Преобразователь пьезоэлектрический

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Наименование изделия, назначение и область применения

1.1 Наименование: Преобразователь пьезоэлектрический

1.2 Назначение и область применения:

определение параметров функционирования системы организма путем изменения силы.

2. Основания для разработки

Задание на курсовую работу по дисциплине «Теория измерений» согласно учебному плану специальности 200101 «Приборостроение».

3. Цель разработки:

Целью разработки является практическое приложение вопросов «Теории измерений» к задачам системо-технического проектирования измерительных устройств.

4. Источники разработки:

методические указания, информация, полученная в сети Интернет, техническая документация на изделия подобного назначения, данные патентных исследований.

5. Технические требования

5.1 Состав изделия и требования к конструктивному устройству

5.1.1 Состав изделия

· датчик измеряемой физической величины, преобразующий ее в электрический сигнал;

· электронный блок, конструктивно объединяющий функциональные блоки, модули и т.п.;

· средство отображения информации (отсчётного устройство);

· элементы управления и сопряжения;

· проводные линии связи, соединяющие датчик с электронным блоком.

5.1.2 Требования к конструктивному устройству

Конструкция электрического блока должна строиться на принципах системы унифицированных типовых конструкций УТК по ГОСТ 20504-81.

5.2. Показатели назначения:

Измеряемая физическая величина……………………………………сила

Пределы измерения, ?С :

нижний……………………………………………………………………...1

верхний…………………………………………………………………..102

Первичный преобразователь физической величины в электрический сигнал…………………………………... Преобразователь пьезорезонансный

Метод измерения и его разновидность…..уравновешивания следящего

Базовая (прототипная) структура реализации метода измерения:

Частотомер

Способ адаптации измерительной системы к меняющимся условиям измерения:

Аддитивная и мультипликативная коррекция

Дополнительные данные и требования:

Наряду с текущими измерениями система должна обеспечивать возможность измерения математического ожидания случайного процесса.

5.3 Метрологические характеристики

Предел основной допускаемой погрешности, не более,% .......................4

Класс точности……………………………………………...0.021/0.017

Выходной код:

вид кода……………………………………………двоичный нормальный

цена единицы младшего разряда....…………………………………..14

разрешающая способность…...…………………………………....... 714

число разрядов…………………………………………………………….9

Номинальная функция преобразования:

U=k*k*k (T)

где U- напряжение;

k1 - коэффициент преобразования термопары;

k2 - коэффициент преобразования исилителя;

k3 - коэффициент преобразования фильтра;

Т - температура.

Чувствительность аналогового канала, не менее, В/?С…………0.00625

Порог чувствительности, кг….………………………………………....14

5.4 Динамические характеристики:

Общая передаточная функция:

К (р)общ= k(р)*k(р)*k(р).

где;

k1(р)- передаточная функция термопары;

k2(р)- передаточная функция усилителя;

k3(р)- передаточная функция фильтра;

Коэффициент демпфирования (степень успокоения)………………...0.8

Переходная характеристика.………………………………………….0.04

Время установления показаний, не более, с……………………….0,16 с

5.5. Эксплуатационные характеристики

5.5.1 Нормальные условия применения (по ГОСТ 22261-82)

Температура окружающего воздуха, С……………………………….20

Относительная влажность окружающего воздуха, %........................30-80

Атмосферное давление, кПа/мм.рт.ст………………………….84-106

Частота питающей сети, Гц…………………………………………….50

Напряжение питающей сети переменного тока, при частоте 50 Гц, В220

Форма кривой переменного напряжения питающей сети…….синусоидальная

Коэффициент гармоник, не более, %.........................................................5

5.5.2 Рабочие условия применения

для группы 3 (по ГОСТ 22261-82):

Температура окружающего воздуха

нижнее значение…………………………………………………………...5

верхнее значение…………………………………………………………40

Относительная влажность окружающего воздуха…………………….90

Атмосферное давление, кПа/мм..рт.ст…………………………..84-106.7

5.6 Показатели надёжности

Наработка на отказ, не менее, часов…………………………………2000

Средний срок службы до списания, не менее, лет……………………...9

Среднее время восстановления, не менее, часов……………………..1,5

5.7 Основные технические данные

1 Коэффициент преобразования равен (132,6)103 мВ/Н.

2 Нелинейность амплитудной характеристики (АХ) в диапазоне усилий (0,05-0,3) Н не более 10%.

3 Нижняя Граничная частота, определяемая на уровне 0,7 по отношению к значению выходного сигнала на частоте 1 Гц, не более 0,2 Гц.

4 Верхняя граничная частота, определяемая на уровне 1,3 по отношению к значению выходного сигнала 1 Гц, не менее 30 Гц.

5 Уровень сигнала на выходе преобразователя в пределах ±150 мВ.

6 Напряжение питания преобразователей в пределах от ±(9±0,45) до ±(15±0,75) В.

7.Мощность, потребляемая преобразователем, не более 0,3 Вт.

5.8 Требования к безопасности

Основные элементы конструкции, органы управления, средства защиты, безопасность ремонта, монтажа, хранения - по ГОСТ 12.2.003-91, ГОСТ 14014-91, ГОСТ 22251-89.

Требования безопасности, изложенные в методической литературе, а так же требования по электробезопасности по ГОСТ 12.1.019-79.

5.9 Показатели помехозащищённости, средства и методы поверки: по ГОСТ 1014-82.



1. Основная схема типичной контрольно-измерительной системы

В терминах электроники измерительный преобразователь определяется обычно как прибор, преобразующий неэлектрическую физическую величину (называемую измеряемой физической величиной) в электрический сигнал, или наоборот. Имеются, конечно, и исключения из этого правила.

Отсюда следует, что измерительные преобразователи используются в электронных системах, т. е. в технических устройствах с электрическим сигналом, отображающим результат измерений или наблюдений. С другой стороны, измерительный преобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы, скажем, генерировать механическое движение в зависимости от электрического управляющего сигнала. Примером реализации преобразователей является справочная система, в которой микрофон (входной преобразователь) превращает звук (измеряемую физическую величину) в электрический сигнал. Последний усиливается, а затем поступает на громкоговоритель (выходной преобразователь), вос­производящий звук существенно более громкий, нежели тот, который воспринимается микрофоном.

Довольно часто измеряемая величина согласно ее определению просто измеряется электронной системой, а полученный результат только отображается или запоминается. Однако в некоторых случаях измерения образуют входной сигнал управляющей схемы, которая служит либо для регулирования измеряемой величины относительно некоторого заранее установленного уровня, либо для управления переменной величиной в соответствии с измеряемой. Несмотря на очевидное частичное дублирование измерительных преобразователей в этих двух примерах, принято различать эти области использования преобразователей, называя их соответственно контрольно-измерительное оборудование и управляющее.

На рис. 1.1, а представлены основные составляющие типичной контрольно-измерительной системы. Безусловно, не все они должны иметь место в каждом конкретном случае применения этих систем. На рис. 1.1.б изображена в упрощенном виде типовая система управления. В сущности, часть системы управления является контрольно-измерительной системой. Таким образом, в интересах настоящего доклада измерительные преобразователи и схемы сопряжения их с другим оборудованием систем (интерфейсы) следует рассматривать с общих позиций, хотя в дальнейшем будут сделаны ссылки на конкретные области их использования.

Рассматривая рис. 1.1, следует остановиться на следующих главных моментах.

Измеряемая величина -- это подлежащая измерению физическая величина, например: ускорение, перемещение, сила, расход, уровень, положение, давление, механическое напряжение, температура, скорость и т. п. В некоторых случаях измеряемой может быть и электрическая, величина, такая, как ток, напряжение или частота, которая преобразуется в электрический сигнал, пригодный для использования в других частях системы. При, этом измерительный преобразователь является электрическим преобразующим элементом.

Входной преобразователь, преобразующий измеряемую величину в электрический сигнал, -- это прибор, пригодный для использования в других частях системы. Правда, хотя входные преобразователи генерируют электрический выход, существуют, однако, среди них и такие, которые имеют другую природу выходного сигнала, например давление воздуха, но таких преобразователей немного и они здесь не рассматриваются. Преобразователи с неэлектрическим выходом применяются в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей или служат для превращения неэлектрического сигнала в электрический. Все функции преобразователей являются аналоговыми, поэтому в общем случае (за некоторыми исключениями) их сигналы также аналоговые.

Линии связи -- это линии между входным преобразователем и другой частью системы. Таких линий в строгом смысле может иногда и не быть, если, скажем, входной преобразователь размещается в нескольких сантиметрах от другой части системы. Если же он располагается на другом расстоянии от системы, то должны быть предприняты шаги к тому, чтобы линии связи не влияли либо слабо влияли на эффективность работы системы.

Там, где в системе имеются существенные линии связи, требуется один или 6oлee каскадов сопряжения сигналов, чтобы малый выходной сигнал входного преобразователя усилить, подвергнуть аналого-цифровому преобразованию, фильтрации, модуляции и т. п. Это необходимо для того, чтобы информация, выдаваемая первичным преобразователем, не терялась при передаче ее к другим частям системы. Такие каскады могут включать в себя и схемы обработки сигнала, в которых содержащиеся в сигнале входного преобразователя данные подвергаются цифровой обработке, а результирующий сигнал или результаты вычислений могут быть отображены на дисплее, запомнены или использованы в целях управления. Сопряжение сигналов может осуществляться в нескольких точках системы.

В некоторых случаях довольно сложно сделать заключение о том, где в системе аналоговые сигналы преобразователей становятся данными. Поэтому часто невозможно различать каскады формирования аналогового сигнала и обработки данных. К. счастью, это различие является довольно значительным.

Отображающие или запоминающие приборы -- это приборы, которые индицируют текущее значение измеряемой величины для удобства работы оператора системы или запоминают соответствующую информацию для ее последующего использования.

В случае управляющей системы (рис. 1.1, б) применяются некоторые виды компарирующих приборов, предназначенных для сравнения обрабатываемых данных с некоторыми опорными значениями и получения разностного сигнала.

Работающий по разностному сигналу выходной преобразователь используется для управления измеряемой величиной.

Безусловно, приведенные на рис. 1.1 примеры систем содержат не все типы каскадов формирования и обработки сигналов и не отражают всех режимов работы контрольно-измерительных и управляющих систем.

Вообще говоря, принципы работы входных и выходных преобразователей довольно просты. Конечно, режимы их работы существенно отличаются друг от друга -входные преобразователи обычно используются для преобразования изменений измеряемой величины в слабый электрический сигнал, а выходные преобразователи преобразуют мощный сигнал в сильное перемещение. По этой причине следует рассматривать два различных типа приборов. В докладе речь идет о входных преобразователях, которые являются воспринимающими элементами электронных систем.

1.1 Структурная схема любого преобразователя

Любой преобразователь можно рассматривать как устройство, структурная схема которого представлена на рис. 1.4. Здесь чувствительный элемент воспринимает змеряемое свойство объекта и преобразует его в другую физическую величину. Затем преобразующий элемент преобразует эту физическую величину в электрический сигнал, значение которого отражает уровень измеряемого свойства объекта. Другими возможными частями измерительного преобразователя являются схемы формирования сигнала и питания.

Рис. 1.4. Структурная схема измерительного преобразователя, включающая в себя элементы, общие для всех типов преобразователей. Показанные в пунктирных линиях элементы могут в некоторых преобразователях отсутствовать

Чувствительный элемент преобразует измеряемую часть физической величины в такую физическую величину, которая может быть воспринята и измерена преобразующим элементом. С этой точки зрения и сам чувствительный элемент можно рассматривать, строго говоря, как преобразователь.

2. Пьезорезонансные преобразователи

ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УСИЛИЙ

Работа пьезорезонансных датчиков механических величин основывается на преобразовании измеряемого воздействия в усилия или деформации силочувствительного резонатора и измерениях частоты ПР либо их приращений. Нередко в этих датчиках в цепочку преобразования вводятся дополнительные упругие элементы (УЭ).

Обычно применением УЭ решаются такие задачи, как выбор диапазона рабочих нагрузок, повышение прочности, снижение поперечной чувствительности и в некоторых случаях улучшение температурной стабильности преобразователя (снижение температурного дрейфа нуля, стабилизация масштабного коэффициента, снижение чувствительности к термоударам).

Вопросы конструирования УЭ не новы и достаточно хорошо проработаны в тензорезистивных, вибрационно-частотных и других датчиках механических величин. Многое из опыта по конструированию УЭ оказывается полезным при создании пьезорезонансных преобразователей усилий. Вместе с тем можно указать ряд специфических моментов, которые присущи ПРД и должны учитываться при их построении.

Прежде всего, следует иметь в виду, что контакт между резонатором и УЭ может осуществляться только в свободных от колебаний областях пьезорезонатора. Для обычно применяемых в комбинации с УЭ высокочастотных пьезорезонаторов-пластин необходимо, чтобы область пьезоэлемента вблизи электродов на расстоянии не менее 10 толщин была свободна и не контактировала с другими элементами конструкции. Это обычно обеспечивается выполнением в УЭ проточек, пазов, отверстий и т.д.

По возможности следует исключать воздействие на пьезоэлемент поперечных, скручивающих и других нагрузок, способных разрушить пьезорезонатор. Упругий элемент должен обеспечивать деформации пластины-резонатора строго в плоскости пьезоэлемента. Рекомендуется избегать появления в пьезоэлементе больших концентраций напряжений, способствующих развитию трещин, дефекторов и являющихся потенциальным источником нарушения работоспособности резонатора. Стабильная работа резонатора обеспечивается только в вакууме или герметизированном объеме, заполненном инертным газом (гелием). В тех случаях, когда жестких требований к долговременному дрейфу частоты не предъявляется, допускается работа резонатора в герметизированном объеме, заполненном осушенным и очищенным воздухом.

а) Особенности монтажа пьезорезонаторов в преобразователях усилий

Точностные возможности датчиков механических величин в существенной мере ограничиваются значениями упругого гистерезиса и ползучести, которые порождаются неидеальностью упругих свойств элементов конструкций и соединительных звеньев между ними.

Пьезокристаллический кварц -- один из наиболее совершенных материалов. Практически он может считаться безгистерезисным, не имеющим пластичности и сохраняющим упругие свойства вплоть до нагрузок, близких к разрушающим. Таким образом, реализация пьезоквар- цевого датчика в виде монолитной конструкции позволила бы исключить гистерезис из числа факторов, снижающих точность измерений. Это утверждение подтверждается практическими разработками -- в датчике гидростатического давления фирмы Хьюлетт--Паккард реализация чувствительного элемента в монолитном исполнении обеспечила чрезвычайно низкий уровень гистерезиса -- 10~6-Н0~7 от верхнего предела измерений [95].

Опыт построения датчиков механических величин других типов также свидетельствует, что повышение уровня конструктивной интеграции функциональных элементов датчика является наиболее эффективным путем повышения точностных показателей приборов [25].

Основная трудность создания монолитных чувствительных элементов определяется технологическими моментами. Здесь уместно вспомнить, что при традиционной технологии изготовления пьезоэлементов для приборов стабилизации частоты обычно применяется механическая обработка открытых поверхностей ориентированных кристаллических заготовок, обеспечивающая заданную толщину, плоскопараллельность, качество шлифовки (полировки). В то же время для изготовления монолитных узлов механических датчиков, как правило, требуется формообразование кварцевых деталей существенно более сложных профилей. Поскольку пьезокварц -- плохо обрабатываемый материал, имеются большие трудности точной размерной обработки кристаллических деталей традиционными и механическими способами.

В этой связи значительная часть механических ПРД выполняется на основе соединения деталей дискретных кристаллических элементов; при этом соединительные звенья являются основным источником нестабильности и гистерезиса датчиков.

Основные способы включения дискретных силочувствительных резонаторов в кинематическую цепочку датчика показаны на рис. 5.3. Применяются два основных варианта - неразъемные соединения с помощью клеев, пайки, стеклоспаев, диффузии и т.д. и разъемные, предусматривающие фиксацию пьезорезонаюра в конструкции путем его предварительного поджатая. Неразъемные соединения используются в основном для плоских пьезоэлементов с толщиной до 0,5-1 мм. Фиксация поджатием чаще применяется для элементов толщиной свыше 1 мм.

Основными требованиями к соединениям являются: шшимум вносимых погрешностей при механических измерениях во всех условиях эксплуатации и хранения датчиков, включая длительное сохранение стабильности градуировочной характеристики датчика; минимум гистерезиса и ползучести под нагрузками; постоянство упругих свойств в диапазоне рабочих температур



Рис. Схемы включения силочувствительных резонаторов:

а, б, в - неразъемные соединения; г, д, е, ж - с фиксацией предварительным поджатием; 1 - пьезорезонатор; 2 - силопередающий упругий элемент; 3 - соединительный слой; 4 - фиксирующие прокладки

Среди применяемых соединений наиболее распространенными остаются клеевые. На их основе могут реализовывагься датчики механических величин с гистерезисом на уровне 0,1--0,2 % верхнего предела измеряемой величины, В отдельных случаях этот показатель может быть снижен до 0,05 %, Достоинством клеев являются сравнительно невысокие температуры соединений, определяющие небольшие остаточные деформации. К недостаткам клеев следует отнести прежде всего их низкую технологичность, проблемы автоматизации сборочного процесса при серийном производстве, трудности получения тонких соединительных слоев. При наличии постоянных нагрузок клеевым соединениям присуща значительная ползучесть, затрудняющая реализацию датчиков с временным дрейфом менее 1 -2 % за год.

Несколько лучшими параметрами обладают соединения пайкой, требующие предварительного нанесения на соединяемые поверхности тонких слоев металлов. Гистерезис и ползучесть паяных соединений хотя и меньше, чем клеевых, однако остаются высокими, что связано с низкими допустимыми для кварца температурами соединений и сравнительно большими толщинами соединительных слоев. Нельзя сбрасывать со счетов и газоотделение при пайке, вызывающее дополнительное старение резонаторов.

В последние годы все большее распространение получают соединения кварцевых элементов с помощью стеклоспаев. В качестве соединительных материалов используются стеклоцементы, легкоплавкие стекла и др. Главное достоинство стеклосоединений -- практически ничтожный уровень вносимого гистерезиса и ползучести благодаря совершенству упругих свойств. Соединения стеклоспаями технологичны. Как показывает накопленный при производстве электронных приборов опыт, процессы соединения стеклом поддаются механизации и приемлемы для массового производства.

Однако массовому использованию стеклосоединений в ПРД препятствует ряд проблем. Температуры плавления стекол близки к 400-- 450 °С. Уровень остаточных напряжений после сборки может составлять от 10 до 60 % от предельно допустимых. Это связано с различием температурных коэффициентов расширения стеклоспая и пьезокварца. Принципиальным препятствием для полного согласования ТКР во всем температурном диапазоне при сборке и эксплуатации является значительная анизотропия кварца. Остаточные напряжения снижают запас прочности конструкций. Кроме того, их релаксация является источником дрейфа нуля датчиков.

Высокотемпературные режимы требуют тщательной отработки технологических процессов, обеспечивающих сохраняемость электродов пьезорезонатора на операциях сборки.

Эвтектики характеризуются несколько меньшими температурами соединений по сравнению со стеклоспаями. В частности [173], при использовании в кварцевых датчиках эвтектики золото--олово температура соединения составляет 250 °С. Толщина эвтектических слоев может быть снижена до 0,1--5 мкм. Обеспечивается герметичность соединения. Прочность соединения заметно меньше, чем у стекло- спаев.

Диффузионные соединения формируются путем осаждения на соединяемые детали пленок металлов и приложением давления при повышенных температурах. С учетом сравнительно низких предельных температур пьезокварца применяются соединения через А1. Малая толщина и высокая прочность диффузионных соединений позволяют создавать на их основе конструкции датчиков с ничтожно малым уровнем гистерезиса.

На сегодня наиболее перспективными с точки зрения повышения точностных возможностей механических ПРД, по-видимому, следует считать соединения стеклоспаями, эвтектикой и диффузией.

Тип соеди	Толщина	Температу	Прочность	Максималь	Гистерезис,
нения	соедини	ра соедине	соединения,	ные рабочие	% максималь
	тельных	ния, °С	кг/см2	температуры,	ной нагрузки
	слоев,			°С
	мкм
Клеи	10-100	50-200	100-500	85-250	0,1 -0,5
Пайка	50-400	150-530	100-200	150-500	0,05 -0,5
Сгеклоспаи	20-200	350-500	300-400	300-500	0,02
Эвтектики	0,2-5	250 -500	100-200	250-500	0,05
Диффузион	0,4-10	350-520	200-400	400-550	0,02
ные

Характеристики основных типов соединительных материалов приведены в табл.

В конструкциях с поджатием предварительный натяг создается за счет использования пружин различных типов, обеспечивающих требуемый уровень сжатия резонатора. Однако это усложняет конструкцию, снижает ее устойчивость при воздействиях вибраций, вносит дополнительное старение.

Более оправдано поджатие ПРв упругом элементе, обладающем достаточной жесткостью кж. Если расстояние между точками крепления в таком элементе делается меньше размера пьезоэлемента на Ах, то после установки пьезоэлемента он оказывается поджатым усилием Fn = = кж Ах. Поджатие, естественно, должно выбираться достаточным для стабильного контакта УЭ и СЧР, и, с другой стороны, должно быть существенно меньше предельно допустимых нагрузок на ПР, поскольку измеряемые воздействия могут иметь тот же знак, что и поджимающие (рис. 5.3,г).

Контакт между УЭ и СЧР по плоским торцам (рис. 5.3, д) требует высокой плоскопараллельности контактных поверхностей.

При точечной схеме нагружения выполнение контактной области в виде сферы позволяет исключить сколы на пьезоэлементе при больших сжимающих напряжениях. Однако образование сферы небольшого радиуса на торце линзового ПР нетехнологично. Поэтому в резонаторе типа ЭПК-Г (см. § 5.1) на торце формируются две поверхности, как показано на рис. 5.1, обеспечивающие в контакте с пазом в УЭ сохранение объемного напряженного состояния. При точечном контакте существенную роль играет сминаемость материала УЭ. Из-за пластичности металла с течением времени площадь контакта постепенно увеличивается, что приводит к изменению напряжений в активной области пьезоэлемента и в конечном счете к вариации чувствительности датчика. Для устранения этого эффекта требуется упрочение контактной зоны УЭ, например, закалкой; дает результат и предварительное обмятие УЭ нагрузкой, значительно большей рабочей. Стабилизация площади контакта достигается и применением двухслойных контактных площадок (рис. 5.3, ж). В этом случае наружный тонкий слой выполняется из мягкого металла, а внутренний -- из металла с высокой твердостью. Предварительным обмятием в мягком слое формируется ложе для ПР, стабилизирующее контактную зону [84].

Если резонатор включается параллельно УЭ большой жесткости, особо важное значение должно придаваться свойствам материала, соединяющего детали. Фактически соединительный слой в этом случае является звеном, передающим деформации УЭ на СЧР. В идеале эти деформации должны передаваться без искажений, чему соответствует бесконечная жесткость (нулевая толщина) соединительного слоя. На практике эти деформации составляют единицы--десятки микрон, и деформации соединительного слоя оказываются сопоставимыми с ними. В этой ситуации соединение должно быть минимальным по толщине, безгистерезисным и сохранять свои упругие характеристики во всех условиях эксплуатации, в первую очередь при изменениях температуры. Как уже отмечалось, с этих позиций более предпочтительны не клеевые соединения, а диффузионные и стеклоспаи.

Разновидности преобразователей усилий. Можно выделить две группы пьезорезонансных преобразователей усилий в частоту:

динамометрические преобразователи, в которых полезные усилия Fp, приводимые на резонатор, меньше усилий, подаваемых на преобразователь Fn(Fр < Fn);

преобразователи малых усилий, для которых Fp > F„.

б) Конструкции динамометрических преобразователей

Основные разновидности конструкций динамометрических преобразователей с УЭ приведены на рис. 5.4. Простейшая конструкция (рис. 5.4, а) содержит одинарный пьезорезонатор, включенный параллельно УЭ.

В схеме преобразователя дифференциального типа (рис. 5.4, б) сжатие УЭ приводит к деформациям двух идентичных резонаторов с противоположными знаками, в результате чего изменяется их разностная частота.

В схемах с УЭ предельно допустимые усилия возрастают по сравнению со схемой без УЭ пропорционально отношению продольных жест- костей УЭ и резонатора. При использовании УЭ диапазон измеряемых усилий может быть изменен в сторону увеличения номинальных нагрузок в 10-1000 раз. Выбор требуемого предела измерений может достигаться как изменением габаритных размеров УЭ, так и ослаблением продольной жесткости конструкции при помощи отверстий, пазов и т.д. Вариант силоизмерителя подобного типа приведен на рис. 5.4, е.

Упругие элементы используются для защиты резонатора-пластины от разрушения боковыми нагрузками без изменения масштабногокоэффициента преобразования. Так, в схеме на рис. 5.4, г продольная жесткость УЭ мала по сравнению с продольной жесткостью пьезорезо- натора, поэтому крутизна преобразования силы в частоту практически равна силовой чувствительности пьезорезонатора, если усилие F лежит в плоскости резонатора (/ = 0). В то же время большая поперечная жесткость упругого элемента повышает устойчивость резонатора при боковых воздействиях, снижая одновременно поперечную чувствительность датчика.

Применение упругого элемента оказывается иногда полезным в плане подстройки крутизны преобразования датчика. В частности, в схеме на рис. 5.4, г с увеличением расстояния I крутизна преобразования монотонно уменьшается. Таким образом, выбирая точку приложения усилий, можно обеспечить требуемую крутизну преобразования.

в) Термостабильность силочувствительных элементов

Различие температурных коэффициентов линейного расширения пьезорезонатора и упругого элемента порождает температурные напряжения в пьезоэлементе и дополнительные уходы его частоты. Оценим этот эффект. Если разность температурных коэффициентов равна Да, то термонапряжение at в пьезорезонагоре-пластине для схемы на рис. 5.4, а определяется как

at = скв AaAt, (5.1)

где скв - упругий модуль в направлении длины пьезоэлемента.

В соответствии с (2.23) относительные уходы частоты, вызванные термонапряжениями, определяются как



= Кaat = Каскв AaAt, (5.2)

отсюда поправка к ТКЧ первого порядка резонатора

= Каскв Да. (5.3)

г At

В первом приближении для термостабильной ориентации ф = 40° резонатора АТ-среза

скв ~ 10" Н/м2; Ка = 2,2-Ю-11 м2/Н, отсюда

ЗТ^ » 2,2 Да. (5.4)

Таким образом, поправка к ТКЧ первого порядка близка по значению разности ТК. Для большинства материалов коэффициенты линейного расширения лежат в пределах (5--30) Ю-6 1Г С. Поэтому согласование ТК линейного расширения с погрешностью примерно Ю-6 -- Ю-7 1/°С, как показывает практика, в общем случае оказывается весьма сложной задачей. Задача особенно усложняется, когда требуется согласование ТК в широком диапазоне температур, поскольку для большинства материалов (в том числе и пьезокварца) эффект температурного расширения нелинеен и ТК сами зависят от температуры.

Из (5.4) следует, что присоединение резонатора к УЭ приводит к повороту ТЧХ подобно тому, как это происходит при коррекции угла среза (см. рис. 2.3, а).

Следует отметить, что упругие свойства и ТК металлов и сплавов имеют из-за несовершенства технологии заметный разброс от партии к партии. Это усложняет обеспечение температурной стабильности пьезо- резонансных динамометрических преобразователей.

Не столь критичны к ТК линейного расширения дифференциальные ПРД, так как ТЧХ пьезорезонаторов изменяются в результате взаимодействия с УЭ примерно идентично.

В общем случае ТЧХ резонаторов варьируется не только в результате присоединений к упругому элементу. Тот же эффект наблюдается при подклеивании или подпайке к резонатору держателей.

При большом значении Да термодеформации могут привести к разрушению резонатора. Зависимость между термодеформациями пьезоэлемента и температурой подчиняется соотношению

S = Д1/1 = Да At. (5.5)

Для пьезокварца предельно допустимый уровень деформаций составляет [S] = 10~3, откуда следует, что уже при Да = 10"s 1/°С изменения температуры на 100 °С могут вывести резонатор из строя. Проблема согласования ТК отпадает, если упругий элемент, так же как и резонатор, выполняется из пьезокварца и ориентация УЭ идентична ориентации резонатора.

г) Преобразователи малых усилий

Коэффициент преобразования сила -- частота высокочастотных пьезо- резонаторов не превышает при работе на основном обертоне сотен Гц/Н. В ряде случаев такая крутизна недостаточна для обеспечения требуемой точности измерений.

Возбуждение резонатора на высоких обертонах позволяет увеличить крутизну характеристики f(F) пропорционально номеру обертона, но не изменяет максимально допустимые относительные изменения частоты и, следовательно, не ведет к уменьшению погрешности нуля преобразователя. Для снижения этой погрешности необходимо, чтобы максимальная нагрузка создавала в пьезорезонаторах напряжения, близкие к предельно допустимым.

Для построения датчиков на входные усилия, меньшие, чем допускает пьезорезонатор (АГХр > 1), используются схемы, приведенные на рис. 5.5.

Передача воздействий на ПР с коэффициентом, большим единицы, осуществляется с помощью механических трансформаторов.

В схеме на рис. 5.5, а эффект усиления достигается использованием рычага. Коэффициент трансформации АГтр входного усилия F в усилие, прикладываемое к пьезоэлементу, определяется соотношением плеч

Ктр = Fp/F = ///р (5.6)

и может варьироваться в весьма широких пределах.

Для схемы на рис. 5.5,6

-Fp = F/ sin 7 (5.7)

и при малых углах у (примерно 5°) коэффициент трансформации достигает 10.

Большое распространение получила так называемая рамная конструкция, приведенная на рис. 5.5, в [81]. Работа этого преобразователя основана на том, что при чистом изгибе балки ее верхние волокна претерпевают деформации растяжения, а нижние -- равные по значению деформации сжатия. Если задатчик силы в схеме на рис. 5.5, в обладает ничтожно малой поперечной жесткостью, то в конструкции реализуется режим, близкий к чистому изгибу, вследствие чего в процессе на- гружения резонаторы обеспечивают равные по абсолютному значению и противоположные по знаку приращения частоты. Можно показать1, что для рассматриваемой схемы коэффициент трансформации АГтр, определяемый как отношение усилия растяжения (сжатия) одного из резонаторов ко входному усилию, определяется соотношением

3 "о

КТр = f * (5.8)

2 h2 + З/о

Электрическая принципиальная схема преобразователя представлена на рисунке

измерительный преобразователь пьезорезонансный силочувствительный



3.Метрологические характеристики

3.1 Расчёт класса точности

Класс точности является обобщённой метрологической характеристикой средств измерений (СИ) и определяется пределами допускаемых погрешностей, а также другими свойствами СИ, влияющими на точность измерений. Класс точности указывается в сопроводительной документации на СИ или на шкале отсчётного устройства в виде обозначения, соответствующего форме выражения пределов допускаемой основной погрешности по ГОСТ 8.401-80.

Исходные данные:

- верхний предел измерений.

3.1.1 Предпочтительное значение измеряемой величины x должно соответствовать примерно 0.75 от верхнего предела измерений:

3.1.2 Предел допустимых основных погрешностей пьезоэлектрических преобразователей возьмем из таблицы (ГОСТ 3044-74)

Где слагаемое является аддитивной составляющей , а слагаемое - мультипликативной.

a=

b=

3.1.3 Расчёт численного значения класса точности сводится к определению постоянных c и d с учётом, что 2<c/d<20, с и d найдем по формулам:

;

,

где c и d - положительные числа.

Значение с для приборов переменного тока должно находиться в пределах 0.01<c<0.1.

Полученное значение с=0.04 входит в заданные пределы.

Класс точности:

3.1.4 Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по формуле:

3.1.5 Абсолютная погрешность



3.2 Определение выходного кода и его параметров

Выходной код и его параметры выбираются по ГОСТ 26.014-81 «ЕССП. Средства измерений и автоматизации. Сигналы электрические кодированные входные и выходные».

На вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выхода аналогового канала поступает сигнал S с некоторой погрешностью ; АЦП за счёт квантования аналогового сигнала вносит дополнительную погрешность . В результате величина Z на выходе АЦП будет иметь некоторую погрешность .При аддитивном характере составляющих погрешности

и результирующая погрешность будет определяться как:

Суммарное среднее квадратическое отклонение (с.к.о.) погрешности преобразования:

где: - с.к.о. погрешности аналогового сигнала;

- с.к.о. погрешности АЦП за счёт квантования;

?S - шаг квантования, которому соответствует погрешность

Здесь , т.к.для входного сигнала принят закон равномерного распределения.

Влияние составляющей, распределённой равномерно, приводит в их композиции к уменьшению доверительных интервалов при заданной доверительной вероятности по сравнению с нормальным законом. Если отношение 0.5?S/?s=0.1…1.0, то доверительный интервал ±1.7?z имеет доверительную вероятность P=0.98. При отношении 0.5?S/?s<0.1 при Р=0.99 доверительный интервал будет равен ±2?z.

При отсутствии систематических погрешностей и принятии допущения о том, что случайная погрешность распределена нормально, можно установить зависимость между приведённой допускаемой погрешностью ? и с.к.о. этой погрешности.

При этих условиях 95% значений случайной погрешности находится в пределах от -2?s до +2?s.

Примем

,

откуда

Если с.к.о. погрешности от квантования принять равным ?s,то суммарное с.к.о. в результате квантования согласно (1) увеличивается на 41% по сравнению c ?s.

Если принять ?S=?s, суммарное с.к.о. увеличивается только на 4%,т.е. в этом случае квантование почти не изменит с.к.о. суммарной погрешности. Этому соотношению примерно соответствует минимально допустимое отношение с/d=2, установленное ГОСТ 14014-82 и соответствующее равенству аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей.



3.3.1 Шаг квантования (цена единицы младшего разряда кода)

где ;

;

3.3.2 Номинальное число ступеней квантования (разрешающая способность)

3.3.3 Число разрядов кода

3.3.4 Вид кода: двоичный нормальный

3.4 Функция преобразования (статическая функция преобразования)

функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов

При определении функции преобразования учитываем, что аналоговый канал представляет собой линейную цепь прямого преобразования последовательного типа.

Номинальная функция преобразования:

где, К1,К2, КЗ,К4 - коэффициенты преобразования

отдельных звеньев цепи

Таким образом, номинальная функция преобразования имеет вид:

U=k*k*k (T) ,

где U- напряжение;

k1 - коэффициент преобразования термопары;

k2 - коэффициент преобразования усилителя;

k3 - коэффициент преобразования фильтра;

Т - температура.

3.5 Чувствительность СИ - приращение информативного параметра выходного сигнала ?y СИ к вызвавшему его приращению информативного параметра входного сигнала ?x:

При линейной статической характеристике преобразования чувствительность постоянна и равна:



где

где мВ- термоЭДС термоэлектрических термометров типа ТХА стандартной градуировки ХА при температуре свободных концов 0?С ГОСТ 3044-74

Фильтруемый усиленный сигнал не изменяется по частоте.

3.6 Порог чувствительности - наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое с помощью данного СИ

Значение порога чувствительности аналогового канала, предвключённого к цифровому СИ не должно быть меньше цены деления младшего разряда выходного кода, поэтому принимаем его равным 0.01 кг.



4. Динамические характеристики

-характеристики инерционных свойств СИ, определяющие зависимость выходного сигнала от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.

4.1 Общая передаточная функция имеет вид:

К (р)общ= k(р)*k(р)*k(р).

где;

k1(р)- передаточная функция термопары;

k2(р)- передаточная функция усилителя;

k3(р)- передаточная функция фильтра

р - оператор Лапласа.

4.2 Коэффициент демпфирования ? для исключения возможности резонансных явлений не должен превышать 0.8

4.3 Переходная характеристика для аналогового канала, по своим динамическим свойствамимеет вид:

где ? -постоянная времени датчика;

?0 - собственная частота звена;

Значение выходного сигнала h(t) выбираем из условия, что оно должно отличаться от установившегося значения не больше, чем на установленное ТЗ значение ?доп=0.04.

4.4 Время установления показаний определяем по временной характеристике h(t), решая уравнение (2) относительно t:

4.4.1 Исходные данные

h(t)=0.04 - временная переходная характеристика;

?=

Кобщ=0.00625

4.4.2 Подставляя числовые данные в уравнение (2), решаем его относительно времени установления показаний



5. Эксплуатационные характеристики

климатические и механические воздействия, устанавливаются для нормальных или рабочих условий применения и предельных условий транспортирования (ГОСТ 14014-82).

5.1 Нормальные условия применения характеризуются совокупностью значений или областей значений влияющих величин, принимаемых за нормальные.

Устанавливаются по ГОСТ 22261 - 82 и ГОСТ 8.395 - 80.

5.2 Рабочие условия применения - совокупность значений влияющей величины, которые не выходят за пределы рабочей области значений, нормирующих дополнительную погрешность или изменение показаний СИ.

Устанавливаются по ГОСТ 22261 - 82.



6. Показатели надёжности

Показателями надёжности для разрабатываемого цифрового устройства являются безотказность, долговечность, ремонтопригодность.

В качестве характеристики безотказности установлена наработку на отказ, равная 1500 часов.

В качестве характеристики долговечности принят средний срок службы до списания, который должен быть не менее 8 лет.

Ремонтопригодность характеризуется средним временем восстановления, которое выбираем не менее 2 часов.



7. Требования безопасности

Требования по электробезопасности по ГОСТ 12.2.097-83.

Требования к основным элементам конструкции, органам управления, средствам защиты, безопасности ремонта, монтажа, хранения по ГОСТ 12.2.003-74, ГОСТ 14014-82, ГОСТ 22251-76.



8. Показатели помехозащищённости, средства и методы поверки:

установлены по ГОСТ 1014-82.

Размещено на Allbest.ru