научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЯЗАННЫХ КОЛЕБАНИЙ В ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ДАТЧИКОВЫХ СТРУКТУРАХ Метрология

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЯЗАННЫХ КОЛЕБАНИЙ В ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫХ ДАТЧИКОВЫХ СТРУКТУРАХ»

АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

681.5.08(075.8)

Использование связанных колебаний в пьезорезонансных датчиковых структурах

В. Н. СЕДАЛИЩЕВ

Рассмотрены принципы построения пьезорезонансных датчиковых структур на основе модуляции параметров связанных колебаний. Приведены примеры конструктивного исполнения датчиков.

Ключевые слова: колебательная система датчика, модулируемые параметры связанных колебаний, взаимодействие пьезорезонаторов.

Principles of construction of piezoresonant sensor structures based on modulation of coupled oscillation parameters are considered. The examples sensors of construction implementation and description of sensitive mechanism are presented.

Key words: sensor oscillation system, modulation of coupled oscillation parameters, interaction of piezoresonators.

Пьезорезонансные датчики (в дальнейшем ПД) применяются для измерения электрических и неэлектрических величин [1]. С целью повышения точности измерений используют дифференциальные схемы включения двух резонаторов, при этом стремятся обеспечить акустическую развязку между ними и элементами конструкции датчика.

Принцип действия разработанных ПД на связанных колебаниях основан на модуляции условий взаимодействия между частями сложной колебательной системы первичного преобразователя измеряемой физической величины. Чувствительные элементы таких датчиков состоят из одного или нескольких пьезоэлементов, составных пьезорезона-торов, звукопроводов, согласующих элементов и других устройств. Усложнение конструкции ПД и режимов их работы позволяет улучшить метрологические характеристики, расширить функциональные возможности и область применения. Использование связанных колебаний в ПД-структурах обусловливает дополнительную нелинейность функции измерительного преобразования, что позволяет или реализовать режимы слабосвязанных колебаний для повышения чувствительности измерений, или осуществить режим сильносвязанных колебаний как способ передачи измерительной информации по каналу акустической связи между резонаторами.

В качестве измеряемых параметров амплитудных, фазовых и частотных ПД на связанных колебаниях можно использовать глубину амплитудной модуляции тх, частоту биения колебаний Об, число импульсов за период биения колебаний Мб, разность числа синфазных и противофазных импульсов за период биения колебаний АМб, число импульсов за время вхождения системы в синхронизм Мс, отношение амплитуд х, разность фаз Аф синхронизованных колебаний и т. п.

Как известно из теории колебаний [2], получение точных аналитических зависимостей, описывающих режимы связанных колебаний в системах с конечным числом степеней свободы — достаточно сложная задача. Использовав методы

математического анализа колебательных систем с двумя степенями свободы, применяемые в измерительной технике (см., например [3—5]), можно получить упрощенные формулы, необходимые для описания механизмов чувствительности датчиков данного типа:

■f"

Q6 = Дю-^ 1 - X2 ; N6 =

1

ДМ =

2 П

arctg

Л-х2

1 ±-/l + X2

Nc =-

Ф = 2arctg

I

X-1 ; X+1;

X =

2Í;

И)

cos Ф,

где Дю — абсолютная расстройка собственных частот резонаторов; X — обобщенный показатель согласования взаимодействующих колебательных подсистем; у — коэффициент связи; £, — относительная расстройка частот резонаторов.

Коэффициент X удобен для инженерных расчетов и функционально зависит от измеряемого воздействия x. Коэффициент нелинейности функции измерительного преобразования y = f(x) определяет соотношение чувствительнос-тей нелинейного (SH = ду/ дх) и линейного = у / х) режимов работы датчика

K _ ду / дх _ Sh K у / х вл ■ где y — выходной сигнал датчика.

На зависимости Кн от X, приведенной на рис. 1, можно выделить три режима работы измерительного преобразователя, которые определяют основные метрологические характеристики и область применения ПД-структур.

При дифференциальном варианте отсутствует взаимодействие между резонаторами (X = 0), что обусловливает ли-

Рис. 1. Зависимость коэффициента относительной чувствительности датчика от степени взаимодействия между резонаторами

Рис. 2. Структурная схема пьезорезонансного

датчика усилий: 1, 3 — пьезоэлектрические трансформаторы; 2 — элемент связи; 4 — генератор; 5 — дополнительные обкладки элементов

диальных автоколебаний пьезорезона-торов (рабочая частота 65 кГц), которые имеют относительную расстройку собственных частот, не превышающую значение коэффициента связи (£, < у), происходит дополнительная синхронизация с третьей модой изгибных колебаний пьезоэлементов. Под действием усилия F изменяется коэффициент связи у, что вызывает перераспределение колебательной энергии между взаимодействующими резонаторами, в результате чего изменяется отношение выходных напряжений, снимаемых с дополнительных обкладок пьезоэлементов (Ц;

ц

зования у вид

2). Функция измерительного преобра-: ^ (х) в данном случае имеет

нейный режим работы датчика (Кн = 1). Степень усиления измеряемого сигнала определяется только добротностью резонаторов.

При слабом взаимодействии между резонаторами (X ~ 1) реализуется нелинейный высокочувствительный режим связанных колебаний >> Sл), что позволяет осуществить дополнительное повышение чувствительности измерений в Кн раз.

При реализации режима сильной связанности (X >> 1) в результате измеряемого воздействия происходит пропорциональное изменение амплитуд связанных колебаний, поэтому данный режим можно использовать для создания составных пьезорезонаторов или как способ передачи измерительной информации от резонатора, играющего роль чувствительного элемента датчика, к удаленному пьезорезо-натору — приемнику. Согласно теории колебаний даже при слабой связи между такими резонаторами взаимодействие может быть достаточно сильным, если при этом будет мала относительная расстройка резонансных частот (X >> £,). Режим сильно связанных колебаний удобно использовать, например, при необходимости выноса пьезорезонатора из рабочей зоны с высокой температурой рабочей среды, при наличии механических воздействий на резонатор, пожаро- и взрывоопасности среды и т. п.

В качестве модулируемых параметров колебательной системы измерительного преобразователя можно использовать относительную расстройку частот £,, коэффициент акустической связи у, отношение амплитуд колебаний х или разность фаз колебаний Аф.

К настоящему времени разработаны и внедрены разнообразные конструкции ПД на связанных колебаниях и волнах, используемые для измерения усилий, давлений, микроперемещений, скорости потока, вязкости, уровня и т. п. При этом элементом акустической связи между взаимодействующими пьезорезонаторами служат как непосредственно измеряемая среда, так и специальные дополнительные устройства.

В качестве примера на рис. 2 показана структурная схема датчика [6], предназначенного для измерения малых усилий (0—10 Н). Два дисковых (30 ■ 3 мм) пьезоэлектрических трансформатора жестко соединены между собой по периметру через элемент связи, выполненный в форме кольца толщиной 2 мм. Измеряемое усилие F прикладывается в центры дисков, что обеспечивает достаточно хорошую акустическую развязку с элементами конструкции датчика. При возбуждении с помощью генератора 4 противофазных ра-

^2

и, х '

1 + Л1 + X2

х=!; у = 1 (Я).

Режимы связанных колебаний пьезорезонаторов были реализованы также в ПД контроля параметров жидких и газообразных сред. На рис. 3 представлен ультразвуковой од-ноканальный способ измерения скорости потока [7], основанный на использовании высокочувствительного режима взаимодействия пьезорезонаторов через измеряемую среду. Принцип работы устройства заключается в следующем: скорость потока среды V создает дополнительный сдвиг фаз связанных колебаний Аф, в результате чего изменяется коэффициент взаимодействия X. В качестве выходного параметра используется отношение разности числа синфазных и противофазных колебаний к их сумме. В данном устройстве реализуется асинхронный режим биения колебаний с частичным захватом частот. С целью сохранения высокой добротности резонаторов ^ >> 1) необходимо обеспечить слабую акустическую связь (у = 1 / Q).

В серийно выпускаемом датчике уровня сыпучих материалов, представленном на рис. 4, используется режим связанных колебаний с целью создания высокочувствительных составных резонаторов и как способ передачи измерительной информации через канал акустической связи между ними.

Первичный измерительный преобразователь датчика имеет сложную конструкцию и состоит из резонатора в виде металлической пластины, контактирующей с измеряемой средой, и удаленного, акустически связанного с ним через металлический стержень, составного пьезорезонатора, подключаемого к электронному блоку датчика.

Измерение уровня сыпучих материалов основано на реализации функциональной зависимости потерь колебательной энергии металлического резонатора от фактической площади акустического контакта с частицами сыпучего матери-

2

П.

3

П.

Рис. 3. Пьезорезонансный датчик скорости потока: 1, 4 — генераторы; 2, 3 — пьезорезонаторы

снимаемое с дополнительной обкладки пьезоэлемента 3. Чувствительность датчика определяется соотношением геометрических размеров резонатора 1.

Устройство предназначено для эксплуатации в особо тяжелых условиях работы, например в системах золоудаления тепловых электростанций (высокая температура, вибрации, удары, абразивность среды и т. п.).

Разработанные ПД на связанных колебаниях могут найти применение в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, при проведении научных исследований. К достоинствам датчиков данного типа можно отнести высокую чувствительность, простоту конструкции, низкую стоимость и надежность при эксплуатации.

Л и т е р а т у р а

1. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. — М.: Энерго-атомиздат, 1989.

2. Мигулин В. В. и др. Основы теории колебаний. — М.: Наука, 1988.

3. Демьянченко А. Г. Синхронизация генераторов гармонических колебаний. — М.: Энергия, 1976.

4. Болознев В. В. Функциональные преобразователи на основе связанных генераторов. — М.: Радио и связь, 1982.

5. Полулях К. С. Резонансные мето

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.

Показать целиком