عنوان پایان‌نامه
بررسی تاثیر روش ساخت اتصال تشدید گر بر نیرو - فرکانس در حسگرهای تشدیدی کوارتز
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک- ساخت و تولید
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3074;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70988
- تاریخ دفاع
- ۲۵ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- حسین دانش پژوه
- استاد راهنما
- محسن حامدی
- چکیده
- برخلاف سایر کاربردهای تشدیدگر کریستال کوارتز، در کاربرد حسگری از خاصیت غیرخطی بودن کوارتزاستفاده می شود. در این پژوهش رفتار غیرخطی سنسورهای کریستال کوارتز فشار – دما تحت اثر پارامترهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. به این منظور ابتدا مدل المان محدود با شرایط همگن دمایی، با استفاده از فرمول بندی لاگرانژی برای ارتعاشات با دامنه کوتاه، پیاده سازی شده است. بررسی-های اولیه نشان داد، که مدل المان محدود اولیه، توانایی پیش بینی رفتار تشدیدگر در شرایط دما بالا را ندارد. لذا با آنالیز حساسیت ضرایب سفتی درجه سوم کوارتز نشان داده شد، که ضرایب ( ) تاثیر بسزایی در این رفتار سنسورهای مربوطه دارند. نهایتا با استفاده از ضرایب بدست آمده توسط محمدی، مدل المان محدود اصلاح شده ای ارائه شد، که بر دقت نتایج پیش بینی شده افزود. نتایج مدل اصلاح شده با شرایط همگن دمایی با آزمایشات گذشته مطابقت خوبی از خود نشان داده اند. همچنین به منظور اطمینان از مدل مربوطه، رفتار دما - نیرو در یک رزوناتور مربعی مورد آزمایش تجربی قرار داده شد، و نتایج آن با نتایج المان محدود مورد مقایسه قرار داده شد، که نتایج حاصله تطابق خوبی با پیش بینی مدل داشت. نهایتا با استفاده از مدل اصلاح یافته به بررسی پارامترهای مختلف در ساخت، طراحی و اتصالات سنسورهای تشدیدگر کوارتز پرداخته شد. به این منظور تاثیر عوامل مختلف، از جمله هندسه بدنه سنسور، اثر هندسه تشدیدگر، اثر دقت ساخت و برش تشدیدگر، اثر دما و غیره در حساسیت و بازه کاری سنسور مربوطه مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصله نشان داد که، مدل المان محدود اصلاح شده می تواند ابزار خوبی برای بررسی پارامترهای مختلف دخیل در عملکرد سنسور باشد و همچنین به منظور ساخت و طراحی بهینه سنسور با شرایط کاری مختلف ابزاری مناسب خواهد بود. واژه‌های کلیدی: اثر نیرو – فرکانس؛ سنسور تشدیدگر کوارتز؛ ارتعاشات غیرخطی؛ پیزوالکتریسیته؛ المان محدود.
- Abstract
- Performance of quartz resonator pressure sensors depend on the nonlinear behavior of their quartz crystals. Therefore, realizing the behavior of these resonators can assist in a better sensor design and application. The current work considered developing a non-linear finite element model (FEM) to investigate the effect of different manufacturing, design and joining process effects on prevalent pressure sensors. To do this, a temperature homogenous model was developed and validated by experimental data. The model includes two main parts, according to the Lagrangian formulation proposed by Lee and Yong [14]. The initial part is in charge of static study of different external biases and the second part is designed to evaluate the frequency eigen-modes on resonator. To improve the performance of the model in high temperatures, a sensitivity analysis on third order stiffness coefficients of quartz was used. As a result, four of the stiffness coefficients were found to have dominant influence on force-frequency effect. Through using first temperature derivatives, a new model was developed, that improved the accuracy of the FEA model. Force-temperature-frequency experiments were performed on a square plate resonator where the results displayed a good agreement with FEM outputs. The new model was used to investigate the effect of different parameters such as sensor and resonator geometry, temperature and transverse force, on sensor sensitivity and accuracy of the pressure sensors. The proposed model shows a good potential to be used as a design and optimization tool in sensor design, especially for harsh environments such as oil and gas industry. Keywords Quartz, Force-Frequency Effect, Nonlinear Vibration, Piezoelectricity, Pressure sensors, Finite element.
