طراحی و شبیه سازی حسگر نیروی دو حالته کوارتزی

کریستال کوارتز مادهای پیزوالکتریک است و با اعمال ولتاژ متناوب، می‌توان در آن ارتعاش مکانیکی ایجاد کرد. فرکانس طبیعی این ارتعاش با اعمال تنش و تغییر دمای کریستال تغییر می‌کند. به همین علت از این کریستال در ساخت انواع نیروسنج‌ها و حسگرهای دمایی استفاده می‌شود. در این مقاله یک حسگر نیروی دیجیتال بر اساس اثر نیروفرکانس در کریستال کوارتز با برش آ.تی طراحی و شبیه‌سازی شده است. این حسگر در دو مود کاری قابل فعال‌سازی است. در مود اول، حساسیت حسگر نسبت به نیرو بیشینه است. در مود دوم خطای دمایی حسگر کاهش می‌یابد. خروجی حسگر با ترکیب روش المان محدود و مدل‌سازی ریاضی بدست آمده است. جهت ارزیابی مدل از مطالعات تجربی پیشین درباره ضریب نیرو-فرکانس استفاده شده است. همچنین اثر زوایا و طول لبه تکیه‌گاه‌های اعمال نیرو بر خطای دمایی حسگر و حساسیت آن در مودهای 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 پذیری و دقت اندازه‌گیری را در دمای اتاق و کاهش خطای اندازه‌گیری در دماهای غیر دمای اتاق را می‌دهد.

Design and Simulation of a Dual-State Quartz Resonator Force Sensor

Quartz crystal is a piezoelectric material which is used as the sensing element in resonator load cells and temperature sensors. In the resonator force sensors, upon forcefrequency effect, the resonance frequency of the quartz crystal is changed when the crystal is subjected to external forces. The amount of frequency shift depends on the temperature of the crystal. In this article, a new quartz resonator force sensor is designed and simulated. The sensor is working based on the force[1]frequency effect and has two working states with different loading conditions. At the first state, the force sensitivity of the sensor is maximum, and at the second loading state, the temperature effect on the force sensitivity may be minimum. The frequency shift of the load sensor is calculated by the combination of the mathematical modelling and finite element method. The simulations are performed at a temperature range of (0100 °C). The effect of force azimuth angles and the length of flats of the resonator disk on the force sensitivity and temperature error of the sensitivity are evaluated. The designed double state sensor gives us the opportunity to increase the resolution and precision of force measurement at room temperature, and reduce the thermal error at other temperatures.