Пьезоэлектрические датчики силы

Рассмотренные в предыдущем разделе 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 датчиков всегда следует 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 датчиков необходимо учитывать всестороннее влияние сигналов возбуждения. На рис. 9.4 показан вариант активного датчика силы. При проведении количественных измерений при помощи такого дат­чика следует помнить, что его диапазон измерения зависит от частоты механическо­го резонанса применяемого пьезоэлектрического кристалла. Принцип действия та­ких датчиков 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 [13]:

(9 8)

где п — номер гармоники, l — геометрический параметр, определяющий резо­нансную частоту (например, толщина относительно большой и тонкой пласти­ны или длина тонкого длинного стержня), с — коэффициент упругой деформа­ции (например, коэффициент жесткости при сдвиге вдоль толщины пластины или модуль Юнга в случае тонкого стержня), а r — плотность кристалла.

Частотный сдвиг возникает из-за нелинейности зависимостей некоторых параметров кристалла от величины внешних сил. Например, в уравнении (9.8) коэффициент жесткости с зависит от приложенной нагрузки, тогда как плот­ность и геометрический параметр меняются при этом незначительно. 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 датчиков 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 показан 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 которой один край параллелен оси х, а передняя грань образует с осью z угол в, приблизительно равный 35°. Такой срез часто называют АТ-срезом.

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 Df [15]:

(9.9)

где F— приложенная сила, К— константа, п — номер гармоники, l — размер крис­талла. Для компенсации ухода частоты вследствие изменения температуры, иногда применяют сдвоенный кристалл, одна половина которого 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 показан внешний вид се­рийно выпускаемого датчика силы.

При разработке любых датчиков 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. Например, 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.

Литература

1 Raman, V V The second law of motion and Newton equations Physics Teacher, 1972

2 Doebelm, E 0 Measurement Systems Applications and Design McGraw-Hill, New York, 1966

3 Pallass-Areny, R and Webster, J G Sensors and Signal Conditioning, 2nd ed John Wiley & Sons, New
York, 2001

4 Holman J P Experimental Methods for Engineers McGraw-Hill, New York, 1978

5 Howe, R T Surface micromachimng for microsensors and microactuators J Vac Sci Technol В 6(6),
1809-1813, 1988

6 Piezo Film Sensors Technical Manual Measurement Specialties, Inc , Norns-town, PA, 1999, available
at wwwmsiusa com

7 Fraden, J Cardio-Respiration Transducer, U S Patent 4509527, 1985

8 Del Prete, Z , Monteleone, L , and Steindler, R A novel pressure array sensor based on contact
resistance vartiation metrological properties Rev Sci lustrum 72(3), 1548-1558,2001

9 Yates, В A keyboard controlled joystick using force sensing resistor Sensors Magazine, 39-39, 1991

10 Huff, M A , Nikolich, A D , and Schmidt, M A A threshold pressure switch utilizing plastic
deformation of silicon In Transducers'91 International Conference on Solid-State Seniors
and Actuators Digest of Technical Papers, IEEE, New York, 1991, pp 177-180

11 Jiang, J С , White, R С , andAllen, PK Microcavity vacuum tube pressure sensor

for robotic tactile sensing In Transducers '97 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest of Technical Papers IEEE, New York, 1991, pp 239-240

12 Brodie, I Physical considerations m vacuum microelectronics devices IEEE Trans
Electron Dev, 36, 2641, 1989

13 Benes, E , Groschi M , Burger W, and Schmid M Sensors based on piezoelectric resonators
Sensors Actuators A 48, 1-21, 1995

14 Karrer, E and Leach J A low range quartz pressure transducer ISA Trans 16, 90-98, 1977

15 Corbett, J P Quatz steady-state force and pressure sensor In Sensors Expo West Proceedings Helmers
Publishing, Peterborough, NH, 1991

16 Kirman, R G and Langdon, R M Force sensors US Patent 4,594,898 1986

ГЛАВА 10

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Прежде чем открыть что-то новое, необходимо изучить много старого»

-говорил мой учитель физики

Поиск по сайту: