طراحی و شبیه سازی حسگر نیروی دو حالته کوارتزی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی مکانیک/دانشکده فنی/ دانشگاه زنجان

چکیده

کریستال کوارتز از جمله مواد پیزوالکتریک است و با اعمال ولتاژ الکتریکی متناوب، میتوان در این کریستال ارتعاش مکانیکی ایجاد کرد. فرکانس طبیعی این ارتعاش به با اعمال تنش و تغییر دمای کریستال تغییر میکند. به همین علت از این کریستال در ساخت انواع نیرو سنج ها و حسگر های دمایی استفاده می شود. در این مقاله یک حسگر نیروی دیجیتال بر اساس اثر نیرو-فرکانس در کریستال کوارتز AT-Cut طراحی و شبیه سازی شده است. این حسگر در دو مود کاری قابل فعال سازی است. در مود اول، حساسیت حسگر نسبت به نیرو بیشینه است. در مود دوم خطای دمایی حسگر کاهش می یابد. خروجی حسگر نیرو با ترکیب روش المان محدود و مدل سازی ریاضی بدست آمده است. جهت ارزیابی مدل از مطالعات تجربی پیشین در باره ضریب نیرو فرکانس بهره گرفته شده است. همچنین اثر زوایای اعمال نیرو و طول لبه تکیه گاه اعمال نیرو بر خطای دمایی حسگر و حساسیت آن در هر دو مود کاری بررسی شده است. خروجی حسگر در بازه دمایی صفر الی صد درجه سانتیگراد بدست آمده است. حسگر دو حالته طراحی شده، امکان افزایش تفکیک (resolution) و میزان دقت اندازه گیری نیرو را در دمای اتاق و کاهش خطای اندازه گیری (accuracy) در دماهای غیر دمای اتاق را می دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

design and simulation of a dual mode quartz resonator force sensor

نویسنده [English]

  • Mohammad Mostafa Mohammadi
mechanical engineering department/faculty of engineering/ Zanjan University
چکیده [English]

Quartz crystal is a piezoelectric material and due to the inverse piesoelectric effect, applying an AC voltage to this crystal makes the crystal to vibrate. The natural frequency of these forced vibrations varies with the application of mechanical stresses, and temperature change in the crystal. In this article, a digital resonator force sensor was designed and simulated. This new force sensor has two working mode. In the first mode, the sensitivity of the sensor to the applied force is maximum, and in the second mode, the temperature error of the sensor is reduced. The sensor output in these working modes was simulated by a numerical-mathematical model. The model was verified by experimental data in previous literature. The effect of force azimuth angle, and length of loading edges at the crystal, were evaluated on both working modes.
The possibility of making measurements in two working modes leads to the increase of measurement resolution, by increase in sensitivity, and also the increase of measurement accuracy, by decreasing the thermal error on the sensor.

کلیدواژه‌ها [English]

  • dual mode force sensor
  • force frequency effect
  • thermal error
  • response modelling