Le capteur de pression est un instrument de mesure de précision largement utilisé dans l'automatisation industrielle, l'aérospatiale, l'équipement médical et d'autres champs. Sa fonction centrale est de convertir les signaux de pression en signaux électriques mesurables. Dans la conception de nombreux capteurs de pression, Les tiges de quartz jouent un rôle irremplaçable en tant que composant clé.

Caractéristiques de la tige de quartz

Le quartz (SiO ₂) est un minéral avec des propriétés physiques et chimiques uniques, et sa forme monocristalline (c.-à-d. Crystal Quartz) présente les caractéristiques significatives suivantes:

1. Effet piézoélectrique: Les cristaux de quartz ont des effets piézoélectriques importants, qui génèrent des charges lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique et à une déformation mécanique lorsqu'un champ électrique est appliqué. Cette caractéristique de conversion d'énergie bidirectionnelle en fait un matériau idéal pour les capteurs et les actionneurs.

2. Module élastique élevé: Le module élastique du quartz est aussi élevé que 70-100 GPa, ce qui signifie qu'il subit une déformation minimale sous contrainte et peut fournir une précision et une stabilité de mesure extrêmement élevées.

3. Stabilité de la température: les propriétés physiques du quartz restent stables sur une large plage de température, avec un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible (environ 0,55 × 10 ⁻⁶ / ℃), ce qui permet aux capteurs à base de quartz de maintenir les performances dans des conditions de température extrêmes.

4. Inerness chimique: le quartz a une excellente résistance à la corrosion à la plupart des produits chimiques et convient aux environnements industriels durs.

5. Valeur Q élevée: Le facteur de qualité mécanique (valeur Q) du quartz est extrêmement élevé, généralement entre 10 ⁴ -10 ⁶, ce qui signifie que sa perte d'énergie de vibration est extrêmement faible et peut produire des fréquences de résonance très nettes.

Le rôle spécifique de la tige de quartz dans les capteurs de pression

1. En tant que composant sensible à la pression

Dans les capteurs de pression résonnante, les tiges de quartz sont généralement conçues sous la forme de résonateurs, dont la fréquence naturelle varie avec la pression appliquée. Lorsque la pression est appliquée sur la tige de quartz, elle provoque des changements dans sa contrainte mécanique, ce qui modifie à son tour sa fréquence de résonance. En mesurant avec précision les changements de fréquence, l'ampleur de la pression appliquée peut être déterminée avec une haute précision.

Cette conception utilise l'effet piézoélectrique et les caractéristiques résonnantes du quartz, atteignant une précision allant jusqu'à 0,01% FS (pleine échelle), bien plus élevée que de nombreux autres types de capteurs de pression.

2. Fournir une référence de fréquence stable

La caractéristique élevée de la valeur Q des tiges de quartz leur permet de générer des fréquences d'oscillation extrêmement stables. Dans les capteurs de pression, cette sortie de fréquence stable peut servir de référence de mesure fiable, non affectée par des facteurs externes tels que les fluctuations de puissance et les interférences électromagnétiques.

Par exemple, dans le capteur de pression de résonance de quartz (QRS), la tige de quartz est conçue sous une forme géométrique spécifique (comme une forme en forme de fourche, en forme de faisceau ou cylindrique), et sa fréquence de résonance est linéairement liée à la pression appliquée. Cette conception peut offrir une stabilité et une répétabilité à long terme extrêmement élevées.

3. Mettre en œuvre la compensation de température

Bien que le quartz lui-même ait une excellente stabilité de la température, de petits changements de température peuvent toujours affecter la mesure entraîne des applications de haute précision. Grâce à une conception intelligente, les tiges de quartz peuvent servir à la fois de composants sensibles à la pression et de capteurs de température.

En raison du fait que la fréquence de résonance du quartz est non seulement affectée par la pression, mais aussi par la température, en mesurant les changements de fréquence de deux modes de vibration différents (tels que la fréquence fondamentale et les départs), la pression et la température peuvent être calculées simultanément, atteignant la fonction d'auto-compensation. Cette conception élimine le besoin de capteurs de température externes et simplifie la structure du système.

4. Améliorer la capacité anti-interférence des capteurs

L'effet piézoélectrique des tiges de quartz leur permet de convertir directement les signaux mécaniques en signaux électriques sans avoir besoin d'une source d'alimentation externe, ce qui les rend moins sensibles aux interférences électromagnétiques. De plus, la valeur Q mécanique élevée du quartz signifie que sa fréquence de résonance est très nette, ce qui peut distinguer efficacement les signaux réels et le bruit.

Dans les environnements industriels, cette capacité anti-ingérence est particulièrement importante pour garantir que les capteurs peuvent toujours fonctionner de manière fiable dans des conditions difficiles telles que des champs et des vibrations électromagnétiques puissants.

5. Atteindre la miniaturisation et l'intégration

Les techniques de microfabrication modernes telles que la photolithographie, la gravure, etc. peuvent traiter avec précision les structures de quartz de petite taille, permettant une miniaturisation des capteurs de pression basée sur des tiges de quartz. Ce type de microcapteur peut être intégré dans divers petits dispositifs, tels que des dispositifs médicaux implantables, des micro-robots, etc.

Par exemple, les résonateurs de quartz avec un diamètre de seulement quelques millimètres peuvent être intégrés dans les cathéters pour une surveillance en temps réel de la pression intravasculaire.

Applications typiques des capteurs de pression de tige de quartz

1. Aérospatial: utilisé pour les systèmes de données atmosphériques des avions, la surveillance de la pression du moteur, etc., nécessitant une haute précision et une fiabilité.

2. Contrôle du processus industriel: Surveillez la pression à l'intérieur des pipelines et des conteneurs dans des industries telles que les produits chimiques et le pétrole.

3. L'équipement médical, tel que la surveillance de la pression artérielle et la mesure de la pression intracrânienne, nécessite une miniaturisation et une biocompatibilité.

4. Surveillance environnementale: utilisée pour une surveillance précise des paramètres environnementaux tels que la pression atmosphérique et la mesure de la profondeur de l'eau.

5. Recherche scientifique: utilisé comme norme de pression en laboratoire ou pour la recherche en physique à haute pression.

Les tiges de quartz jouent plusieurs rôles clés dans les capteurs de pression: en tant que composants sensibles à la pression, ils atteignent une mesure de haute précision, fournissent une référence de fréquence stable, atteignent la compensation d'auto-température, améliorent la capacité anti-ingérence et soutiennent la conception de miniaturisation. Ces caractéristiques font des capteurs de pression à base de tige de quartz la solution préférée pour les applications de haute précision et de stabilité élevées.

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