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 = f ₀[1+ K ₁(Θ– Θ₀) +K ₂(Θ– Θ₀) ²+K ₃(Θ– Θ₀)³],

приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Коэффициенты термочувстви­тельности

Тип среза	К 1, 10^-6К^-1	К 2, 10^-9 К^-2	К 3, 10^-12К^-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 f ₀ и типа среза термочувствительность датчиков составляет S _Θ =D f/ 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 D f/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 D f/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 D Р = 7 Па (10^-7 предела измерения).

В заключение следует сказать, что лучшие линзовые тензочувствительные резонаторы характеризуются следующими параметрами: но­минальным изменением частоты D f/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:

D f/f = –r' h′ /(r h),

где r и h – плотность и толщина пьезоэлемента.

Если предположить, что исследуемые вещества сорбируются по всей поверхности дискового резонатора, то из этой формулы следует

D f/f = – D m/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 D m =(10^-6 ¸ 10^-7) r h =(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.