автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование пьезоэлектрического датчика усилий на основе связанных резонаторов

ц\® i ? Й í

AJII'AliCKII.l 1ЮЛПЕ^;ИЧКСкИ.: ИНСППЛ' ¡IM. И. И. ПОЛЗУН ОБА

IIa правах рукописи УДК 621.317.7.

CEÄAJKliaiß Виктор Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УСИЛИЛ IIA ОСНОВЕ СЬЛЗМПШХ РЕЗОНАТОРОВ

Спепиалы1ссть:05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды,веществ,материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул,1992

Райота тполнена ь Miii\. еком политехническом институте км. i;.1;o,i:(yiioi<a

Паучий, руководитель - А1 м'/.к Alil и A'ii! Г.-,

:-аслу*< ишь. лйнтодь науки г. тпхьш

I ДОКТОр Т0>.НЯЧеСК11Х HHVK,

ilpo.iV^OJ) ]Ш';Ь!'01- П.и.

Официальные онлоиенти: ;;окю;> технических нуук ::pc;«4:co;i ГорОсь М.,'.;. l'ilHAlV^'T ТСХНИЧ'.СКНХ И'!.','!',

до;,ент ;,Ъко;:моп II. >

Ведущая оргсшиушшл: НГ10 "Алтн.;"

(r.Ut. ¿и)

фщитп дксстртники состоите;; "Л?.". I

на ьаседынин спиииали.<и;к<. «иного соноти ü-fv.l ..,'.>. * i ,v:t;i с ко го политехнического института им. но ад:)

оу: 6b609'J, Барнаул, и;>. .'.мпша, .10.

0туь;ц| 110 пптпг<'<',< рат i диух ;ir;-'¿нм!,ч!ШШ<: печатью, игюсим нащоьлгль но ajifvcv : Г: i n..".', ¡<»:ш\л пр. Ленина, 46.

С ду. о с "рта: .и e. moviho оэнптмкти: : i rv/Ji'/»Tt,!'t Дл'г.ь ского П"л:;'Г( хш'.'1'Ci.oi'o i::iCTi',?i т.ч.

А!TopCv''i>i'.T разослан "....".................Г.-1 1 i'.

Ученл. сн-рстарь с::(пкпл>;:'/рон.п:нг.го • •■¡н

Г'Ц^'л'ДаТ Ti'Wli'.-i'.'C'KKX. Н.'!.",

;.о::--нт :.,', г., :i

Л'табота.Измерение силы путем преобразования 1 с!чА

выходной сигнал является актуальной неучно-

'¡ихничсскои задачей.Качоство изменений во многом определяется характе; истика'/и используемыж первичных измерительных П100браз0ИПтеле!:/;и!П/.

Ь настоящее время наблюдается серьезное отставание в совершенствовании датчиков по сравнению с интенсивным развитием кикрозлатройной базы по обработке результатов измерений.Отсутствие надежных и удобных в эксплуатации дьтчиков для контроля усилий затрудняв:' автоматизацию производственных пкклов.Главными препятствиями для широкого использования преобразователей усилий является их высокая стоимость и необходимость применения слочшой высокочувствительной аппаратуры.Зследс".вио этого,наряду с дальнейшим соверпеиствовонием широко известных первичных измерительных телодиг.аг/оме'!; пческих систем,проблема научного обоснования и конструкторских разработок новых типов датчиков усилий является вачшой и актуальной.

иэлыо диссортаиконнс?. работы является исследование и разработка надежного и экономичного,имевшего сравнительно низкую стоимость,малое энергопотребление и невысокие эксплуатационные затраты,первичного измерительного преобразователя усилий с электрическим выходом,обладающего достаточно высокими метрологическими характеристиками и кассгабаритными показателями.

Объект исследования.Механизм силочувствительности датчика усилий на основе связанных резонаторов.

Научную новизну составляют: -математическая модель первичного измерительного преобразователя усилии на основе связанных резонаторов;

-способ »измерения усилий,основанный ка модуляции

коэ№щиьшта связанности резонаторов; -метод и устройство,позволяющие минимизировать влияние .нестабильности пьезокерачики на точность измерений в пьезоэлектрических датчиках усилий.

Новизна технических решений подтверждена авторским свидетельством.

К защите представлены: -аналитические зависимости,описывающие механизм сило-чувствительности датчика усилий на основе связанных резонаторов;

-способы повышения метрологических характеристик датчиков усилий на основе связанных резонаторов; -оптимальные конструктивные и схемные решения для первичных измерительных преобразователей и датчики усилий на их основе.

Практическая ценность работы.Разработанный способ измерения усилия дал возможность осуществить новые рациональные технические решения в области создания датчиков усилий с электрическим выходным сигналом. Применение созданных датчиков усилий позволяет увеличить точность,стабильность,чувствительность,надежное !Ь по сравнен;м с существующей ампли ¿удкымя пьезорезснансными датчиками усилий и екпзи-. ь затрат:;

на изготовленно и эксплуатацию силоизыерительной аппаратуры.

Реализация и внедрение результатов работы.Датчики усил;::; .разработанные в результате диссертационных исследований,внедрены на предприятиях города Барнаула: Алтайском заводе агрегатов ¡Барнаульском станкостроительном заводо.Результаты научных исследований используются в учебном процессе.

Апробация работы.Основные положения работы била доложены к обсуждены на двух всесоюзных научно-технических конференциях и совещаниях: Всесоюзном совешании"Координатпо-чуЕстБителыше фотоприемники и оптико-электронные устройства /¡а их основе", г.Барнаул,1981г;

Всесоюзной научно-технической конроронцик"Изморвния и контроль при автоматизации производственных процессов", г.Барнаул,1532г.

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на ка)одре Информационно-измерительной техники Алтайского политехнического института им.И.И.ПолзуноЕа в 1992 году.

Публикации.По результатам выполненных исследований получено аиторское СЕИдетольство на изобретение и опубликование 6 печатных работ.

Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения.трех глав с выводами.заключения,изложенных яа 1.34 страницах машинописного текста,списка литературы, включающего 117 наименований и приложений.Кроме того,в работе имеется 66 рисунков, 11 табл:щ.

Содержание работы.

Во вводонии обосновывается актуальность тени диссертации,приводглся практические и теоретический цели исследования,даотся общая характерно гика работы.

В первой главе на основе классификации и анализа суще-ствуших да.чпков усилий с электрическим выходным сигналом обоснован выбор амплитудного пьоаореэонансиого датчика усилий/ЛШ'Д/',состоящего из акустичоск.: связанных ¡юзо-нато^в, определены основные направления совершенствования АПРД,обоснована целесообразность создания логометричоского варианта датчика усилий.Сравнительный илал;:з на основе класси+шушли существующих датчиков усилий по модулируемому параметру эквивалентной элоктрической схемы замещения ГОШ показал,что с одной стороны пьезорезоиаленыо датчики обладают максимальным набором модулируемых параметров: ЗДС/Е/;величина акустических иотерь/А/;электричзская емкость/Г/;податливоеть/^/.С другой стороны,резонаторные ШШ обладают высокими метрологически.'/.', характеристиками и хорошей сопрягаемостыо с с не темами управления и обраЗот-ки показаний.При использовании в качестве резонаторов пьезоэлементов упрощается конструкция преобразователя и повышается точность измерений,а использование пьезоэлектрических трале-орыаторов на основе сравнительно недорогих пьезокерамическнх материалов подставляет уникальную возможность создания амплитудных ПРД без преобразования частоты в напряжение и дополнительного усиления.Таким, образом,из всего многообразия рассмотренных датчиков усилий с электрическим выход!;ым сигналом наибольплй

интерес представляет создание амплитудных ПРД усилий с использованием пьезокерамических материалов.Исследования существующих АЛРД усилий позволили формулировать следующие основние направления их совершенствования:

-улучшение технических характеристик на основе результатов исследований их математических моделей; -соверпенствовашш ыотодов компенсации температурных погрешностей и снижение влияния .¡актора старения пьезокераыики на точность измерений; -использование многорезонаторных ПИП для создания ди:;]еренииальных схем;

-применение пьезоэлектрических транс «орматоров/ИЯ/ в ГОШ с целью повышения чувствительности датчика; -поиск путей снижения влияния на точность измерений акустических потерь колебательной системы датчика.

Ь резонансных датчиках усилий получила широкое применение дифференциальная схема включения ПИП.Однако, практическая реализация ди-ЭДеронциального варианта а\:пли:уд1;ого ПРД сопряжена с определенными трудностями,например,необходимость») подбора идентичных пьезо-элементов.

Значительно больший положительный эМект можно получить измеряя не разность,а отношение выходных напряжений акустически связанных ШТ.Так как ШШ представляет ед1шую колебательную систему,то отношение выходных напряжений ШТ пропорционально коэффициенту распре-

деления амплитуд колебаний связанных резонаторов

е

где А - коэффициент,учи/ывагииЯ неидентичпость пьезо-элемонтов.

Очевидно при этом,что влияние акустических потерь и нестабильности пьезокоракики на точность измерений минимально,так как пьезоэлементы изготовлены из одного материала и находятся в одинаковых условиях.Основной задачей теоретических исследований является установление аналитической зависимости,характеризующей механизм сило-чувстви.ельности преобразователя.

Во второй главе исследована математическая модель ШП усилий,состоящая из связанных резонато]юв,описан механизм силочувствигольности и определены пути повышения метрологических характеристик преобразователя.

При создании резонансных датчиков одной из основных является проблема акустической развязка колебательной системы преобразователя с элаыентгми конструкции,если приншш работы датчика не основан непосредственио на модуляции величины акустических потерь. Для низкочастотных пьозорезонанскых ГПШ одним из способов спилеккя акустических потерь является использование дискового пьезоэлемента,возбут.дармого на резонансной частоте радиальной моды колебаний. Измеряемое усилие прикладывается в центр диска и по периметру,например, через ко.\:-зсую опору.Так как по периметру диска а-.злигуда радиальных колебаний максимальна,то величина акустически потерь в жеиш конструкции играет существенную роль в механизме сплочувстгателъности датчика и ягляетсл одной из сснов;:н:: составляющих погтеижссгн изметений.

С целью минимизации акустически- потерь пхедлагасюя

конструкции ГЕ'Л,состоящая из двух дисковых резонаторов, яестко соединенных мезду собой по периметру через элемент св-'зи.Колебательная система,состоящая из двух связанных резонаторов имеет,как минимум,две резонансные частоты: синфазных и противогазных колебаний резонаторов. При возбуждении синфазных колебаний в центрах дисков образуются узлы колебаний.что обеспечивает акустическую развязку преобразователя с элементами конструкции датчика.При противо1азных колебаниях возникают изгибные колебания резонаторов.Выполнение ШШ с сооласованными размерами обусловливает сильную связь радиальных и из гибких колебаний:

= -¡г }

где - толщина элемента связи;

толщина пьезоэлемента;

Ц,- радиус пьезоэлемента;

I - номер обертона изгибных колебаний. i результате анализа механической колебательной системы

были порчены аналитические зависимости для отношения шчодных напряжений преобразователя при возбуждении на «езонаненнх частотах син-и противогазных колебаний распаторов: — й ^ V >

иг " ' $ - — СГ '

_ __£»/ Л» У_! ^И СГ- У

Ы.% ¿м V И'" ' ~'*1п'-пЦ

а ^ - коэффициент распределения амплитуд колебаний резонаторов; В - коэ1-;нцпент неидьнгичвс'.и пьезоэлемонтов;

парциальные частоты преобразователя; р - коэ.-^ицкеат акустической связи;

Внга;коэМншшнт Пуассона пьозоэлеыента первого/второго/.

К'акисыальнал стабильность коэКиииента неидонтичности пьезоэлемонтов/^'/во времени и при воздействии деста-бшвшцуютих Факторов достигается использованием пъезорезонаторов из одной партии изготовления. Влияние диссипативных потерь на коэффициент распределения амплитуд колебаний и сдвиг 1аз выходных. напрнхекий пьезо-элеыентов/ К /можно оценить по приближенным формулам:

где парциальные коэффициенты затухания колеба-

тельной системы преобразователя. Например,для пьезокоремики ЦТС-19 относительное изменение коэффициента распределения амплитуд колебаний при изменении добротности одного из резонаторов на 30 процентов составляет 1 процент,а для ЦХ 23 - 0,25 процента. Изменение коэффициента связанности /б"/в ч-уккшш измеряемого усилия обусловливает изменение коэффициента распределения амплитуд колебаний.Механизм силочувствительности датчика исследуется путем анализа упрощенной эквивалентной электрической схомы замещения преобразователя/Рис. 1/. Математическое моделирование колебательной системы преобразователя осуществлено по методу электромеханических аналогий.Акустическая связь мезду резонаторами характеризуется коэффициентом упругой связи/

где с - кокет.:ук:иБНЫй параметр преобразователя,

соответствующий обертону изгибных колебаний

при резонансе на радиальной модо колебаний;

К } ки - эквивалентные радиальный и изгибкой

коэМнциенты упругости.

В реальных условиях значение С не соответствует пелоку

числу: . _ и),

L ~ ÖJZ >

где cj,- обертон изгибных колебаний;

сои - основная резонансная частота изгибных колебаний преобразователя. Нормальная частота cot соответствует противогазным колебаниям розонаюров.

Нормальная частота сни.Тазных колебаний ¿^соответствует радиальной моде колебаний ПИП:

СОг = tlo ' ~ ,

V/ + М'/гтя

где w«,/4r кассы элемента саязи и пьезоэлемента;

По - частота свободных колебаний резонатора. Лля связанных радиальных и изгибных колебаний:

Коэффициент связанности /в"/можно представить в виде:

о ~ -¿т t 1Г >

где р - коэффициент относительной расстройки парциальных частот колебательной системы ПШ. Механизм силочувствительнсстн преобразователя заключается в модуляции коэТ.-пциек/а акустической связи/ за счет изменения эквивалентной жесткости колебательной системы ГйЯ/Х/в .'уышпи изг/.ерлекого усилия//-"/.'

К = Кв t AK^af, ¿К = c(s*F)"

где исходная эквивалентная жесткость преобразо-

вателя;

г^и^ацение коэффициента уврутости преоб])аэс-вателя за счет внутренних напряжении под действием усилия//" /; иМ* - приращение коэфп'.ииета упругости преобразователя за счет контактной жесткости с элементами конструкции; а, с - ко^"'1нциенти пропорциональности; т - коэ$,;шиен:,характеризующий геометрические и Физические свойства контакта//«<//; - Фактическая площадь контакта. КоэМициент связи резонаторов зависит от величины измеряемого усилил

Р ~ О '

где Й/С~ коэффициенты пропорциональности/ й * 1 + 21*.

При возбушэнии протиБо1азнцх колебаний/^// в центральной области преобразователя образуется"пучиссть" изгибных колебаний,что обусловливает высокую силочувствительность датчика.

Лля отно-ения выходных напряжений ГСШ можно записать

(%)« -в л, х -р(о +[1 <¡>>(0 ^г+аггуу

Величина коэффициента относительной расстроен парциальных частот//3/определяет крутизну нагрузочной характеристики датчика ус!Ш1й.Козф<?ициепт распределения амплитуд

и

колебаний можно выразить через разности нор/альних /л со/ и парпиальних/л П /частот:

Физический смысл механизма силочувствительности заключается в следукаом.

Д—I I-1 I--

■■ Сч_ ^ I

Рис.1.'.квивалентиая электрическая схема занесения преобразователя.

и.

(О, л, к, и>х

Рис.2.АЧл птеобгазсвателя. £ ' *

о е.

1р

>,г

к<< кг

-- 1- X 1 н„ | 1 - _

/| 1 Г ! \7 /Тр-|/£

■ |

-

Н

но

Гис.З.Нагрузочные характеристики преобразователя.

1Z

Под воздействием приложенного к преобразователю усилия возрастает кесткость резонаторов,в результате чего уменьшается акустическая связь,что сопровождается сближением нормальных частот/<У,/^¿/рис.гЛак как парциальные частоты преобразователя не равны,то происходит перераспределение колебательной энергии в пользу резонатора, ю.:едазго более близкую парциальную частоту. Максимальный диапазон изменения коэИ иш'.ента распределения амплитуд колебаний ограничен его предельными значениями:

fj + VF , если 10,-11, у шА=-1гг

* 1 t , если п, = ftf. Таким образом,теоретически диапазон изменения выходного параметра датчика составляет ¡5*141 процент. Если зависимость т раздет механизм силочувстви-

тельпости, »о зависимость определяет крутизну

и линейность нагрузочной характеристики датчика:

дп =АКо * C^V

где 4/1.-"исходная" разность парциальных частот;

Srtf- приращение разности парциальных частот, обусловленное величиной усилия F•

Сочетания перечисленных факторов определяют многообразие нагрузочных характеристик преобразователя/Рис.3 /,

где <ii\Hflприращения разности парциальных частот

за счет неидентичности изменения контактной жесткости и коэффициентов упругости резонаторов.

Исходную" разность парциальных частот/¿/>,/можно регулировать,например,заземлением части обкладки пьезоэлемента

ил): за счот"подвозбужденил": /—/ ,

¿\

ело площади обкладок возбуждения п^езоэлементов;

-"исходное" и требуемое значения коэффициентов распределения амплитуд колебаний. В работе дана теоретическая опенка составляющих инструментальной погрешности и влияния дестабилизирующих (акторов на точность измерений.

3 третьей главе отражены наиболее ваченые результаты экспериментальных исследований разработанного ПИП усилий. Основными задача!.:;; при этом являлись:

- экспериментальная проверка тео!>отических положений;

- определение оптимальных конструктивных и схемных рсвений.с целью повышения силочувствитольности и линейности нагрузочной характеристики преобразователя;

- исследование влияния дестабилизирующих '¡лкторов на точность измор-зний;

- изготовление преобразователя и практическая реализация на его базо датчика усилий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом выполненного комплекса научных исследований -1лось создание теоретической базы для разработки и тического использования датчиков усилий на основе тзанкых резонаторов.Основные результаты диссертационных ¡ледований заключаются в следующем: ..На основе анализа математической модели 1Ш описан ■аакзк сплочувствнтельности датчика,определены пути

повышения чувствительности и линейности его нагрузочной характеристики.Способы повышения температурной и временной стабильности измерений.

2.Определены оптимальные геометрические и электрические параметры и режим работы ПИП.

Экспериментально подтверждены результаты теоретически? .исследований.

4.Разработанный датчик усилий внедрен на промышленных предприятиях г.Барнаула.

вывода

^Использование коэффициента распредолошш амплитуд колебаний связанных резонаторов в качестве выходного параметра ПИД позволяет значительно повысить метрологические характеристики амплитудных пьезорезонансных датчиков усили!

2.Наиболее оптимальным конструктивным решением ГШ на основе связанных резонаторов является колебательная система с согласованными размерами.

3.В основе механизма силочувствительности разработанного П1«образователя усилий лежит модуляция коэффициента связанности резонаторов.

■ 4.Применение в ПИП на основе связанных резонаторов пьезокарамических материалов позволяет создавать экономичные, надежные датч!!ки усилий с достаточно высокими метрологическими характеристика:/;!.

5.Первичный измерительный преобразователь с согласованными размер®-л,состоящий из двух акустически связанных резонаторов моч.ет быть использован для разработки датчиков различных .¡изических величин.

Оеьовное содерзшнпе диссертации опубликовало в следую-лх работах.

1. Се дал;: ко в В. II. Акустическое соединение пьезоэлектрических хшсторматоров.-В кн. :Координатно-чувствителыше фотопри-лшки и оптико-электронные устройства на их основе:Теэ. >кл.Всесоюзного совещания.-Барнаул,1981,ч.2.с.147-149.

2.Содалитав В.Н.Фазочастотные характеристики двух ■устически связанных пьезоэлектрических трансформаторов, м яе.с. 1-19-151.

3.Седалпщов В.Н.Аг. ал::тудко-чгг-'оп.пт характяр^сппа ко ш-тельной системы,состоящей из двух акустически связанных Т.-В кн.¡Элементы оптоэлоктронянх устройств Межвузовский орник.-Барнаул, 1981 ,с. 1'. 7-j."9.

<1.Седал!'.щев В.П..Ситников А.П.О применении устройства, зтояжего из двух акустически связанных ГОТ в качестве зэбразователя усилий.-В кн.Измерение и контроль при томатизашш производственных процессов:Тез.докл.Всесоюзн. ¡....-Барнаул, 1982,ч. 2. с. 224-2 26. ■ .

».Седалищев 'B.II..Масленников С.В.Эквивалентная электри-:кал схема замещения преобразователя усилий,состоящего двух акустически связанных ПЫ.Там же.ч.3.с.63-65. ..Седатищев З.Н.Дежнев А.И.Обзор нагрузочных характе-тик преобразователя статических усилий для различных !■: включения двух акустически связанных ШТ.Там же. 9-62.

A.C. 11С1562/СССР/.Устройство для измерения усилий, ьков П.И..Седалищев В.Н. 1985.