SU1296871A1 - Piezocrystal pressure transducer - Google Patents

Piezocrystal pressure transducer Download PDF

Info

Publication number
SU1296871A1
SU1296871A1 SU853900194A SU3900194A SU1296871A1 SU 1296871 A1 SU1296871 A1 SU 1296871A1 SU 853900194 A SU853900194 A SU 853900194A SU 3900194 A SU3900194 A SU 3900194A SU 1296871 A1 SU1296871 A1 SU 1296871A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
piezoelectric element
frequency
piezoresonator
electrodes
membrane
Prior art date
Application number
SU853900194A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Алексеевич Милькевич
Василий Григорьевич Рубанов
Алексей Егорович Сычев
Владимир Яковлевич Баржин
Александр Степанович Кижук
Original Assignee
Белгородский технологический институт строительных материалов им.И.А.Гришманова
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 Белгородский технологический институт строительных материалов им.И.А.Гришманова filed Critical Белгородский технологический институт строительных материалов им.И.А.Гришманова
Priority to SU853900194A priority Critical patent/SU1296871A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1296871A1 publication Critical patent/SU1296871A1/en

Links

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и позвол ет повысить чувствительность и точность измерений. Внутри рамки упругого элемента 3 размещен пьезоэлемент 4 в виде многоугольника, в центральной области которого выполнен точечный пьезорезонатор 7. Тонкопленочные электроды 5 пьезоэлемен- та 4, выполненные в виде сегментов, и электроды 8 пьезорезонатора 7 включены в схему автогенератора. Действующее на мембрану 2 измер емое давление приводит к всестороннему сжатию пьезоэлемента 4. Автогенератор обеспечивает одновременную генерацию сигналов с частотами, равными собственным частотам периферийной и центральной областей пьезоэлемента 4. На информационную разностную частоту не вли ет изменение температуры окружающей среды благодар  выполнению обоих пьезорезонаторов в единой пьезопластине. 3 ил. Р (ЛThe invention relates to instrumentation engineering and makes it possible to increase the sensitivity and accuracy of measurements. Inside the frame of the elastic element 3 is placed a piezoelectric element 4 in the form of a polygon, in the central region of which a point piezoresonator 7 is made. The thin-film electrodes 5 of the piezoelectric element 4, made in the form of segments, and the electrodes 8 of the piezoresonator 7 are included in the auto-oscillator circuit. The measured pressure acting on the membrane 2 leads to a comprehensive compression of the piezoelectric element 4. The autogenerator provides simultaneous generation of signals with frequencies equal to the eigenfrequencies of the peripheral and central regions of the piezoelectric element 4. The information difference frequency is not affected by the change in ambient temperature due to the performance of both piezoresonators in a single piezoplastin . 3 il. R (L

Description

1one

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной- технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давлени .The invention relates to an instrumentation engineering, in particular to piezoresonance pressure sensors.

Цель изобретени  - повьпиение чувствительности и точности измерений.The purpose of the invention is to demonstrate the sensitivity and accuracy of measurements.

На фиг. 1 изображена конструкци  пьезокварцевого датчика; на фиг. 2 зависимость коэффициента сггповой чуствительности собственной частоты точечного кварцевого пьезорезонатор от угла об приложенного силового воздействи  относительно кристаллографческих осей пьезокварца; на фиг. 3- схема автогенератора датчика давлени ,FIG. 1 shows the piezoquartz sensor design; in fig. 2 the dependence of the coefficient of the crush sensitivity of the natural frequency of a point quartz piezoresonator on the angle about the applied force action relative to the crystallographic axes of the piezoquartz; in fig. 3 is a diagram of the autogenerator of the pressure sensor,

Пьезокварцевьй датчик давлени  сдержит корпус 1 с размещенной в нем мембраной 2, между мембраной и корпсом установлен упругий элемент 3 в виде рамки. Внутри рамки помещен пь зоэлемент 4, выполненный в виде многоугольника и скрепленный с рамкой своими углами. Тонкопленочные 3|лек- троды 5 пьезоэлемента, выполненные в виде сегментов, включены в схему автогенератора 6, а в центральной области пьезоэлемента выполнен точечный пьезорезонатор 7, тонкопленочные электроды 8 которого также включены в схему автогенератора 6, Контур точечного пьезорезонатора ограничен двум  прорез ми 9, расположенными симметрично относительно ос симметрии пьезоэлемента, проход щих через точки скреплени  этого пьезоэлемента с упругим элементом. При этом перемычки 10, соедин ющие тело точечного пьезорезонатора с телом пьезоэлемента, лежат на оси симметрии пьезоэлемента, совпадающей с осью максимальной отрицательной силовой чувствительности точечного пьезорезонатора. Дл  скреплени  пьезоэлемента с упругим элементом и упругого элемента с корпусом датчик имеет винты 11 и 12, которые позвол ют также регулировать степень под жати  этого пьезоэлемента, а значит и осуществл ть регулирование частот как основного пьезорезонатора пьезоThe piezoquartz pressure sensor will hold the housing 1 with a membrane 2 placed in it, and an elastic element 3 in the form of a frame is installed between the membrane and the body. Inside the frame is placed a po zoelement 4, made in the form of a polygon and fastened to the frame with its corners. Thin-film 3 lectrodes 5 of the piezoelectric element, made in the form of segments, are included in the circuit of the autogenerator 6, and in the central area of the piezoelectric element a piezo-resonator 7 is made, the thin-film electrodes 8 of which are also included in the circuit of the autogenerator 6, located symmetrically with respect to the symmetry of the piezoelement, passing through the bonding points of this piezoelectric element with an elastic element. The bridges 10 connecting the body of the point piezoresonator with the body of the piezoelectric element lie on the axis of symmetry of the piezoelectric element coinciding with the axis of maximum negative power sensitivity of the point piezoresonator. To fasten the piezoelectric element with the elastic element and the elastic element with the housing, the sensor has screws 11 and 12, which also allow you to adjust the degree of compression of this piezoelectric element, and therefore adjust the frequencies as the main piezoelectric resonator

элемента, так и расположенного в центре последнего дополнительного точечного пьезорезонатора.element, and located in the center of the last additional point piezoresonator.

Предлагаемый пьезокварцевый датчик давлени  работает следующим образом.The proposed piezoquartz pressure sensor operates as follows.

Дл  реализации возможности дифференциального измерени , воздействую0To realize differential measurement capability, 0

5five

00

5five

00

5five

00

5five

00

5five

щего на предлагаемый датчик давлени  Р, и обеспечени  минимальной погрешности этих измерений необходимо в системе чувствительный элемент - автогенератор обеспечить одновременную генерацию двух частотных сигналов, частоты которых обладали бы разными по знаку частотными коэффициентами силовой чувствительности, а по абсолютной величине были бы близкими. В предлагаемом устройстве это достигаетс  за счет выбора специальной кон- .It is necessary to ensure in the system a sensitive element - an autogenerator to simultaneously generate two frequency signals, the frequencies of which would have different frequency coefficients of power sensitivity, and in absolute value would be close. In the proposed device, this is achieved by selecting a special con.

струкции чувствительного элемента и использовани  двухчастотного автогенератора , обеспечивающего одновременную генерацию двух информационных частот,, кажда  из которых определенным образом зависит от воздействующего на датчик давлени  Р. Перва  из генерируем1лх частот С0  вл етс  ангармонической модой основного колебани , используемого в пьезоэле- менте известного устройства. Причем используетс  ангармоническа  мода основного колебани  вида 1, 2, Л, зоны деформаций которой располагаютс  в периферийных област х пьезоэлемента 4 в местах расположени  секто-. ров тонкопленочных электродов 5 и не занимают центральную зону этого пьезоэлемента. Дл  обеспечени  высокой активности этой ангармонической моды основного толщинно-сдвиго- вого колебани  каждый из двух электродов 5 пьезорезонатора пьезоэле- мент 4 выполнен в виде двух секторов, располагаемых в зонах максимашьных деформаций пьезоэлемента 4 при работе его основного пьезорезонатора на моде 1, 2, 1 с частотой СО,. Это обеспечивает значительное возрастание амплитуды колебаний возбуждаемой ангармонической моды по сравнению с другими модами толщинно-сдвиговых колебаний, а также по сравнению с основным колебанием пьезорезонатора.The structure of the sensitive element and the use of a two-frequency auto-generator, which simultaneously generate two information frequencies, each of which depends in a certain way on the pressure acting on the pressure sensor P. The first C0 from the generated frequencies is the anharmonic mode of the fundamental oscillation used in the piezoelectric element of the known device. Moreover, anharmonic mode of the main oscillation of the type 1, 2, L is used, the deformation zones of which are located in the peripheral regions of the piezoelectric element 4 at the locations of the sector-. the moat of thin-film electrodes 5 and do not occupy the central zone of this piezoelectric element. To ensure high activity of this anharmonic mode of the main thickness-shear oscillations, each of the two electrodes 5 of the piezoresonator piezoelectric element 4 is made in the form of two sectors located in the zones of maximum deformations of the piezoelectric element 4 when its main piezo resonator operates on mode 1, 2, 1 s the frequency of CO ,. This provides a significant increase in the amplitude of the oscillations of the anharmonic mode being excited in comparison with other modes of thickness-shear oscillations, as well as in comparison with the main oscillation of the piezoresonator.

Благодар  использованию такого режима работы основного пьезорезонатора злемента 4 вс  энерги  колебаний с частотой со, ока1,ываетс  сконцентрированной в области расположени  электродов 5, выполненных в виде двух сегментов, а зоны пьезоэлемента 4 вблизи точек скреплени  пьезоэлемента с упругим элементом 3 оказываютс  свободными от деформаций, что позвол ет зн&чительно повысить добротность основного пьезорезонатораDue to the use of such a mode of operation of the primary piezoresonator of the element 4, the entire oscillation energy with a frequency co, about 1 is concentrated in the area of the electrodes 5, made in two segments, and the zones of the piezoelectric element 4 near the points of the piezoelectric element 3 with the elastic element 3 are free from deformations, which allows to significantly increase the quality factor of the main piezoresonator

и улучшить стабильность частоты генерируемых колебаний по сравнению с известным устройствомand improve the frequency stability of the generated oscillations compared with the known device

При воздействии на мембрану 2 измер емого давлени  Р мембрана 2 деформируетс  и деформирует упругий элемент 3. В результате этого пьезо- элемент 4 оказываетс  нагруженньм по углам и подвергаетс  всестороннему сжатию, в св зи с чем чувствительность собственной частоты о к воздействию давлени  Р определ етс  интегральной силовой чувствительностью основного пьезорезонатора пьезо- элемента 4. Определить эту чувствительность можно из зависимости Kp(ei) приведенной на фиг, 16, вычислив интеграл следующего вида -гWhen the measured pressure P influences the membrane 2, the membrane 2 deforms and deforms the elastic element 3. As a result, the piezoelectric element 4 is angularly stressed and subjected to full compression, which is why the natural frequency sensitivity to pressure P is integral. the power sensitivity of the piezoresonator's piezoelectric element 4. This sensitivity can be determined from the dependence Kp (ei) given in FIG. 16 by calculating the following integral:

Кр ао Kp(oi,)doi,Kp ao Kp (oi,) doi,

(1)(one)

где а - коэффициент, учитывающий упругие свойства мембраны 2 и коэффициент передачи механического усили  упругим элементом 3,where a is the coefficient taking into account the elastic properties of the membrane 2 and the transfer coefficient of the mechanical force by the elastic element 3,

В результате дл  зависимости час- оси Z , тоты со, от воздействующего давлени  Р получим следующую зависимость:As a result, for the dependence of the Z-axis, tots, from, on the acting pressure P, we obtain the following dependence:

СО,(Р)ОО,+КР, (Р-РО), (2) где cOj, - начальное значение частотыCO, (P) OO, + KR, (P-PO), (2) where cOj, is the initial frequency value

20 -коэффициент чувствительности по давлению Р частоты СО причем Кр - коэффициент силовой чувствительности точечного пьезорезонатора 7 при его нагружении вдоль20 is the coefficient of sensitivity for pressure P of the frequency of CO, and Kp is the coefficient of force sensitivity of the point piezoresonator 7 when it is loaded along

В результате дл  разностной частоты сигнала, снимаемого с выхода автогенератора 6, получим следующее выражение:As a result, for the difference frequency of the signal removed from the output of the oscillator 6, we obtain the following expression:

СО, при начальном значении измер емого р(Р) (о,(Р)-и(Р) ( + (Кр +Kp,j )«CO, with the initial value of the measured p (P) (o, (P) -and (P) (+ (Kp + Kp, j) "

давлени , т,е, при ..pressure, t, e, at ..

иand

Благ одар  тому, что основной пьезорезонатор пьезоэлемента 4 работает на ангармонической моде основного колебани  вида 1, 2, 1, свободной от толщинно-сдвиговых колебаний оказываетс  не только периферийна  часть пьезоэлемента 4, но и центральна  его область. Вследствие этого возмож (Р-РО). (4)Due to the fact that the basic piezoresonator of the piezoelectric element 4 operates on the anharmonic mode of the basic oscillation of type 1, 2, 1, free from thickness-shear vibrations is not only the peripheral part of the piezoelectric element 4, but also its central region. As a consequence, it is possible (R-RO). (four)

Подбира  площадь электродов 5 основного пьезорезонатора пьезоэлемента 4, можно обеспечить равенство 35 коэффициентов чувствительности по давлению Кр и Кр , т,е, Кр Kpj,Kp и можно записатьSelecting the area of the electrodes 5 of the main piezoresonator of the piezoelectric element 4, it is possible to ensure the equality of 35 pressure sensitivity factors Kp and Kp, t, e, Kp Kpj, Kp and you can write

Qp(P) (cOo,-Woa)+2Kp(P-P). (5) Поскольку оба пьезорезонатора пьезоно в этой области выполнить дополни- элемента 4 выполнены в единой пьезо- тальный точечный пьезорезонатор 7, кварцевой пластине, информационна  собственна  частота которого (j3 близка к частоте О), и отличаетс  от последней на значение разностной часчастота сОр (Р) практически не зави45Qp (P) (co, -Woa) + 2Kp (PP). (5) Since both piezot piezoresonators in this area perform additional element 4, they are made into a single piezotal piezoresonator 7, a quartz plate, the information natural frequency of which (j3 is close to frequency O), and differs from the latter by the value of the difference frequency cf ( P) practically does not depend

сит от изменении температуры окружающей датчик среды.sieve from changing ambient temperature sensor.

4545

тоты сОр G3,-C02, котора  при значени х частот СО, и cOj пор дка 5-10 МГц составл ет 100-150 кГц,the cp of G3, -C02, which, at frequencies of CO, and cOj in the order of 5-10 MHz, is 100-150 kHz,

Тонкопленочные электроды 8 точечного пьезорезонатора 7, как и электроды 5 основного пьезорезонатора 50 .пьезоэлемента 4, включены в базовую цепь автогенератора 6, который обеспечивает в многочастотном режиме работы одновременную генерацию сигналовThe thin-film electrodes of the 8-point piezoresonator 7, as well as the electrodes 5 of the main piezoresonator 50. Piezoelectric element 4, are included in the basic circuit of the auto-oscillator 6, which provides simultaneous generation of signals in the multi-frequency mode

с частотами СО, и Og. Дл  обеспечени  55 элемент выполнен в виде многоуголь- высокой устойчивости режима генера- ника, скрепленного по углам с упру- ции двухчастотного колебани  в схему рим элементом, отличающий- многочастотного автогенератора 6 вве- с   тем, что, с целью повышени with frequencies of CO, and Og. To ensure 55, the element is designed as a multi-high stability of the mode of the generator, fastened at the corners with the elastic two-frequency oscillations in the circuit with a Roman element that differs with the multi-frequency auto-oscillator 6, in order to increase

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Пьезокварцевый датчик давлени , содержавши корпус с мембраной и размещенный в нем контактирующий с мембраной упругий элемент замкнутой формы с закрепленным внутри пьезо- элементом с электродами, включенными в схему автогенератора, причем пьезоден нагрузочный полосовой ЬС-фильтр, включенный в эмиттерную цепь транзистора и настроенный на разностную частоту (,-c02.A piezoquartz pressure sensor containing a housing with a membrane and an elastic element of a closed form in contact with the membrane with a piezoelectric element attached to the circuit of the oscillator connected to the circuit of the oscillator, with a piezodenal load band HC filter connected to the difference circuit frequency (, -c02. Поскольку дополнительный точечный пьезорезонатор 7 ограничен по контуру прорез ми 9 (фиг, 1) и св зан с телом пьезоэлемента 4 двум  перемычками 10, лежащими на оси Z его максимальной отрицательной силовой чувствительности (фиг, 2), дл  зависимости частоты со, определ емой резонансной частотой точечного пьезорезонатора 7, от воздействующегоSince the additional point piezoresonator 7 is circumferentially bounded by slots 9 (FIG. 1) and connected to the body of the piezoelectric element 4 by two bridges 10, lying on its axis Z, its maximum negative power sensitivity (FIG. 2), for the dependence of frequency with, determined by resonant the frequency of the piezoresonator 7, from acting на датчик давлени  Р .получимon pressure sensor P. get C02(P) 42-Kpi(P-Po). (3) где COgj, - начальное значение частоты (0 при исходном значении измер емого давлени ; ,C02 (P) 42-Kpi (P-Po). (3) where COgj, is the initial value of the frequency (0 at the initial value of the measured pressure;, 20 -коэффициент чувствительности по давлению Р частоты СО причем Кр - коэффициент силовой чувоси Z , 20 is the coefficient of sensitivity for pressure P of the frequency of CO, and Kp is the coefficient of force Ch, Z, ствительности точечного пьезорезонатора 7 при его нагружении вдольvalue of the piezoresonator 7 when it is loaded along оси Z , Z axis, В результате дл  разностной частоты сигнала, снимаемого с выхода автогенератора 6, получим следующее выражение:As a result, for the difference frequency of the signal removed from the output of the oscillator 6, we obtain the following expression: р(Р) (о,(Р)-и(Р) ( + (Кр +Kp,j )«p (P) (o, (P) -i (P) (+ (Cr + Kp, j) " р(Р) (о,(Р)-и(Р) ( + (Кр +Kp,j )«p (P) (o, (P) -i (P) (+ (Cr + Kp, j) " (Р-РО). (4)(R-RO). (four) Подбира  площадь электродов 5 основного пьезорезонатора пьезоэлемента 4, можно обеспечить равенство коэффициентов чувствительности по давлению Кр и Кр , т,е, Кр Kpj,Kp и можно записатьSelecting the area of the electrodes 5 of the main piezoresonator of the piezoelectric element 4, it is possible to ensure the equality of the coefficients of sensitivity for pressure Kp and Kp, t, e, Kp Kpj, Kp and you can write Qp(P) (cOo,-Woa)+2Kp(P-P). (5) Поскольку оба пьезорезонатора пьезоэлемента 4 выполнены в единой пьезо- кварцевой пластине, информационна  Qp (P) (co, -Woa) + 2Kp (PP). (5) Since both piezoresonators of the piezoelectric element 4 are made in a single piezo-quartz plate, the information частота сОр (Р) практически не завиThe frequency of the COP (P) is practically independent сит от изменении температуры окружающей датчик среды.sieve from changing ambient temperature sensor. элемент выполнен в виде многоуголь- ника, скрепленного по углам с упру- рим элементом, отличающий- с   тем, что, с целью повышени the element is made in the form of a polygon, fastened in corners with an elastic element, characterized in that, in order to increase Формула изобретени Invention Formula Пьезокварцевый датчик давлени , содержавши корпус с мембраной и размещенный в нем контактирующий с мембраной упругий элемент замкнутой формы с закрепленным внутри пьезо- элементом с электродами, включенными в схему автогенератора, причем пьезочувствительности и точности измерений , в нем каждый из .двух электродов пьезоэлемента выполнен в виде двух сегментов, а в центральной области пьезоэлемейта выполнен точечный пье- зорезонатор с электродами, ограниченный по контуру двум  дуговыми прорез ми , расположенными симметрично относительно осей симметрии пьезоэлемента , проход щих через точки скреплени  пьезоэлемента с упругим элементом, причем электроды точечного пьезорезонатора включены в схему автогенератора.Piezoquartz pressure sensor, containing a housing with a membrane and placed in it an elastic element in contact with the membrane of a closed form with a piezoelectric element mounted inside the electrodes included in the oscillator circuit, with piezosensitivity and measurement accuracy, each of the two piezoelectric electrodes is made in the form two segments, and in the central region of the piezoelement there is a point piezoresonator with electrodes, bounded along the contour by two arc slots arranged symmetrically with respect to no symmetry axes of the piezoelectric element extending through the point of bonding piezoelectric element with an elastic member, wherein a point piezo resonator electrodes included in the oscillator circuit. Редактор М. НедолуженкоEditor M. Nedoluzhenko фие.Зfie.Z Составитель Н. БогдановаCompiled by N. Bogdanova Техред И.Попович Корректор Л. ПилипенкоTehred I.Popovich Proofreader L. Pilipenko Заказ 767/43Тираж 777ПодписноеOrder 767/43 Circulation 777 Subscription ВНИИПИ Государственного комитета СССРVNIIPI USSR State Committee по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5for inventions and discoveries 113035, Moscow, Zh-35, Raushsk nab., 4/5 Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4Production and printing company, Uzhgorod, st. Project, 4
SU853900194A 1985-05-24 1985-05-24 Piezocrystal pressure transducer SU1296871A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU853900194A SU1296871A1 (en) 1985-05-24 1985-05-24 Piezocrystal pressure transducer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU853900194A SU1296871A1 (en) 1985-05-24 1985-05-24 Piezocrystal pressure transducer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1296871A1 true SU1296871A1 (en) 1987-03-15

Family

ID=21178912

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU853900194A SU1296871A1 (en) 1985-05-24 1985-05-24 Piezocrystal pressure transducer

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1296871A1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР № 862000, кл. G 01 L 9/08, 1980. Авторское свидетельство СССР Р 631793, кл. С 01 L 9/08, 1977. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4550610A (en) Resonator pressure transducer
US4306456A (en) Elastic wave accelerometer
US4644804A (en) Quartz resonating force and pressure transducer
US4592663A (en) Resonator temperature transducer
CN109883602B (en) Self-compensating silicon micro-resonant pressure sensitive chip based on SOI
JPS60105917A (en) Resonance conversion system, resonance-force conversion system and method of determining force or other parameter and temperature
JPH0367210B2 (en)
US3983744A (en) Method and apparatus for measuring the density of a dirty fluid
Wang et al. A thickness-shear quartz resonator force sensor with dual-mode temperature compensation
SU1296871A1 (en) Piezocrystal pressure transducer
CA1273821A (en) At-cut crystal resonator presssure transducer
SU667840A1 (en) Frequency-output pressure pickup
SU530209A1 (en) Differential pressure sensor
SU1000805A1 (en) Frequency-type pickup of pressure
SU1339423A1 (en) Pressure transducer
SU1345076A1 (en) Pressure transducer
SU1312415A1 (en) Pressure transducer with frequency output
SU998874A1 (en) Device for measuring temperature and mechanical forces
SU823910A2 (en) Pressure gauge
SU690345A1 (en) Frequency-output pressure transducer
SU847094A1 (en) Piezoelectric manometer
SU1161828A1 (en) Device for determining unbalance of branches of quartz crystal vibrator tuning fork
SU1291829A1 (en) Device for measuring pressure
SU567970A1 (en) Pressure pickup
SU1262307A1 (en) Piezoelectric converter