Датчик давления

 

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий две мембраны, выполненные из . пьезокристалла одинакового среза, при этом на мембранах сформированы встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн и измерительный прибор, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности в широком диапазоне температур, в него дополнительно введены первый и второй смесители частоты и сумматор частоты , а мембраны ориентированы так, что их кристаллографические оси параллельны и жестко закреплены на торцах цилиндрического кольца, выполненного из такого же и так же ориентированного пьезокристалла, в котором для крепления и подачи давления выполнено отверстие, ось которого ориентирована относительно кристаллографических осей мембран и кольца в направлении минимальной тензочувствительности, а на внешних плоскостях каждой из мембран сформированы по два встречно-штыревых преобразователя поверхностно-акустических волн, причем преобразователи на первой мембране ориентированы . в направлении максимальной положительной тензочувствительности, а на второй - в направлении максималь ной отрицательной тензочувствительности , каждая пара преобразователей расположена на мембране так, что один находится в центре мембраны, а другой на ее периферии, преобразователи первой мембраны подключены к первому смесителю частот, преобразователи второй мембраны -.ко второму, О) 4 выходы обоих,смесителей подключены к входам сумматора частот, выход jcoсд торого подсоединен к измерительному 0д прибору. СП

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(5!) G О! L I 1 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ KOMHTET СССР

ПС ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3601809/24-10 (22) 06.06.83 (46) 30.06.85. Бюл. IIr 24 (72) И. Е. Сырмолотнов (71) Рязанский радиотехнический институт " (53) 531.781(088,8) . (56) I. Патент США !! 4.265.125, кл. G 01 L 9/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

В 830166, кл . G 01 1 11/00, 13/02, 1982.(прототип). (54) (57) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий две мембраны, вылолиенные из . пьезокристалла одинакового среза, при этом на мембранах сформированы встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн и измерительный прибор, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности в широком диапазоне температур, в него дополнительно введены первый и второй смесители частоты и сумматор частоты, а мембраны ориентированы так, что их кристаллографические оси параллельны и жестко закреплены на торцах цилиндрического кольца, вы„„SU,,1164565 полненного из такого же и так же ориентированного пьезокристалла, в котором дпя крепления и подачи давления выполнено отверстие, ось которого ориентирована относительно кристаллографических осей мембран и кольца в направлении минимальной те из очувстви тельно сти, а на внешних плоскостях каждой из мембран сформированы по два встречно-штыревых преобразователя поверхностно-акустических волн, причем преобразователи на первой мембране ориентированы в направлении максимальной положительной тензочувствительности, а на второй — в направлении максимальной отрицательной тензочувствительности, каждая пара преобразователей расположена на мембране так, что один находится в центре мембраны, а другой на ее периферии, преобразователи. первой мембраны подключены к первому смесителю частот, преобразователи второй мембраны †.ко второму, выходы обоих, смесителей подключены к входам сумматора частот, выход .которого подсоединен к измерительному прибору.

1164565.

15

25

30 ка.

45

55

Изобретение относится к техннике измерения давления жидких и газообразных сред в широком температурном диапазоне, в частности к датчикам давления, и может быть использовано как составная часть многоканальной информационно-измерительной системы с частотной формой обрабатываемых сигналов. Датчик осуществляет непосредственное преобразование давления в частотный выходной сигнал.

Известен датчик давления, состоящий из пьезоэлектрической мембраны, на которой нанесены встречно-штыревые преобразователи поверхностноакустических волн (ПАВ), образующих две линии задержки. Мембранный тензопреобразователь установлен в корпусе 1 1 ).

Однако из-за различия коэффициентов линейного расширения мембраны и корпуса, жестко связанного с мембраной, происходит значительный дрейф 1 начальной частоты ПАВ-генератора, который трудно рассчитать и полностью скомпенсировать.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик разности давлений, содержащий две параллельно установленные в корпусе пьезокристаллические мембраны, на внутренних поверхностях которых размещены преобразователи ПАВ 12).

Недостатки этого датчика — температурная зависимость резонансной частоты ПАВ-резонаторов и невысокая чувствительность датчика давления.

Цель изобретения — увеличение . чувствительности в широком диапазоне температур.

Цель достигается тем, что в датчик давления, содержащий две мембраны, выполненные из пьезокристалла одинакового среза, при этом на мембранах сформированы встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн и измерительный прибор, введены первый и второй смесители частоты и сумматор частоты, а мембраны ориентированы так, что их кристаллографические оси параллельны и жестко закреплены на торцах цилиндрического кольца, выполненного из такого же и так же ориентированно. го пьезокристапла, в котором для крепления и подачи давления выполнено отверстие, ось которого ориентирована относительно кристаллографических осей мембран и кольца в направлении минимальной тензочувствительности, а на внешних плоскостях каждой из мембран сформированы по два встречно-штыревых преобразователя поверхностно-акустических волн, причем преобразователи на первой мембране ориентированы в направлении максимальной положительной тензочувствительности, а на второй — в направлении максимапьной отрицательной тенэочувствительности, каждая пара преобразователей расположена на мембране так, что один находится в центре мембраны, а другой на ее периферии, преобразователи первой мембраны подключены к первому смесителю частот, преобразователи второй мембраны — ко второму, выходы обоих смесителей подключены к входам сумматора частот, выход которого подсоединен к измерительному прибору.

На фиг. 1 представлен разрез датчика давления плоскостью, перпендикулярной поверхности мембран, (разрез Г-Г на фиг. 2); на фиг. 2 — разрез датчика плоскостью, параллельной поверхности мембран, (раэрез А-А на фиг. 1); на фиг. 3 — вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 — вид В на фиг. 1; на фиг. 5 — взаимное положение кристаллографических осей мембран и кольца; на фиг. 6 — структурная схема датчиДатчик давления состоит из мембранной коробки, образованной плоскими пьезоэлектрическими мембранами

1 и 2, жестко связанными с промежуточным кольцом 3, Ориентация основных плоскостей мембран и кольца относительно кристаллофизических осей кристалла одинакова и выбрана таким . образом, чтобы тензочувствительность фазовой скорости ПАВ хотя бы к одной компоненте механических деформаций в поверхностном слое мембраны принимала в зависимости от направления распространения ПАВ как положительные, так и отрицательные значения, например плоскость XOZ пьезокварца 9 L/-45 -среза.

Соединение мембран и.кольца осуществляется, например, методом спекания в вакууме легкоплавким стеклом..

В стенке кольца по радиусу в направлении минимальной тензочувствительности выполнено отверстие, в которое установлена тонкостенная труб3 1)64565 ка 4, предназначенная для подачи дав- с ления среды в полость мембранной ко-) т робки и механического крепления коробки в основании 5 корпуса. Темпе- . б ратурный коэффициент расширения ма- 5 и териала трубки и кольца близки по в значению. При заметном их расхожде- ге .нии используется промежуточное элас- ко тичное связующее вещество. В целях дополнительного снижения влияния lO эо основания корпуса на тепловую дефор- мо мацию мембран толщина стенок трубки и

4 и ее внешний диаметр выбраны минимально допустимыми из соображений ге предела прочности и значительно мень-15 тр шими, чем высота кольца 3. Длина пл свободного участка трубки 4 превы- ге шает ее внешний диаметр. 1ва

На внешней поверхности мембраны кр

1 сформирована топол огическая струк- 20 из тура из основного 6 и опорного 7

ПАВ-резонаторов, ориентированных в об направлении максимальной отрицательной "тензочувствительности фаэовой мо скорости ПАВ к суммарному воэдей- . 25 за ствию продольных, поперечных и вер- ме тикальных деформаций, например вдоль оси Х. Резонатор 6 расположен в ре центре, его размеры выбираются ге исходя из условия максимального от- ЗО реэ рицательного изменения частоты при т.е нагружении мембраны избыточным дав- чув лением. Резонатор 7 смещен парал- дел лельно основному к периферии MeM6pa-, из ны на некоторое расстояние, при ко- ку

35 тором происходит противоположное по нап знаку .изменение частоты относительно Для изменения частоты резонатора 6. п

На внешней поверхности мембраны

2 размещена топологическая структура, состоящая иэ дополнительного 8 и вспомогательного 9 ПАВ-ре э онаторов ориентированных в направлении мак.симальной положительной тенэочувствительности фазовой скорости ПАВ к суммарному воздействию продольных, поперечных и вертикальных относительно вектора скорости волны компонент деформации. Резонатор 8 расположен в центре мембраны, его размеры выбраны исходя из условия максимального положительного изменения частотыпри н агружении иэ бы точным давл ен нем.

Резонатор 9 смещен к периферии мембраны на некоторое расстояние, при котором происходит изменение его резонансной частоты в IIpoTHBoIIQJIQKHYIO торону относительно изменения часоты резонатора 8.

Для защиты электродов резонаторов

-9 от повреждения, воздействия влаги изменений присоединенной массы оздушной среды мембранная коробка рметизируется в объеме с помощью жуха 10.

Для электрического соединения ренаторов с внешними цепями предустрены контактные площадки 11-13 !

4-16 на поверхности мембран 1 и 2.

B основании корпуса установлены рмовводы 17-19 и 20-22 дпя элекической коммутации с контактными ощадками резонаторов. Сигнальные рмовводы 17, 19 и 20, 22 изолироны от корпуса. В основании 5 эа- 1 еплен патрубок 23 для подключения меряемого давления.

Устройство работает следукнцим разом.

При воздействии давления измеряей среды в поверхностном слое жесткощемленных мембран 1 и 2 возникают ханические деформации.

Тензочувствительность частоты ПАВэонатора имеет две составляющие— ометрическую, т.е. изменение длины онансной полости, и акустическую, изменение скорости ПАВ. Тензоствительность скорости ПАВ к.от" ьным компонентам деформации xomIo менять в широких пределах и по знаи по величине, выбирая срез и равление распространения волны. мембран одинакового среза, наример YXL/-45 -среза пьеэокварца, изменение скорости ПАВ от деформации може1 быть противоположно по знаку, если направление распространения

ПАВ (ориентация электродов ПАВ-резонатора) на первой мембране выбрано под некоторым углом, например 45 относительно направления распространения ПАВ на второй мембране, например вдоль оси ОХ.

Таким образом, частота резонатора

6 при воздействии давления. принимает значение f„ -М„, а резонатора 7— значение Й L!f> при воздействии разных по знаку и величине деформаций в центре мембраны и на периферии.

Раэностная частота резонаторов 6 и

Df<> ЙЙ1 +c5f . Аналогично для резонаторов второй мембраны при воздействии давления частбта резонатора

8 равна f>+df» а резонатора 9 равна

1164565 и -df+. Разность частот резонаторов 8 и 9 принимает значение

4f ><,абаз + Л Е,1, При дифференциальйо"мостовом включении резонаторов, как показано на фиг. 6, осуществляет- 5 ся вычитание частот резонаторов 6,7 и 8,9 соответственно и сложение разностных частот Ь Я1zè Й Й91е В РЕ ЗУЛЬ тате разностно-суммарной обработки выходной сигнал датчика, фиксируемый измерительным прибором 24,выра" жается формулой

12 ЗФ 1 2 9 +

Деформация поверхностного слоя мембраны из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения мембран и кольца минимальна, так как мембраны и кольцо выполнены из материала одинакового среза и теп20 ловая деформация связана лишь с влиянием тонкого связующего слоя— легкоплавного стекла. Однако и эта .величина компенсируется при дифференциальном включении пары ПАВ-резонаторов.

Влияние основания 5 корпуса компенсируется путем ориентации отверстия в стенке кольца 3 в направлении минимальной тензочувствительности, например под углом 30 к оси Ох пьезокварца YXL/-45 -среза.

Технико-экономическая эффективнесть данного датчика давления состоит в повышении чувствительности и уменьшении температурной погрешности в широком температурном интервале.

1 164565

Составитель А. Зосимов

Редактор N. Бандура Техред О.Неце Корректор Л. Пилипенко

Заказ 4178/38 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4