Пьезорезонансный датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет уменьшить погрешность измерения за счет устранения паразитных сигналов, На корпусе 1 размещена мембрана 4 из электропроводного материала с жестким центром 5, выполняемая плоской или гофрированной с различным шагом гофрировки. Под действием давления внешней среды мембрана 4 прогибается в сторону дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2, что приводит к изменению резонансной частоты колебаний. Зазор между плоским торцом центра мембраны 5 и элементом 2 определяется из условия 100 В Р 1 ,4 Е , где Е - расстояние между плоскостями торца жесткого центра и кварцевого элемента; 1 расстояние от плоскости кварцевого элемента до вершин гофров, обращенных в его сторону. В датчике центрирующее кольцо 7 обеспечивает соосность мембраны 4 и элемента 2. 14 шт. (Л со to а 00 ю Фиг. 9

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (бд 4 G 01 L 11/00, 9/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3896082/24-10 (22) 16.05.85 (46) 30.07.87.Бюл. ¹ 28 (72) А.И.Вервейко, Н.В.Гудков, В .П .Овсянников, В .В .Скрынник и 10.С.Шмалий (53) 531 .787 (088 .8) (56) Пьезо- и акустоэлектронные устройства./ Под ред. А.Ф.Плонского, Омск, 1981, с.102-105.

Заявка ЕПВ ¹ 061359, кл. G 01 L 9/12, 1982. (54) ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЬЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет уменьшить погрешность измерения за счет устранения паразитных сигналов. На корпусе 1 размещена мембрана 4 из

ÄÄSUÄÄ 1326921 А 1 электропроводного материала с жестким центром 5, выполняемая плоской или гофрированной с различным шагом гофрировки. Под действием давления внешней среды мембрана 4 прогибается в сторону дискового плосковыпук-. лого кварцевого элемента 2, что приводит к изменению резонансной частоты колебаний. Зазор между плоским торцом центра мембраны 5 и элементом

2 определяется из условия 100 E )

> E ) 1,4 EÄ, где E, — расстояние между плоскостями торца жесткого . центра и кварцевого элемента; расстояние от плоскости кварцевого элемента до вершин гофров, обращенных в его сторону. В датчике центрирующее кольцо 7 обеспечивает соосность мембраны 4 и элемента 2.

14 ил.

I 1326921 2

11зобретение относится к измерительной технике и мож т быть использовано для измерения абсолютных и относительных давлений в замкнутых

5 объемах.

Цель изобретения — уменьшение попогрешности измерения за счет устранения паразитных сигналов.

На фиг.1 изображен дисковый плос— ковыпуклый кварцевый элемент AT-среза, разрез, на фиг.2 — дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент AT-среза вид со стороны выпуклой поверхности; на фиг.3 — распределение

15 амплитуд основного f и паразитных

Г„ и f,,„ резонансов по оси плосковыпуклого кварцевого элемента АТсреза; на фиг.4 — 6 затемненными областями представлено распределение модулей основного f и паразитных Г4„ и f, резонансов по плоской поверхности дискового плосковыпуклого элемента AT-среза на уровне больше 0,2 от максимального смеще- ?5 ния соответственно; на фиг.7 — эквивалентная схема возбуждения дисково— го плосковыпуклого кварцевого элемента ATñðåçà плоским электродом через зазор между электродом и плоской по- 30 верхностью кварцевого элемента; на фиг.8 — предлагаемый пьезорезонансный датчик давления со снятой мембраной, вид сверху; на фиг.9 — 11 — варианты выполнения пьезорезонансного датчика давления с упругой плоской мембраной с осевым цилиндрическим выступом (фиг.9) и упругими гофрированными мембранами с осевым цилиндрическим выступом и различным шагом гофрировки (фиг.10 и 11)); на фиг.

12 — 14 — расчетные изменения амплитуд паразитных резонансов t„„и f«< для различных вариантов выполнения датчиков. 45

Пьезорезонансный датчик давления состоит на корпуса 1, дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2

AT-среза, с напыленным в центре выпуклой поверхности электродом 3 с то- 5п ковыводом, упругой мембраной 4, имеющей осевой цилиндрический выступ 5, гермовводов 6, центрирующего кольца

7, генератора 8 в микроэлектронном исполнении и соединительных проводов 9.

Дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент 2 AT-среза, размещен в корпу— се 1 так,что егоповерхность параллельна иутоплена относительно плоскости стыковки мембраны4 икорпуса 1 на расстоянии 1, которое определяется диаметром осевого цилиндрического выступа 5, электрической схемой генератора 8 и дисковым плосковыпукльм кварцевым элементом 2 ATñðåçà. Кроме того, корпус 1 предназначен для установки в нем гермовводов 6, генератора 8, центрирующего кольца 7 и герметизации внутреннего объема. Гермовводы 6 и соединительные провода 9 обеспечивают подачу напряжения питания, вывод сигналов, соединение генератора 8 с круглым электродом 3 и корпусом 1. Генератор 8 обеспечивает возбуждение дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2 AT— среза через электрод 3 и второй электрод, — упругая мембрана 4 с осевым цилиндрическим выступом 5. Центрируюmee кольцо 7 служит для обеспечения соосности упругой мембраны 4 и дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2 ATñðåçà. Упругая мембрана 4 в зависимости от требований линейности, размеров датчика и диапазона измеряемых давлений может быть выполнена плоской с осевым цилиндрическим выступом (фиг.9) или гофрированной с осевым цилиндрическим высту— пом и различным шагом гофрировки (фиг.10 и 11).

Пьезорезонансный датчик давления работает следующим образом.

Упругая мембрана в зависимости от давления внешней среды прогибается в сторону дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2 AT-среза, что приводит к изменению емкости между осевым цилиндрическим выступом

5 мембраны 4 и плоской поверхностью дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2 AT-среза> т.е. изменяется емкость С „ в эквивалентной схеме на фиг.7. Это приводит к изменению резонансной частоты основного колебания.

Емкость между упругой мембраной 4 и дисковым плосковыпуклым кварцевым элементом 2 AT-среза (емкости С и С на фиг.7) также увеличивается, но в значительно меньшей мере. Это уменьшает неравномерность амплитудночастотной характеристики пьезорезонансного датчика давления вне области основного резонанса во всем диапазоне измеряемых давлений при любых

1326921

+ 1, где где R. ственно. температурах, что повышает устойчивость предлагаемого пьезорезонансного датчика давления к невозбуждению на паразитных колебаниях.

Активность колебания резонаторов

"ГБ Р . Чем меньше это сопротивление, тем больше амплитуда колебания. Увеличение ES P для паразитных резонансов приводит к уменьшению амплитуды их колебаний вне области основного резонанса.

E S P = R / I + Cp(C„) где R — динамическое сопротивление кварцевого резонатора;

С вЂ” статическая емкость кваро цевого резонатора;

С вЂ” емкость зазора в датчике.

Изменение емкости С н для основ- 20 ного резонанса (емкость С2 на фиг.7) обычно выбирают в пределах обеспечи—

Ф вающих возбуждение дискового плосковыпуклого кварцевого элемента AT-среза генератором. Минимальное значение 25

Сг„ равно 1 — 2 пФ, а максимальное—

50 — 100 пФ. Емкость С = 3+10 пФ.

Для гарантированного снижения активности паразитных резонансов во всем диапазоне изменения С, и любых

С, на 10% достаточно, чтобы 8, = 3 P„ для плоской упругой мембраны; Р< — 1,6 3„и 3г = 1,4К для гофрированных мембран (на фиг.10 и 1! ). Для гарантированного снижения на 95% достаточно, чтобы Eг = 100

На фиг.12 — 14 представлено распределение амплитуд колебаний поверхности дискового плосковыпуклого кварцевого элемента AT-среза по оси 40

Z(„, С„и Г„,) д д представленных на фиг.9 — 11 соответственно. Уменьшение амплитуд обусловлено уменьшением емкостных связей

45 мембраны 4 с областями возбуждения паразитных ангармонических колебаний, т.е, паразитные ангармоиические колебания подавлены по сравнению с плоской мембраной над поверхностью

50 кварцевого элемента.

Выполнение генератора в микроэлектронном исполнении обусловлено необходимостью сохранения постоянства емкостных связей входов генератора с корпусом датчика, что при раздельном исполнении датчика и генератора затруднено.

Предлагаемый датчик(по сравнению с известными) уменьшает неравномерность АЧХ (за счет подавления паразитных резонансов ), имеет более высокую надежность и более низкие требования к стабильности генератора.

Формула изобретения

Пьезорезонансный датчик давления, содержащий корпус с мембраной и дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент

AT-среза, обращенный плоской поверхностью к плоскости мембраны и снабженный электродом на выпуклой поверхности, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения за счет устранения паразитных сигналов, в нем мембрана выполнена из электропроводного материала с жестким центром плоской или гофрированной, при этом плоский торец жесткого центра мембраны образует зазор с плоской поверхностью кварцевого элемента, определенный из условия

100 В,! 7 Р 1 1,4 f<, à его диаметр определен из условия для плоской мембраны 0,85 К d „ a1 2,25 К„, для гофрированной мембраны d = K и совпадает с диаметром первой от центра мембраны окружности, образованной вершиной гойра, обращенной к кварцевому элементу, а диаметры последующих вершин гофров d и d< обращенных к кварцевому элементу, и противоположные им вершины гофров мембраны с диаметрами d и d; удовлетворяют соотношению с! . с1 . с1 .. dg = 2,1 К,:(Кг+

12 К„): 2К < . 2,6Кг расстояние между плоскостями торца жесткого центра и кварцевого элемента; расстояние от плоскости кварцевого элемента до вершин гофров, обращенных в его сторону

- СО, 24 Е - (R Ä /Ь, )+0,1343

-(0,218 Г (Я сФ /" î ) +0, 01 áj и Ь вЂ” радиус сферы и толщина в центре дискового плосковыпуклого кварцевого элемента соответ1326921

1326921

Фцг. 7!

326921

1326921

02 0,Ф 0Е 0,8 10 2г/0

-0,8 -О,Е -0P -0Z

Составитель Н.Богданова

Редактор А.Ревин ТехредА.Кравчук Корректор А,Тяско

Заказ 3272/36 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул. Проектная, 4