عنوان پایان‌نامه
ساخت صفحات تشدید گر حسگر های کوارتزی وبررسی تجربی تاثیر ضرایب درجه سه سفتی بر رفتار حسگر در دما و فشار بالا
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک- ساخت و تولید
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77372;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77372
- تاریخ دفاع
- ۲۴ مرداد ۱۳۹۵
- دانشجو
- محمد مصطفی محمدی
- استاد راهنما
- محسن حامدی
- چکیده
- هدف از این رساله تعیین ضرایب سفتی درجه سه لازم برای مدل سازی پاسخ حسگر های فشاری کوارتز ساخته شده از برش AT در دماهای بالاتر است. ابتدا معادله ریاضی تغییر فرکانس تشدید گر کوارتزی بر اثر اعمال کرنش های حرارتی و مکانیکی بدست آمده است. با استفاده از این معادله و نتایج آزمایش نیرو فرکانس برای تشدیدگر دایروی در دمای اتاق و دمای 80 درجه، ضرایب موثر درجه سه سفتی محاسبه شده اند. برای این کار از روش مدل سازی معکوس استفاده شده است. با فرض تغییرات خطی ضرایب درجه سه نسبت به دما، مقادیر مشتقات دمایی ضرایب درجه سه سفتی محاسبه شده اند. برای ارزیابی ضرایب محاسبه شده، آزمایش های نیرو فرکانس برای تشدیدگر مربعی در دماهای 25، 80، و 105 درجه انجام شده اند. از طرفی به کمک مدل ریاضی و ضرایب استخراج شده، تغییر فرکانس تشدیدگر مربعی بر اثر اعمال نیرو در دماهای ذکر شده بدست آمده و با نتایج آزمایش ها مقایسه شده است. در نهایت به کمک شبیه سازی عددی پاسخ حسگر فشاری در دمای 25 الی 150 محاسبه و با نتایج موجود مقایسه شده اند. این مقایسه ها نشان دهنده کاهش خطای شبیه سازی حسگر در دمای 150 درجه و فشار 5000psi از 20 درصد به 4 درصد است. با استفاده از مدل عددی ساخته شده برای حسگر، اثرات تغییر جنس یدنه حسگر از حالت تمام کوارتزی به بدنه های فلزی از نظر حساسیت فشاری و دمایی بررسی شده است. این بررسی نشان دهنده نزدیک بودن رفتار برخی فلزات به کوارتز می باشد. از نتایج رساله و مدل عددی ساخته شده می توان برای بهینه سازی طراحی حسگر های کوارتزی و پیش بینی دقیق تر رفتار آنها استفاده کرد. واژه های کلیدی: کریستال کوارتز، ضرایب درجه سه سفتی، فرکانس تشدید، دما، فشار، حسگر های فشاری
- Abstract
- The aim of this investigation is determining necessary third order elastic constants (TOEs) of AT-Cut quartz crystal, to model the response of a quartz resonator pressure sensor at high temperatures. For this, an explicit formula is derived for determining the frequency shift of quartz resonators subjected to thermo-mechanical biases. By employing this formula, and the results of force-frequency experiments for circular resonators at , the TOEs were extracted using an inverse modelling technique. By assuming a liner dependence between the TOEs of quartz and temperature, the first temperature derivative of these constants were determined. New force-frequency experiment were carried out on square quartz resonators at . Also, the frequency shift of square resonators were calculated by using the mathematical model, and the extracted first temperature derivative of TOEs. The results of experimental study and mathematical model were in good accordance. Finally, the response of a quartz resonator pressure sensor to the pressure at was investigated by FEM method. The simulation results were compared with published experimental data. The comparison shows that, by employing new TOEs, the simulation error in calculating the response of pressure sensor at , decreases from to . By using the developed numerical model, the effect of altering the material used for sensor’s body from quartz to metallic materials were investigated. It was shown that the response of the sensor is depended on the body material, and some metallic bodies behaves like quartz. The results of this investigation and the developed model can be used for accurate prediction of the response of quartz resonator pressure sensors and their design optimization.
