутреннего диаметра кольцевого пьезоэлемента, а соотношение наружного и внутреннего диаметров кольцевого пьезоэлемен- та выбрано в пределах от 1,8 до 2,5. 2. Пьезодатчик по п.1, о т л и с  ч. а ю щ и и . с   тем, что кольцевой пьезоэлемент выполнен с выпуклыми торцовыми поверхност ми.

Description

CD О

IS9

i

фиг t

11

Изобретение относитс  к измерит; телыюй технике и может быть использовано в приборостроении, автоматике , радиоэлектронике, в авиационнокoc шчecкиx системах управлени  и контрол  и многих других област х науки и техники.

Цель изобретени  - увеличение чувствительности,

фиг. изображена функциональна  схема пьезодатчика; на фиг. 2 - конструк1щ  пьезоэлемента с плоскими торцовыми поверхност ми; на фиг.З1:аэрсз А-А на фиг.25 на фиг. 4 .конструкци  пьезоэлемента с дво ко- гпп:-.г.м. .(ордорыт поверхност миJ на . ,1Р , - ПЧРСЗ В-Б на фиг.4; на . Iiij .) расноложение кристаллографических осей; на фиг. 7 - зависимость коэф(;ициентов Ратайского пьезоэлемента от соотношени  его диаметров; на фиг. 8 - эпюра механических наир жений в кольцевом пьезоэлементе.

Устройство содержит кварцевый автогенератор 1, пьезорезонатор 2 и измерительный прибор 3, причем пьезорезонатор 2 включен между авгогеж .ратором 1 и измерительным прибор .зм 3. В качестве измерительного прибора используетс  частотомер. Пьезорезонатор выполнен в виде цил1Н дрического кольца или кольцевой линзы из кварца АТ-среза, предполагающий выполнение плоскости среза кольца нод углом 35-38 к оси третьего пор дка и совпадени  названной плоскости с осью второго пор дка.

В пьезорезонаторе в виде цилиндрического кольца (фиг.2 и 3) на пьезоэлемент нанесены три электрода, один электрод 4 наноситс  сплошным )доль одного основани  цилиндричес кого кольца. На противоположное осио1 ;игие цилиндрического кольца 5 нанесены два сегментнообразньгх электрода 6 и 7, хорды которых перпендикул рны повернутой оптической оси Z среза AT.

R иьезорезонаторе в виде кольцевой линзы (фиг. 4 и 5 ) на пьезоэлемент также нанесены три электрода. Один из которых электрод 8, наноситс  сплошным на одну сферическую ;1оверх11ость кольцевой линзы 9. На пчтрую сферическую поверхность кольцевой ликзы 9 нанесены два сегментообразных электрода 10 и 11, хорды

2

которых перпендикул рны повернутой оптической оси Z среза AT.

Устройство работает следуюЕщм образом.

Автогенератор при номинальном измер емом давлении, в частотозадающую цепь которого включен пьезорезонатор 2, генерирует частоту f, . В датчике давлени  используетс  точечна  схема нагружени , причем измер емое давление Р с помощью силопередающего устройства приклаываетс  к пьезорезонатору 2 по диаметральной линии пьезоэлемента в направлении максимальной тензочувствительности пьезоэлемента, вдоль электрической оси X (фиг.2-5). Пьезорезонаторы 2 в виде цилиндрического кольца или в виде кольцевой инзы имеют с одной стороны обищй электрод,4(3 ), а с другой - два изолированных один от другого электрода 6 и 7 (Ю и П), один из которых - электрод 6 (10 ),подключаетс  к автогенератору 1, а другой электрод, 7 (1 1 ), к частотомеру 3. По частоте колебаний, фиксируемой частотомером 3, суд т о величине измер емого давлени .

При изменении давлени  измен етс  частота настройки резонатора 2 и частота автогенератора 1. Эти изменени  частоты фиксируютс  частотомером 3. Выбранна  схема нагружени  (приложение измер емого давлени  по диаметральной линии пьезоэлемента вдоль электрической оси X ) позвол ет получить максимальную тензочувствительность . Это объ сн етс  с помощью нелинейной теории упругости.

В результате точечного нагружени  в объеме пьезоэлемента возникает напр женное состо ние, описываемое сложной функцией координат и геометрических характеристик пьезорезона- тора. Существенньш вклад в тензочув- ствительность дают изменени  упругих свойств пьезокристалла.

Дл  кольцевого пьезоэлемента с плоскими торцовыми поверхност ми коэффициент силовой чувствительности определ етс  как

.

где S - площадь поперечного сечени 

в центре пьезоэлемента; К - коэффициенты тензочувствительности; .- коэффициенты нагружени  дл  кольца. Расчет и экспериментальные иссле довани  показывают, что величина те зочувствительности кольцевого кварцевого пьезоэлемента AT-среза зависит от соотношени  внешнего b и вну реннего а диаметров (фиг.2-5). На фиг. 7 показано вли ние соотношени  внешнего и внутреннего диаметров кольцевого пьезоэлемента на зависимость коэффициентов Ратайского от угловых координат пьезоэлемента. Ко эффициенты Ратайского характеризуют тензочувствительные свойства пьезоэлементов и св заны с коэффициентам тензочувствительности следующим образом: h -k Е 1Г где К - коэффициент тензочувствительности пьезозлемента; K - коэффициент Ратайского; ti - толщина пьезоэлемента; t - коэффициент, учитывающий . форму пьезоэлемента и схему нагружени ; п - номер гармоники. Видно (фиг.7)что коэффициенты Ра тайского, а следовательно, и тензочувствйтельность кварцевого пьезоэлемента AT-среза максимальны вдоль электрической оси X и величина тензочувствительности зависит от соотношени  внешнего и внутреннего диаметров пьезоэлемента. Поэтому N выбираем направление приложени  уси ли  вдоль электрической оси X пье зоэлемента, вдоль направлени , обла дающего наибольшей тензочувствитель ностью. Кроме того, тензочувствител ность кольцевого пьезоэлемента увеличиваетс  с возрастанием внутреннего диаметра а, при посто нстве наружного b. Выбор соотношени  наружного и внутреннего диаметров при реализации данного датчика произ154 водитс  исход  из требований высокой тензочувствительности и допустимой прочности пьезоэлемента. Соглас но экспериментальным данным соотношение диаметров, обеспечивающее эти требовани , установлено в пределах от 1,8 до 2,5. Коэффициент силовой чувствительности также зависит от площади поперечного сечени  пьезоэлемента. В случае применени  в качестве датчика давлени  кольцевого пьезоэлемента -с дво ковыпуклыми торцовыми поверхност ми сило.ва  чувствительность возрастает ввиду уменьшени  площади поперечного сечени  в центре пьезоэлемента. Выбор формы и расположени  электродов на кварцевом пьезоэлементе AT-среза позвол ет увеличить чувствительность пьезо датчика давлени . При приложении усили  вдоль электрической оси X механические напр жени  в сечении , проход щем через центр кольцевого пьезоэлемента вдоль . повернутой оптической оси Z, однородны, а в сечении, проход щем через центр кольцевого пьезоэлемента вдоль электрической оси X, механические напр жени  неоднородны и имеют разные знаки в различных област х. Эпюры механических напр жений .в кольцевом пьезоэлементе при такой схеме нагружени  показаны на фиг.8. Ис- ход  из этого выбраны сегментообразные электроды на одной из поверхностей кольцевого пьезоэле- мента, хорды которых перпендикул рны повернутой оптической оси Z кварцевого кольцевого пьезоэлемента АТ-среза и рассто ние между хордами равно или превьш1ает внутренний диаметр пьезоэлемента. Таким образом, применение пьезорезонаторов в виде цилиндрического кольца или кольцевой линзы в качестве датчиков давлени  позвол ет повысить их чувствительность.

г

%e.3

У

(Put. 6

фиг. 8

z

agSB

Claims (2)

1. ПЬЕЗОДАТЧИК, содержащий кольцевой пьезоэлемент, первый электрод которого нанесен на одну, а второй и третий электроды — на его Другую торцовую поверхность, от—’ ли чающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности, пьезоэлемент выполнен из кварца, причем плоскость среза кольца пьезо—, элемента наклонена против часовой стрелки от оси третьего порядка на угол 35-38° и совпадает с осью второго порядка, при этом второй и третий электроды выполнены в виде сегментов , хорды которых параллельны этой же оси, расстояние между хордами равно или больше внутреннего диаметра кольцевого пьезоэлемента, а соотношение наружного и внутреннего диаметров кольцевого пьезоэлемен— та выбрано в пределах от 1,8 до 2,5.

2. Пьезодатчик по π.1, о т л и чающийся тем, что кольцевой пьезоэлемент выполнен с выпуклыми торцовыми поверхностями.

Фиг. /

1 190215