В
АлтГТУ сотрудниками и аспирантами кафедры «Информационные технологии» под руководством
Госькова П.И. было разработано новое поколение
пьезоэлектрических
измерительных устройств, названных МСК-датчиками [6]. Принцип работы
данных устройств основан на реализации
режимов модуляции связанных колебаний (МСК-режимов) в пьезоэлектрических
первичных измерительных преобразователях, представляющих собой сложные
нелинейные автономные колебательные системы с конечным числом степеней свободы
[5].
Основными
достоинствами МСК-датчиков являются: высокая чувствительность, простота
конструкции, низкая стоимость, широкая область применения. По устройству и
принципу работы данный тип средств измерений занимает промежуточное положение
между традиционными ультразвуковыми приборами и пьезорезонаторными датчиками.
На
основе теоретических и экспериментальных исследований возможности использования
режимов связанных колебаний в системах с конечным числом степеней свободы с
целью применения их для измерения электрических величин были разработаны
амплитудные, фазовые и частотные МСК-датчики, реализующие синхронные,
асинхронные и переходные режимы связанных колебаний. В однорезонаторных
измерительных преобразователях реализуются особенности взаимодействия между
различными типами колебаний в теле пьезоэлемента, а в многорезонаторных
датчиках в качестве элемента связи используются твердые тела, жидкие или
газообразные среды. При этом измеряемый параметр может воздействовать как
непосредственно на пьезорезонаторы, так и на элемент связи, что определяет
достаточно большое разнообразие конструктивных исполнений. Например, на основе
одного пьезорезонатора и взаимодействующих пьезорезонаторов были созданы
различные модификации МСК-датчиков усилий [8,10,11,12].
На
рис. 1,а представлен дифференциальный пьезотрансформаторный (ДПТ) датчик усилий
[7], разработанный на базе дискового резонатора с согласованными размерами,
обеспечивающими сильную связь продольно–поперечных мод колебаний внутри
пьезоэлемента. Возбуждение преобразователя осуществляется на частоте синфазных
радиально-толщинных колебаний от автогенератора (АГ). Для амплитудного варианта
датчика в качестве выходного сигнала измерительной схемы (ИСх) используется
величина, пропорциональная отношению напряжений (U1/U2), снимаемых с центральной
и периферийных обкладок пьезоэлемента.
Принцип
работы данного типа МСК-датчика заключается в функциональной зависимости коэффициента
распределения амплитуд связанных колебаний от величины относительной расстройки
их парциальных частот (np;nt):
|
|
(1) |
где g -коэффициент инерционной связи.
Механизм силочувствительности
основан на неидентичности изменения частот
|
|
|
а) |
|
|
|
б) |
|
|
|
в) |
|
|
|
г) |
|
|
|
д) |
|
|
|
е) |
|
Рис. 1 |
радиальной(nр)
и толщинной (nт) мод колебаний резонатор по действием измеряемого усилия (F) . При этом расстройка
парциальных частот может возрастать или убывать в зависимости от соотношения
геометрических размеров пьезоэлемента. При переходе относительной расстройки частот
через нуль выходная характеристика датчика имеет точку перегиба (рис. 2).
|
|
а-(np>nт), |
|
|
Рис. 2 |
|
|
Необходимо отметить, что теоретическое описание колебательных
процессов в ДПТ-датчиках является сложной задачей. Достаточно хорошее для
практических нужд приближение получается, если представить многомерные
колебания как связанные колебания одномерных упругих систем [3].
В
данном случае в качестве парциальных систем можно принять диск со свободным
контуром и стержень со свободными концами. Коэффициент инерционной связи (g)
является функцией коэффициента Пуассона (n):
|
|
(2) |
Максимальная
связанность продольно-поперечных
колебаний обеспечивается при выполнении условия согласования геометрических
размеров пьезоэлемента его диаметра (d) и толщины (h),согласно условию [3]:
|
|
(3) |
К достоинству ДПТ-датчиков усилий на одном пьезоэлементе
можно отнести достаточно высокую линейность выходной характеристики и
стабильность при воздействии дестабилизирующих факторов. Датчики конструктивно
просты и экономичны [9].Основным недостатком силоизмерительных устройств
данного типа является низкая стабильность акустического контакта пьезорезонатора
с силопередающими элементами [1,2].
В
двухрезонаторных МСК-датчиках (рис. 1, б, в, г) влияние нестабильности
акустического контакта на результаты измерений значительно меньше, так как
усилие прикладывается к центру дисков, где при резонансе на радиальной моде
образуются узлы колебаний. Использование твердотельного конусообразного
элемента связи (рис. 1, б) позволило существенно повысить усилие датчика за счет
того, что функциональная зависимость относительной расстройки парциальных
частот системы от величины измеряемого усилия обусловлена неидентичностью изменения
контактных жесткостей пьезорезонаторов с элементом связи [10].
В
устройстве, представленном на рис. 1, в, элемент связи выполнен в форме кольца
[11]. Под действием измеряемого усилия происходит деформация изгиба
пьезоэлементов. Для данной конструкции возможна реализация нескольких факторов,
обеспечивающих механизм силочувствительности датчика:
а)
изменение относительной расстройки парциальных частот при использовании пьезоэлементов
разной толщины;
б)
изменение площади акустического контакта пьезорезонаторов с элементом связи при
нежестком их соединении;
в)
изменение коэффициента упругой связи радиально-изгибных колебаний при жестком соединении
элементов колебательной системы преобразователя и возбуждении противофазных радиальных
колебаний пьезорезонаторов.
Для
механической системы, представляющей собой две приблизительно одинаковые пластины,
свободно опертые на общее основание в виде жесткого кругового кольца,
коэффициент инерционной связи (gи) можно определить по формуле [3]
где mк, mр –
массы соответственно кольца и резонатора.
При
жестком соединении пьезорезонаторов с кольцевым элементом связи достигается стабилизация
акустического контакта, а механизм силочувствительности обусловлен неидентичностью
изменения парциальных частот первой моды радиальных колебаний и третьего
обертона изгибных колебаний. Коэффициент упругой связи для такой системы равен
[4]:
где кр, кu
–коэффициенты упругости, соответственно, радиальных и изгибных мод колебаний преобразователя;
а,
в - коэффициенты пропорциональности;
F-измеряемое
усилие;.эжхз-0
m-параметр,
характеризующий контактную жесткость с силопередающими элементами.
В
случае иммерсионного элемента связи (рис. 1, г) [12] достигается высокая
стабильность акустического контакта между взаимодействующими пьезорезонаторами.
Но датчики такого типа имеют низкое быстродействие и могут быть применимы в
стационарных установках.
В
пьезорезонаторных МСК-датчиках с газообразным элементом связи реализация синхронного
режима работы является достаточно сложной задачей, так как необходимо выполнить
следующие условия:
Поэтому
для них применяют высокодобротные пьезорезонаторы (Q>1000) и используют
асинхронный режим биения колебаний с «частичным увлечением частот», для
обеспечения которого коэффициент взаимодействия
должен быть в
пределах 0<l<1 [13].
При
этом пьезорезонаторы удобнее возбуждать от собственных генераторов, а в
качестве выходных сигналов МСК-датчиков могут быть использованы следующие
параметры колебательной системы преобразователя:
а)
глубина амплитудной модуляции (mx)
б)
частота биения колебаний (W )
в)
разность числа колебаний в фазе и противофазе за период биения колебаний (D N)
г)
время вхождения системы в синхронизм
(Тс ) или соответствующие ему
число колебаний (Nс )
д)
разность числа синфазных и противофазных колебаний за период биения при воздействии
на величину запаздывания распространения ультразвуковой волны в канале связи (D
Nq )
где q
-разность фаз колебаний при наличии запаздывания.
Существенным
достоинством МСК-датчиков является возможность коррекции неидентичности изменения
резонансных частот пьезоэлементов под влиянием дестабилизирующих факторов
непосредственно в процессе измерения в тех случаях, когда механизм
чувствительности датчика основан на функциональной зависимости коэффициента
связи от измеряемого параметра, так как при
g<1
При
использовании трехрезонаторного измерительного преобразователя представляется
возможность создания дифференциального варианта МСК-датчика (рис. 1, е). Режимы
связанных колебаний в таких структурах могут быть синхронными, асинхронными,
асинхронно-синхронными [5].
Представленные
на рис.1 структурные схемы могут быть положены в основу создания МСК-датчиков
различных физических величин. Например, вариант преобразователя, изображенного
на рис.1, д реализован в МСК-датчиках давления и скорости потоков газовых сред
[15], в МСК-датчике микроперемещений [14], а вариант с иммерсионным слоем в
МСК-датчиках для измерения уровня раздела сред [17] и в датчике концентрации
соляного раствора [16]. При этом удалось существенно повысить чувствительность
измерений по сравнению с существующими аналогами в некоторых случаях на
несколько порядков.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Малов В.В.
Пьезорезонансные датчики. – М: Энергоатомиздат, 1989. – 272 с.
2.
Трофимов А.И.
Пьезоэлектрические преобразователи статических нагрузок. – М:. Энергоатомиздат, 1979. – 95 с.
3.
Аронов Б.С.
Электромеханические преобразователи из пьезокерамики. – Л:. Энергоатомиздат,
ленинградское отделение,1990. – 272 с.
4.
Седалищев В.Н.
Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. – Барнаул, Изд-во АлтГТУ,
1992. – 16 с.
5.
Седалищев В.Н.
Физические основы пьезорезонансных МСК-датчиков/ Учебное пособие. – Барнаул,
АлтГТУ, 1997. – 43 с.
6.
Госьков П.И.,
Седалищев В.Н. Перспективы разработки и применения пьезорезонаторных
МСК-датчиков / Доклады международной конференции «Пьезотехника-96». – Барнаул,
1996.
7.
Госьков П.И.,
Госькова Г.С., Лежнев А.П. «Устройство для измерения давления». А.с. СССР
№1136045 от 02.02.83 г.
8.
Госьков П.И.,
Седалищев В.Н. А.с. №1164562, 1985 г.
9.
Госьков П.И., Лежнев
А.П. К выбору конструкций дифференциального пьезоэлектрического преобразователя
статических усилий./ Межвузовский сборник «ИКАПП». – Барнаул, 1983 г.
10.
Госьков П.И.,
Седалищев В.Н., Назаренко В.Л. Патент №2082121 от 20.06.97
11.
Госьков П.И.,
Седалищев В.Н., Назаренко В.Л. Патент №2082120 от 20.06.97
12.
Госьков П.И.,
Седалищев В.Н., Антюфеев А.Н. Патент №2083963 от 10.07.97
13.
Седалищев В.Н.,
Патрушев Е.М., Антюфеев А.Н. Физические основы асинхронных МСК-датчиков/ Доклады
международной конференции «ИКАПП-97», ч.1. – Барнаул, 1997 г.
14.
Седалищев В.Н.,
Патрушев Е.М. Фазовый вариант МСК-датчика / Доклады международной конференции
«ИКАПП-97», ч.1. – Барнаул, 1997 г.
15.
Седалищев В.Н.,
Антюфеев А.Н., Тамбовцев А.М. Ультразвуковой расходомер на основе модуляции
связанных колебаний пьезорезонаторов / Доклады международной конференции «Пьезотехника-96». – Барнаул, 1996 г.
16. Седалищев В.Н.
Разработка и исследование пьезорезонансного МСК-датчика концентрации раствора /
Доклады международной конференции «Пьезотехника-96». – Барнаул, 1996 г.
17. Седалищев
В.Н., Ячин А.В., Егоров Д.В. Пьезорезонансный МСК-датчик уровня раздела сред /
Доклады международной конференции
«Пьезотехника-96». – Барнаул, 1996 г.