Пьезорезонансные датчики давления

 

Пьезорезонансными называются датчики давления, в которых роль чувствительного элемента выполняет пьезоэлектрический резонатор. Они являются датчиками параметрического типа, в которых преобразование давления осуществляется в результате модуляции параметров пьезорезонатора (ПР).

Основа ПР – механический вибратор из кристаллического или поликристаллического пьезоэлектрического материала. На вибратор наносится система из двух или более электродов, используемых для возбуждения в нем механических колебаний. Для соединения с источником электрической энергии ПР снабжается токопроводами, а для фиксации в присоединенной конструкции – элементами крепления. В основе работы ПР лежит пьезоэффект, обеспечивающий преобразование входного электрического напряжения, подводимого к электродам, в механические напряжения в теле вибратора (обратный пьезоэффект) и ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих в результате деформаций вибратора под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект).

В конструктивном отношении преобразователи давления могут быть разделены на две группы:

1– в которых чувствительный резонатор работает в прямом контакте со средой;

2– в которых резонатор отделен от среды разделительным (упругим) элементом.

 

Рис. 5.4. Основные разновидности пьезорезонансных датчиков давления:

М – мембрана; К – корпус; УЭ – упругий элемент; ЖЦ – жёсткий цетр.

 

Большинство пьезорезонансных датчиков давления строится с использованием разделительных упругих элементов. Разделительные элементы обеспечивают оптимальные условия работы резонаторов, делают возможной вакуумизацию или герметизацию рабочей пластины с пьезоэлементом, что повышает добротность и снижает старение ПР. Упругие элементы могут подбираться так, что на различные диапазоны измерения может быть использован один номинал ПР.

Контакт между резонатором и упругим элементом может осуществляться только в свободных от колебаний областях ПР. По возможности следует исключать воздействие на пьезоэлемент поперечных, скручивающих и других нагрузок, способных разрушить ПР. Упругий элемент должен обеспечивать деформации пластины-резонатора строго в плоскости пьезоэлемента. Стабильная работа резонатора обеспечивается только в вакууме или герметизированном объеме, заполненным инертным газом (гелием).

 

Недостатки пьезорезонансных датчиков:

– зависимость частоты от давления в диапазоне от 0 до 50 МПа имеет нелинейность около 1.7 %;

– дрейф нуля датчика во времени, вызванный старением резонатора; составляет 0.1% верхнего предела измеряемой величины;

– необходимость вакуумирования или герметизации резонатора;

– наличие температурного дрейфа нуля датчика.

Практически в датчиках давления погрешность от термодеформаций можно снизить до уровня 0.1 % верхнего предела, путем уменьшения соотношения жесткостей мембраны и преобразователя.

По видимому, основным источником погрешности является нелинейность характеристики цилиндрического преобразователя давления в радиальные напряжения, подводимые к резонатору.