3.1. Термочувствительные пьезорезонансные датчики.

Конструкция кварцевого термодатчика приведена на рис. 6,а.

Рис. 6

В миниатюрном металлическом герметизированном баллоне (диаметр 6…8 мм) размещен линзовый кварцевый резонатор 1, укрепленный, как на растяжках, на тоководводах 2 и 3. для уменьшения тепловой инерционности баллон заполнен гелием, обладающим хорошей теплопроводностью. Выпускаются также датчики с резонаторами в стеклянных вакуумированных баллонах. Эти датчики имеют большую инерционность, но более высокую временную стабильность и разрешающую способность.

На рис. 6,б представлена структурная схема датчика, она включает в себя генератор Г1 с кварцевым термочувствительным резонатором, генератор стабильной частоты Г2, цепь разности частот РЧ, делитель частоты Дч и счетчик Си с цифровой индикацией. Рабочий температурный диапазон датчиков составляет от –80 до +250 ос и может быть расширен при увеличении погрешности линейности. Выходным сигналом термочувствительных резонансных датчиков является разность частот кварцевого резонатора и опорного генератора

Порог чувствительности датчиков в основном определяется кратковременной нестабильностью резонаторов.

Основными причинами погрешности термодатчиков являются временная нестабильность, гистерезис, выражающийся в «неприходе» на начальную частоту после температурного цикла и повышение температуры (перегрев) резонатора, зависящее от мощности, выделяемой в цепи возбуждающих электродов.

Для уменьшения систематической составляющей погрешности перегрева необходимо уменьшить мощность возбуждения, для уменьшения случайной составляющей мощность возбуждения должна стабилизироваться.

3.2. Тензочувствительные пьезорезонансные датчики

В качестве тензочувствительных резонаторов применяются пьезоэлементы, в которых используются колебания сдвига по толщине и колебания изгиба, так как только для этих типов колебаний удается решить проблему развязки между колеблющейся частью резонатора и конструктивными элементами, через которые передается механическая нагрузка. Схематические конструкции и схемы нагружения тензочувствительных пьезорезонаторов показаны на рис. 7.

Рис. 7

В резонаторах (рис. 7, а и б) используются колебания сдвига по толщине, поэтому закрепление резонатора и передача усилий могут осуществляться по свободной от колебаний периферии.

В резонаторах (рис. 7, в) используются изгибные колебания, которые возбуждаются системой из четырех электродов, обеспечивающей противоположные по знаку сдвиговые деформации так, как показано на рис. 7,г. Так, если при положительном потенциале на верхнем электроде происходит в надэлектродной области сдвиг «вправо», то при отрицательном потенциале ‒ «влево» и пластина изгибается. Деформации, вызываемые в ножках резонатора колебаниями верхней и нижней пластин, взаимно гасятся, так как пластины перемещаются в противофазе.

Метрологические возможности датчиков сил, давлений, ускорений в значительной степени определяются гистерезисом и ползучестью, вызванными неидеальностью самого упругого элемента, соединительных элементов и элементов передачи силы, а также дополнительными механическими напряжениями, которые могут возникнуть в материале резонатора при изменении температуры вследствие неравных температурных коэффициентов линейного расширения материалов. Проблема решается, если датчик представляет собой монолитный кристаллаческий блок (рис. 7.д), однако такая конструкция приводит к технологическим трудностям.

Основу датчика составляет линзовый резонатор, выполненный в виде перемычки 1 в кварцевом цилиндре 2. Для герметизации применены крышки 3 и 4 также из кварца, ориентированного относительно кристаллографических осей идентично с цилиндром, что позволяет полностью устранить термонапряжение. Измеряемое давление создает всестороннее сжатие цилиндра и плоское сжатие перемычка. При этом применяется двойное термостатирование блока, которое обеспечивает стабилизацию температуры 0,05 °С.