МИНИАТЮРНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ
В.В. Безделкин
Представлен обзор отечественных кварцевых миниатюрных пьезорезонансных чувствительных элементов, резонаторов и преобразователей для датчиков давления и температуры. Даны их номенклатура и характеристики. Рассмотрены основные зарубежные разработки миниатюрных резонаторов, а также перспективные направления исследований.
В работе [1] кратко рассмотрены различные типы пьезорезонансных чувствительных элементов (ПРЧЭ) для пьезорезонансных датчиков различного назначения. Из них наибольший интерес представляют миниатюрные, в частности, микрокамертонные ПРЧЭ. Увеличение числа разработчиков пьезорезонансных датчиков и их пользователей вызвало необходимость более полного рассмотрения номенклатуры и характеристик выпускаемых микрокамертонных ПРЧЭ и преобразователей на их основе, а также работ по созданию других типов миниатюрных ПРЧЭ и резонаторов для датчиков.
ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ МИКРОКАМЕРТОННЫХ ПРЧЭ
При изготовлении датчиков применяют два типа микрокамертонных ПРЧЭ [2,4]: в датчике температуры — камертон с изгибными или крутильными колебаниями ветвей, в тензодатчике — сдвоенный камертон (double-endet-tuning-fork, DETF), представляющий собой единую конструкцию из двух, соединенных противоположными ветвями, простых камертонов, совершающих изгибные колебания [2]. Микрокамертонные резонаторы применяются в разрабатываемых НИИТеплопри-бором датчиках и контрольно-измерительных системах [3].
В настоящее время в распоряжении разработчиков имеются серийно выпускаемые кварцевые термочувствительные микрокамертонные резонаторы следующих типов:
• термочувствительные резонаторы РКТ-206 с частотой 30...36 кГц в цилиндрическом металлическом корпусе размером 02x6 мм, работающие в диапазоне температур —196... + 100 °С;
• высокотемпературные термочувствительные резонаторы РКТВ-206 на частоту 30...33 кГц в корпусе 02x6 мм для диапазона температур от ^60 до 180 и 270 °С;
• опорные микрокамертонные резонаторы на частоту от 25 до 260 кГц в корпусе 02x6 мм на рабочий диапазон температур ^40...+80 °С. Опорные микрокамертонные резонаторы РКЭДб-И на частоты в диапазоне 32...270 кГц в корпусе 02x6 мм изготовляются для генераторов разностной частоты с микрокамертонными ПРЧЭ.
Основные габаритные, электрические и динамические характеристики термостабильного (опорного) резонатора и термочувствительных микрокамертонных резонаторов представлены на рис. 1 и в табл. 1.
Резонаторы РК206-Ы применяются в качестве опорных резонаторов в измерительном инструменте и других электронных устройствах.
Резонатор РКТ206 предназначен для преобразования текущих значений температуры в частоту. Температурно-частотная характеристика термочувствительного резонатора с высокой точностью описывается полиномом 3-й степени:
/т ~ АХ(Т- То) + / - То)2 + + <Ы'г- Т0)\
где /<х — частота резонатора (Гц) при текущем значении температуры Т С); ^ — частота резонатора (Гц) при опорном значении температуры То (°С); То — опорное значение температуры; для
Рис.1. Внешний вид кварцевого микрокамертонного термочувствительного ПРЧЭ и опорного (термостабильного) резонатора
Характеристики миниатюрного кварцевого опорного резонатора РК206-Ы на частоту 32...270 кГц
Параметр Значение
Диапазон рабочих частот, кГц От 32 до 270
Диапазон рабочих температур, "С От -40 до +80
Динамическое сопротивление, кОм Не более 50 на частоте от 32 до 50 кГц Не более 40 на частоте от 50 до 60 кГц Не более 30 на частоте от 60 до 270 кГц
Статическая емкость, пФ 1,2 ± 0,2 на частоте от 32 до 50 кГц 1,0 ± 0,2 на частоте от 50 до 270 кГц
Мощность, рассеиваемая на резонаторе, мкВт I
Точность настройки при температуре (25 ± Ю) "С, Д///н ± 50- Ю-6
Относительное изменение рабочей частоты резонатора Д///н в течение I года и Ю лет хранения, не более ±5- 10_6 и ±20- Ю-6
Максимальное относительное отклонение частоты в диапазоне рабочих температур, Д///н 200- Ю-6
Устойчивость к вибрации (от Ю до 2000Гц с ускорением Ю§ в течение 8 ч), Д///н ±5- Ю-6
Устойчивость к однократным ударам с ускорением от 0 до 5000§ при длительности 0,2 мс, Д///н ±5- Ю-6
То = О °С коэффициенты полинома А\ = —1,811 + + 0,06 "С-1; Л2 = -0,0028 ± 0,0001 Л3 =
= 7,6 • Ю-6 °С~3.
На основе терморезонаторов РКТ206 разработаны и производятся цифровой медицинский термометр, электронные цифровые и аналоговые регуляторы и термометры общепромышленного назначения на диапазон температур от —50 до 100 °С класса точности до 0,05.
Температурно-частотные характеристики (ТЧХ) высокотемпературных резонаторов РКТВ206 и РКОВ206 описываются полиномом 2-й степени (при этом оговаривается, что при заказе для получения большей точности возможно представление ТЧХ полиномом третьей степени и определение коэффициента 3-го порядка):
/V = /о + Л,(Г- То) + л2(Т- То)2 ,
где FJ — частота резонатора (Гц) при текущем значении температуры Т (°С); — частота резонатора (Гц) при опорном значении температуры То (°С).
Электрические, динамические и эксплуатационные характеристики ПРЧЭ типов РКТ206, РКТВ206, РКОВ206 представлены в таблицах 2—4.
Таблица 2
Электрические и динамические характеристики кварцевых термочувствительных резонаторов при температуре+37 °С
Тип резонатора
Параметр РКТВ206 и
РКТ206 РКОВ206
Номинальная частота От 32000 От 32000 до
колебаний резонатора. до 36000 36000
Гц
Точность настройки. ± 50- Ю-6 ± 150- Ю-6
4/7/н
Динамическое сопро- 80 75
тивление, кОм
Статическая емкость С0, 1,3 ± 0,2 1,3 ± 0,2
пФ
Емкостной коэффици- 870 ± 100 900 ± 100
ент, Сд/С)1'
Старение резонатора за ± 5- Ю-6 -
год хранения, Д///н
Гистерезис температур- 0,05 -
но-частотной характеристики, %
Мощность.рассеивае- 1 3
мая на резонаторе, мкВт
11 С) — динамическая емкость
Резонаторы кварцевые термочувствительные РКТВ206 и РКОВ206 с пьезоэлементом камертонного типа предназначены для преобразователя текущих значений температуры в частоту. На основе терморезонаторов РКТВ206 и РКОВ206 производятся электронные термометры и терморегуляторы с аналоговым и цифровым выходом класса точности до 0,1%.
Для создания датчиков, использующих тен-зочувствительный эффект в кварце, разработаны и серийно выпускаются миниатюрные тензочув-ствительные пьезоэлементы на основе сдвоенного камертона в бескорпусном исполнении, работающие на частоте 40 кГц. Основные характеристики этих ПРЧЭ представлены в [1]. Относительное изменение частоты этих ПРЧЭ в течение срока сохраняемости составляет ±15 • Ю-6. Относительное изменение силовой чувствительности в течение срока сохраняемости —0,5 %.
Однако крепление такого ПРЧЭ в преобразователь, который обычно выполняется в виде мембраны или штока из стали марок НХТЮ, обычно связано со значительными трудностями. Несогласованность кварца с элементами конст-
рукции преобразователя приводит к потере таких уникальных свойств ПРЧЭ как высокая «кварцевая» чувствительность и стабильность в интервале температур и во времени. Решением этого вопроса во многих случаях является разработка конструкции преобразователей, состоящих из кварцевого ПРЧЭ, установленного в кварцевом корпусе с мембраной.
Для создания различных типов датчиков изготовляются преобразовательные кварцевые тен-зочувствительные (барометрические) ячейки и кварцевые блоки избыточного и абсолютного давления для преобразования давления в частоту:
— блок резонаторов кварцевых манометрических БРКМ-Р на частоту 40...45 кГц с верхним пределом давлений 0,1...25 МПа в кварцевом корпусе 25x23x4,24 мм на диапазон температур -40...+80 °С;
— резонатор кварцевый манометрический абсолютного давления РКМА-Р на частоту 40...44 кГц с верхним диапазоном давлений 0,1...60 МПа в кварцевом корпусе размером 25x23x2,8 мм на диапазон температур —40... +80 °С
Таблица 3
Динамические характеристики ПРЧЭ типов РКТВ206 и PKOB2Q6
Значение резонатора Интервал рабочих температур Опорное значение температуры г0.°с Линейный коэффициент, ¡/'С Коэффициент 2-го порядка А2, 1/°С~2
РКТВ 206А От -50 до ISO 0 — 1.76 ± 0.1 —0.00310 ± 0,0001
РКОВ 206(А-В) От -50 до (400) 25 ± 5 -0,00120 ± 0,0001
РКТВ 206Б От -50 до 270 0 — 1.76 ± 0.1 -0,00310 ± 0,0001
РКТВ 206В От -50 до 370 0 — 1.76 ± 0.1 -0,00310 ± 0,0001
Параметр Условия эксплуатации Изменение параметра (Д///н) для резонаторов типа:
РКТ206 РКТВ206 PKOB2Q6 РКТ206 РКТВ206 РКОВ206
Интервал рабочих температур, "С От -50 до 100 — —
Предельная температура работоспособности От -269 до +125 От — 269 до температуры, указанной в табл. 3, +15 "С ± 5- Ю-6 ± 5- Ю-6
Виброустойчивость От 10 до 2000 Гц, ускорение 10§ в течение 8 ч ± 5-10_6 ± 7 - 10_6
Устойчивость к однократным ударам С ускорением от 0 до 5000§ при длительности 0,2 мс ± 5- Ю-6 ± 5- Ю-6
Таблица 4
Эксплуатационные характеристики ПРЧЭ типов РКТ206, РКТВ206 и РКОВ206
23 мм
Рис. 2. Блок резонаторный кварцевый БРКМ-Р:
1 — корпус, 2— мембрана, 3 — стсклоспай, 4— крышка с отверстием (может выполняться со штуцером), 5 — проводящая дорожка, 6 — контактная площадка, 7 — пьезоэлемент, 8 — кварцевая прокладка, 9 — токопро-водящая серебросодержащая паста
— малогабаритный резонатор кварцевый манометрический абсолютного давления РКМА 0,1-2 на частоту 45...48 кГц, диапазон давлений 0,05...0,12 МПа в кварцевом корпусе размером 12,5x11,5x2,89 мм на диапазон температур —40...+60 °С Основные габаритные, электрические и динамические характеристики блока резонаторов типа БРКМ и резонаторов типа РКМА представлены на рисунках 2, 3 и в табл. 5—8. Некоторые
Таблица 5
Электрические характеристики БРКМ-Р при нормальных климатических условиях
Рис. 3. Резонатор кварцевый манометрический РКМА-Р:
1 — корпус,2— мембрана, 3— стсклоспай, 4— крышка, 5 — проводящая дорожка, 6 — контактная площадка, 7— пьезоэлемент, 8— кварцевыя прокладка, 9 — токо-проводящая серебросодержащая паста
характеристики БРКМ, указанные в [1], откорректированы в соответствии с новыми данными предприятия-изготовителя [4].
Блоки резонаторные кварцевые манометрические БРКМ-Р, состоящие из измерительного и опорного резона
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.