кварцові тензодатчики це продукт нової динамічно розвивається технології, яка в десятирічний термін переконливо довела свою конкурентоспроможність. Залучення все більшого числа підприємств, що беруть участь у виробництві, експлуатації та технічному обслуговуванні пристроїв, що використовують кварцові тензодатчики , Призводить до популяризації даного типу шляхом адекватної оцінки їх переваг. Цей же процес стимулює подальшу роботу з удосконалення технології та продукції, виробленої з її допомогою.
Трохи більше десяти років тому на ринку, безумовно, домінували тензорезисторні датчики , Незважаючи на те, що пристрої з частотним вихідним сигналом потенційно перевершують тензорезисторні за якістю обробки і передачі інформаційного сигналу.
Головними перевагами тензорезисторного типу є висока лінійність характеристики перетворення і розвинена технологія виробництва тензорезисторов. Основним недоліком малий вихідний сигнал, який важко вимірювати з високою точністю, і тільки успіхи в розвитку техніки спеціалізованих аналого-цифрових перетворювачів забезпечили конкурентоспроможність тензорезисторних датчиків по відношенню до датчиків інших типів, зокрема виброчастотні, і їх широку застосовність.
Виброчастотні датчики володіють важливою перевагою, таким як частотний вихідний сигнал, легко перетворений в цифру. Однак істотна нелінійність характеристики перетворення і нетехнологічність серйозно обмежили їх застосовність.
Тензокварцевий датчик з'явився на світ як компроміс, що поєднує в собі переваги, зазначених вище типів датчиків і позбавлений їх недоліків. Принцип дії цього датчика заснований на вимірюванні сумарною девіації частоти двох вимірювальних кварцових генераторів, включених по диференціальної схемою. Як частотозадающих елементів в цих генераторах використовуються тензочувствітельності кварцові резонатори (КР).
Малюнок 1. Блок-схема датчика сили
Залежність коефіцієнта перетворення тензочувствітельності КР від значення його власних фізичних і геометричних параметрів описується наведеної нижче формулою:
df / dF = Kf * (f2 / h),
де F - сила;
f - власна частота КР;
Кf - коефіцієнт Ротайского;
h - ширина пластини КР.
В межах міцності КР яка вимірюється девіація частоти може досягати значень перевищують 40 кГц. В реальних конструкціях номінальні навантаження на резонатор не перевищують значень викликають девіацію його частоти більш ніж 5 кГц, що обумовлює велику перевантажувальну здатність датчика.
Розвинена технологія виробництва п'єзоелементів КР забезпечує хорошу ідентичність їх параметрів. Це, дозволяє при реалізації диференціальної схеми навантаження КР отримати високу ступінь лінійності характеристики перетворення датчика (не гірше 0.01%).
Таким чином, тензокварцевий датчик , Побудований з диференціальної схемою, забезпечує частотний вихідний сигнал з великою корисною девіацій, який легко вимірювати з високою точністю, і лінійну характеристику перетворення. При цьому, процес виготовлення кварцових п'єзоелементів і виробництво датчиків на їх основі не поступається по технологічності процесу виробництва датчиків тензорезисторного типу. Ці переваги дозволили за одне десятиліття просунути новий тип тензодатчика з небуття в положення одного з найбільш вживаних типів в вагобудування.
Для того, щоб реалізувати потенційні переваги тензокварца необхідно було знайти конструктивні і технологічні рішення обеспечіваюшіе можливість механічної передачі вимірюваного зусилля на кварцовий п'єзоелемент без погіршення параметрів його резонансної системи, а також розробити спосіб захисту п'єзоелементів від впливу навколишнього середовища і перевантажень.
Результатом робіт націлених на вирішення цих проблем, стало створення спеціального кварцового пьезоелемента. Цей п'єзоелемент є тонкою (не більше 200 мкм) плоскопараллельную кварцову пластину прямокутної форми з електродами, розташованими в центрі по обидва боки пластини. Поздовжній розмір електродів не перевищує однієї третини довжини пластини. Спеціальна орієнтація зрізу пластини (АТ-зріз) та її геометрія дозволяють порушувати в тілі пьезоелемента коливання зсуву по товщині, які дислокуються в центральній поделектродной області. При цьому периферійні області виявляються практично вільними від коливань, що дозволяє кріпити п'єзоелемент поблизу країв без помітного погіршення його добротності. Були розроблені спеціальні пружні елементи, що реалізують диференціальну схему навантаження кварцових резонаторів і технологія клейового з'єднання п'єзоелементів з пружними елементами. В активній зоні пружного елемента кварцові резонатори закріплені на протилежних поверхнях вертикально орієнтованої плоскопараллельной пластини, що працює на зріз. Кварцові резонатори розташовані так, щоб осі їх тензочувствительности були взаємно перпендикулярні. Перерізують зусилля, що впливає на пластину, викликає в одному з резонаторів напруги стиснення, а в іншому відповідно розтягування реалізуючи тим самим диференціальну схему їх навантаження з високим ступенем симетрії. Гістерезис і нелінійність характеристики перетворення серійно випускаються датчиків не перевищують значення 0.02% від межі вимірювання, а часовий дрейф нуля при номінальному навантаженні відповідно не перевищує 0,01% / год. Датчик має велику перевантажувальну здатність. При чотирикратної перевантаження метрологічні характеристики датчиків відновлюються не більше ніж через 5 хвилин після зняття навантаження. Руйнівне зусилля перевищує номінальну більш ніж в п'ять разів. Наприклад, для датчиків з межею вимірювання 15 кН руйнівне навантаження складає 80 - 120 кН. При даних навантаженнях відбувається руйнування кварцових п'єзоелементів, що добре співвідноситься з теорією.
Вихідний сигнал датчика є послідовність імпульсів з початковою частотою (ненавантаженого стан датчика) 3 - 5 кГц і корисною девіацій 7 - 10 кГц. Короткочасна нестабільність частоти вихідного сигналу датчика (шумові флуктуації) не перевищує рівня 0,01 Гц, а роздільна здатність вимірювання частоти досить просто забезпечується на рівні (delta) f / f = 10-7 ... 10-10, що дозволяє забезпечити динамічний діапазон виміру, розуміється як відношення значення корисної девіації частоти до величини дискретності вимірювання, не менше 106.
Вплив зміни температури навколишнього середовища на характеристику перетворення датчика обумовлено в основному двома причинами. По-перше, відбувається зміна тензочувствительности кварцових пьезорезонаторов, внаслідок залежності їх коефіцієнтів пружності від температури. По-друге, змінюється початкова частота (нуль) датчика, оскільки різниця коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів пружного елемента і п'єзоелементів призводить до виникнення додаткових механічних напруг в тілі п'єзоелементів при зміні температури.
Використовувані п'єзоелементи АТ-зрізу мають практично лінійну залежність коефіцієнта тензочутливості від температури в діапазоні від мінус 400С до плюс 50 0С. Крутизна цієї залежності не перевищує значення 0,8% на 10 0С.
Для компенсації температурної зміни коефіцієнта перетворення датчика використовується програмно-апаратний спосіб. Вимірювання температури в активній зоні датчика здійснюється за допомогою вбудованого термочутливого кварцового резонатора. Програмне зміщення показань датчика дозволяє зменшити його температурну чутливість до величини не перевищує 0,01% на 10 0С.
Залежність нуля датчика від температури викликана різницею коефіцієнтів лінійного розширення пьезоелемента і пружного елемента описується наведеним нижче співвідношенням:
(Delta) f / f = Кт * Скв * (delta) L * (delta) t,
де Кт - коефіцієнт тензочутливості;
Скв - модуль пружності кварцу в напрямку деформації п'єзоелемента;
(Delta) L - різниця коефіцієнтів лінійного розширення.
Для зменшення впливу температури на «нуль» датчика його конструкція розроблена так, що п'єзоелементи включені з диференціальної схемою забезпечують значення температурних доглядів без спеціальної компенсації не більше? 0,2% на 10 0С. Так як точність компенсації температурного впливу в даному випадку залежить від ідентичності параметрів п'єзоелементів, спеціальний підбір пар п'єзоелементів дозволяє зменшити температурні відходи в десять разів, тобто до 0,02% на 10 0С, а при наявності додаткової програмної компенсації ще на порядок.
Захист п'єзоелементів датчика від впливу навколишнього середовища забезпечується шляхом їх герметизації за допомогою металевих ковпачків.
У серійному виробництві датчиках електронний перетворювач інтегрований в тіло пружного елемента і забезпечує масштабування, температурну корекцію характеристики перетворення та цифрову фільтрацію інформаційного сигналу.
Інтерфейс зв'язку з зовнішніми пристроями забезпечує:
- Передачу результатів вимірювання в одиницях сили або маси
- Передачу результатів вимірювання датчика сили і датчика температури
- Запис даних і зчитування параметрів датчика сили
- обнулення показників
- Запис і читання початкової частоти датчика сили
- Присвоєння і читання ідентифікаційного номера датчика
- калібрування датчика сили
- Зв'язок здійснюється по двухпроводной лінії з параметрами
- Напруга живлення, В від 8 до 10
- Струм, не більше мА 15
- Амплітуда інформаційного сигналу, не менше, В 0.5
- Стандартна довжина лінії зв'язку, м 5
- Середовище обміну RS-232
Ступінь захисту датчиків від проникнення води, пилу і сторонніх предметів відповідає вимогам IP65 - IP67.
Допустимий робочий діапазон зміни температури навколишнього середовища -10 (-30) С + 40С.
Джерело: Офіційний сайт Групи МІРА
