Традиционная элементная база  сенсорной электроники, применяющаяся для  мониторинга параметров окружающей среды и аппаратов – тонкопленочные тензорезистивные, терморезистивные, емкостные, индуктивные и полупроводниковые  сенсоры – уже не всегда удовлетворяет современным требованиям. Анализ показывает, что наиболее эффективным дополнением этой элементной базы является применение кварцевых пьезорезонансных чувствительных элементов (ПРЧЭ) – высокоточных и многофункциональных сенсорных преобразователей внешних воздействий, совместимых с принципами микроэлектроники. Кварцевые пьезорезонансные сенсоры температуры и давления – один из наиболее перспективных способов измерения параметров окружающей среды. В них используются пьезорезонансные элементы, изготовленные из монокристаллов кварца, физические свойства которого позволяют создавать  электронные преобразователи с  высокой чувствительностью, низким гистерезисом, малой погрешностью, высокой стабильностью и  повторяемостью характеристик.

Кварцевые пьезорезонансные сенсоры позволяют в составе электронной схемы получить среднюю погрешность порядка сотых долей процента и порог чувствительности 10^-6 – 10^-7 от верхнего предела измеряемой величины [1,2]. Наиболее востребованными пока являются сенсоры температуры и давления.

Вид рабочей характеристики преобразователя легко обрабатывается микроЭВМ. Это полином 3-ей степени: Р=Р₀ + Р₁(F-F₀) + Р ₂(F-F₀)² + Р ₃ (F-F₀)³, где Р₀ – опорное значение измеряемого параметра, F₀ и F – начальное и текущее значение частоты выходного сигнала, Р₁, Р₂, Р₃ – коэффициенты полинома.

В качестве примера отметим последние успехи, достигнутые в области некоторых кварцевых электронных преобразователей, освоенных в опытном производстве и подготовленных к освоению. По данным ГНЦ «ТЭП» и другим источникам – это электронные преобразователи:

– абсолютного давления для диапазонов измерения от 0 до 60 МПа с основной погрешностью   не более ± 0,2%;

– измерения температуры в диапазоне  –60…+125^оС с погрешностью не более ±0,2^оС;

– избыточного давления  и малых перепадов давления для измерения в интервале от  –20  до +1000 Па с основной погрешностью ±0,1%;

– силы для   измерения в интервале воздействий от 0 до 1000кГс с основной погрешностью ±0,1%; 

– плотности жидкости погружного  типа для  измерения в интервале 0,5…1,2 г/см³ с погрешностью измерения ± 0,2%;

– уровня жидкости для измерения в интервале от 0 до 15м  с погрешностью не более ± 1см; 

– атмосферного давления с погрешностью менее 0,2 мм рт.ст. в интервале рабочих температур –50…+125^оС.

Электронный преобразователь может иметь частотный, кодовый или цифровой выход. При необходимости частотный сигнал может быть преобразован в стандартный аналоговый или оптический. В последнее время достигнуты высокие результаты по долговременной стабильности кварцевых преобразователей.

Кварцевые электронные преобразователи могут найти применение в промышленности и для измерения  деформаций, ускорений, вибраций, измерения линейных и угловых величин,  массы.  Они могут применяться в расходомерах, селективных сорбционных детекторах влажности газов и их состава, высокоточных цифровых термометрах, в термоанемометрах, пьезорезонансных вакуумметрах, цифровых ваттметрах и т.п. [2]. Прецизионные кварцевые датчики могут использоваться для создания калибраторов, испытательных приборов и стендов.

К сожалению, в настоящее время область применения кварцевых электронных преобразователей пока незаслуженно мала. Это, вероятно, во многом связано с тем, что хотя о кварцевых преобразователях известно давно, к их промышленным разработкам и современному исполнению приступили сравнительно недавно. Кроме того, отсутствует  информация об их преимуществах и недостатках.

Область применения кварцевых пьезорезонансных сенсорных электронных преобразователей безусловно будет расширяться. Этому способствуют их высокие характеристики и широкие функциональные возможности.

ЛИТЕРАТУРА

1.      Безделкин В.В. Кварцевые пьезорезонансные чувствительные элементы для датчиков физических величин // Приборы. – № 11(17), 2001.

2.      Малов В.В. Пьезоэлектрические датчики. – М.: Энергоиздат, 1989.