Термочувствительные пьезорезонансные датчики
Конструкция кварцевого термодат-чика приведена на рис. 2-20, а. В миниатюрном металлическом герме-тизированном баллоне (диаметр 6–8 мм) размещен линзовый кварцевый резонатор 1, укрепленный, как на растяжкаx, так и на токоподводах 2 и 3. Для уменьшения тепловой инерционности баллон заполнен гелием, обладающим хорошей теплопроводностью, выпускаются также датчики с резонаторами в стеклянных вакуумированных баллонах. Эти датчики имеют большую инерционность, но более высокую временную стабильность и разрешающую способность ость.
Рис. 2-20
На рис. 2-20, б представлена структурная схема датчика, включающая в себя генератор Г1 с кварцевым термочувствительным резонатором, генератор стабильной частоты Г2, цепь разности частот РЧ, делитель частоты ДЧ и счетчик Сч с цифровой индикацией. Рабочий температурный диапазон датчиков составляет от –80 до + 250 °С и может быть расширен при увеличении погрешности линейности.
Рабочие частоты термочувствительных резонаторов лежат в диапазоне 1–30 МГц, используются колебания как на основной частоте (1–10 МГц), так и на третьей и пятой гармониках (5–30 МГц).
В качестве термочувствительных резонаторов применяются резонаторы Y-среза, АС-среза и LC-среза. Коэффициенты термочувствительности для этих срезов, соответствующие уравнению преобразования
f = f0[1+K1(Θ– Θ0)+K2(Θ– Θ0)2+K3(Θ– Θ0)3],
приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Коэффициенты термочувствительности
| Тип среза | К1, 10-6 К-1 | К2, 10-9 К-2 | К3, 10-12 К-3 |
| Y-срез | +92,5 | 57,5 | +5,8 |
| АС-срез | +20 | +23 | +116 |
| LC-срез | +33,78±0,12 | ±0,14 | ±0,23 |
В зависимости от собственной частоты резонатора f0 и типа среза термочувствительность датчиков составляет SΘ =Df/DΘ = 20 ¸ 2850 Гц/К.
Порог чувствительности датчиков в основном определяется кратковременной нестабильностью резонаторов и построенных на их основе генераторов. По приводимым в литературе данным он составляет 10-4 – 10-6 К при измерениях в области низких температур.
Основными причинами погрешности термодатчиков являются временная нестабильность, «гистерезис», выражающийся в «неприходе» на начальную частоту после температурного цикла и оцениваемый значением порядка 10-2 К при циклах, соответствующих рабочему диапазону, и повышение температуры (перегрев) резонатора, зависящее от мощности, выделяемой в цепи возбуждающих электродов. Для разных типов датчиков повышение температуры на единицу мощности колеблется в пределах 0,05–1 К/мВт. Для уменьшения систематической составляющей погрешности перегрева необходимо уменьшить мощность возбуждения, для уменьшения случайной составляющей мощность возбуждения должна стабилизироваться.
Подогревные термочувствительные резонаторы конструктивно объединяют пьезоэлектрический резонатор и дополнительный электронагреватель и могут быть принципиально использованы как для преобразования в температуру и измерения непосредственно мощности нагревателя, так и для измерения любой из величин, определяющих температуру при постоянной мощности нагревателя, т.е. могут применяться в преобразователях тока, напряжения или мощности, а также в датчиках газоанализаторов, термоанемометров, вакуумметров.
Конструкция подогревного пьезорезонатора, предложенного Э.А. Кудряшовым и использованного им в высокоточных квадраторах цифровых ваттметров и вольтметров, показана на рис. 2-20, в. В центре дискового резонатора Y-среза диаметром 5 мм и толщиной 75 мкм напылены на нижней и верхней стороне золотые электроды возбуждения 1 и 2, а по периферии напылены электроды нагревателей 3 и 4 из нихрома. Сопротивление нагревателей 100 Ом, номинальный ток подогрева 15 – 30 мА. Крутизна преобразования мощности в частоту 1,5 МГц/Вт, рабочая частота 30 МГц.
Тензочувствительные пьезорезонансные датчики. В качестве тензочувстви-тельных резонаторов применяются пьезоэлементы температурнонезависимого АС-среза, в которых используются колебания сдвига по толщине и колебания изгиба, так как только для этих типов колебаний удается решить проблему развязки между колеблющейся частью резонатора и конструктивными элементами, через которые передается механическая нагрузка. Схематические конструкции и схемы нагружения тензочувствительных пьезорезонаторов показаны на рис. 2-21.
Рис. 2-21
В резонаторах (рис. 2-21, а и б) используются колебания сдвига по толщине, поэтому закрепление резонатора и передача усилий могут осуществляться по свободной от колебаний периферии. Резонаторы подобного типа реализуются на диапазон частот 0,3–100 МГц, имеют толщину 0,05–5 мм при поперечных размерах 3–30 мм, относительное изменение частоты при номинальной входной величине Df/f = 0,1¸1%.
В резонаторах (рис. 2-21, в) используются изгибные колебания, которые возбуждаются системой из четырех электродов, обеспечивающей противоположные по знаку сдвиговые деформации так, как показано на рис. 2-21, г. Так, если при положительном потенциале на верхнем электроде происходит в надэлектродной области сдвиг «вправо», то при отрицательном потенциале — «влево» и пластина изгибается. Деформации, вызываемые в ножках «камертона» колебаниями верхней и нижней пластин, взаимно гасятся, так как пластины перемещаются в противофазе. Резонаторы с изгибными колебаниями реализуются на диапазон частот 1–100 кГц, но имеют меньшую жесткость и, следовательно, чувствительность больше, чем резонаторы с колебаниями сдвига; относительное изменение частоты достигает значений Df/f = 10¸20%.
Метрологические возможности датчиков сил, давлений, ускорений в значительной степени определяются гистерезисом и ползучестью, вызванными неидеальностью самого упругого элемента, соединительных элементов и элементов передачи силы, а также дополнительными механическими напряжениями, которые могут возникнуть в материале резонатора при изменении температуры вследствие неравных температурных коэффициентов линейного расширения материалов. Проблема решается наилучшим образом, если датчик представляет собой монолитный кристаллический блок, однако такая конструкция приводит к технологическим трудностям. Монолитная конструкция датчика гидростатического давления в диапазоне до 70 МПа фирмы «Хьюлетт–Паккард» показана на рис. 2-21, д.
Основу датчика составляет линзовый резонатор, выполненный в виде перемычки 1 в кварцевом цилиндре 2. Для герметизации применены крышки 3 и 4 также из кварца, ориентированного относительно кристаллографических осей идентично с цилиндром, что позволяет полностью устранить термонапряжение. Измеряемое давление создает всестороннее сжатие цилиндра и плоское сжатие перемычки. Кварцевый блок расположен в цилиндре, заполненном жидкостью, на которую через мягкую мембрану передается давление внешней среды. Применяется двойное термостатирование блока, обеспечивающее стабилизацию температуры ± 0,05 °С. Начальная частота резонатора 5 МГц (третья гармоника), добротность Q = 106, чувствительность S=2·10-4 Гц/Па. В приборе предусмотрен умножитель частоты на 66, порог чувствительности при времени измерения 10 с DР = 7 Па (10-7 предела измерения).
В заключение следует сказать, что лучшие линзовые тензочувствительные резонаторы характеризуются следующими параметрами: номинальным изменением частоты Df/f=(0,5¸10)10-3, годичной нестабильностью частоты 10-7–10-9, кратковременной нестабильностью частоты 10-9–10-10, температурным коэффициентом частоты 10-6–10-8 К-1, температурным коэффициентом тензочувствительности 10-5 К-1, что позволяет прогнозировать разработку на их базе датчиков акселерометров, манометров, динамометров с погрешностью, оцениваемой значениями порядка 10-4, что значительно превышает точность современных приборов.
Macс-чувствительные пьезорезонансные датчики. Масс-чувствительные резонаторы выполняются из тонких пластин или линз кварца температурно-независимого АТ-среза. В резонаторах возбуждаются колебания сдвига по толщине. Присоединяемая масса может наноситься с одной или с двух сторон как на электроды, так и на периферию резонатора. Наращивание массы, т.е. процесс сорбции вещества, может происходить по-разному и носить как необратимый, так и обратимый характер. Например, при отработке технологии процессов напыления в установке заподлицо с поверхностью, на которую производится напыление, помещается пьезорезонатор-толщиномер, позволяющий непрерывно контролировать процесс по изменению частоты пьезорезонатора в зависимости от толщины напыленной на него пленки. В гигрометрах и газоанализаторах пьезорезонаторы покрываются специальными сорбционными покрытиями, удерживающими исследуемое вещество. Так, измерительный резонатор гигрометра покрывается тонкой (3·10-7 мкм) пленкой окислов кремния. После измерения резонатор может быть «высушен», т.е. происходит десорбция вещества.
Связь частоты с толщиной h' и плотностью r' присоединяемого материала определяется в первом приближении формулой:
Df/f = –r'h′/(rh),
где r и h – плотность и толщина пьезоэлемента.
Если предположить, что исследуемые вещества сорбируются по всей поверхности дискового резонатора, то из этой формулы следует
Df/f = – Dm/m,
где т – масса резонатора, и, очевидно, относительное приращение массы может регистрироваться с тем же разрешением, что и относительное изменение частоты, т.е. 10-6–10-7. Для кварцевых резонаторов толщиной h=0,1 мм минимальные регистрируемые приращения массы на единицу поверхности Dm=(10-6 ¸ 10-7) rh=(10-6 – 10-7) 2,65·0,01= 2,65 (10-8 ¸ 10-9) г/см2. Однако такая высокая разрешающая способность может быть реализована только при термостабилизации резонаторов на уровне ±0,1 °С, так как для резонаторов АС-среза ТКЧ составляет примерно 2·10-6 К-1. Максимальная присоединяемая масса не должна превышать 2·10-3 г/см2, и толщина пленок должна быть не более 1–2 мкм, в противном случае резко падает добротность резонатора, что приводит к нестабильности и большой погрешности измерения.
Лекция 4
Дата добавления: 2015-01-26; просмотров: 1570;