Датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения давления . Чувствительный элемент 1 выполнен в виде мембраны с утолщенной периферийной частью, которая посредством штока 2 соединена с диском 3, расположенным внутри глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5 о Диаметр глухого торцового отверстия 4 по оси симметрии пьезоэлектрической пластины 5 превышает ее толщину За счет использования конструкций мембраны и пьезоэлектрической пластины 5, нежесткой связи между ними, изменения топологии периодических отражательных решеток , использования различных срезов пьезоэлектрических материалов, обладающих высокими коэффициентами термостабилизации, дифференциального включения линий задержек в датчике возможна регистрация меньшего приращения входной величины, что приводит к уменьшению зоны нечувствительности при измерении давления. 3 ил. S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 G 01 Ь 11/00 9/08

3CP1g: „

/ тк.: ц

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4133918/24-10 (22) 14. 10.86 (46) 30,03.88, Бюл. 11 12 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) С.И. Жуйков (53) 531.787(088.8) (56) Патент Франции М- 2466763, кл. G 01 Ь 9/08, 1981.

ТИИЭР, 1976, т, 64, 1Ф 5, с. 226228. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, Цель изобретения— повышение точности измерения давления. Чувствительный элемент 1 выполнен в виде мембраны с утолщенной периферийной частью, которая посред„„SU„„1384983 А 1 ством штока 2 соединена с диском 3, расположенным внутри глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5. Диаметр глухого торцового отверстия 4 по оси симметрии пьезоэлектрической пластины 5 превышает ее толщину. 3а счет использования конструкций мембраны и пьезоэлектрической пластины 5, нежесткой связи между ними, изменения топологии периодических отражательных решеток, использования различных срезов пьезоэлектрических материалов, обладающих высокими коэффициентами термостабилизации, дифференциального включения линий задержек в датчике возможна регистрация меньшего приращения входной величины, что приводит к уменьшению зоны нечувствительности при измерении давления. 3 ил, 1384983

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля давления газообразных и жидких сред.

Целью изобретения является повы5 шение точности измерения давления.

На фиг. 1 изображен датчик давления, разрез; на фиг. 2 — разрез А-А на фиг. 1 на фиг. 3 — дифференциально-частотная схема измерения.

Датчик содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде монокристаллической колпачковой мембраны с утолщенной периферийной частью, которая посредством штока 2 соединена с пьезоэлектрическим диском 3, расположенным внутри глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5. Глухое торцовое отверстие 20

4 выполнено по оси симметрии пласти-ны 5 диаметром, превышающим толщину пластины 5. Это условие является обязательным для работы предлагаемого датчика. В то же время диаметр 25 нельзя увеличивать бесконечно, поскольку при этом поверхностная акустическая волна (ПАВ), проходящая по пьезоэлектрическому диску 3, диаметр которого равен диаметру отверстия, 30 может иметь искажения. Для исключения погрешностей, связанных с распространением ПАВ по диску 3, допустимым является превышение диаметра по сравнению с толщиной пластины 5 в пределах 10 . Пьезоэлектрический диск 3 имеет толщину не более 1,5 мм и диаметр отверстия пластины. Он расположен так, что может перемещаться вдоль отверстия 4. Работоспособность датчи- 4р ка определяется контактом между пластиной и пьезоэлектрическим диском в направлении распространения ПАВ, а указанные погрешности объясняются силой трения (коэффициентом трения).

Нагрузка на чувствительный элемент определяется приложенным усилием, направленным противоположно силе, создаваемой в чувствительном элементе измеряемым давлением. Следовательно, в данном случае повышение точности измерения давления происходит только за счет наличия акустического контакта. Поэтому осуществить требуемую точность можно путем выбора соответствующего диска, имеющего контакт с пластиной, но не обладающего большими усилиями этого контакта.

Пластина 5 закреплена отверстием. вниз на переходном диске 6 корпуса 7 датчика. Шток 2 является связующим звеном между пьезоэлектрическим диском 3 и чувствительным элементом датчика. Неподвижность крепления пластины 5 обеспечивают держатели 8.

На монокристалпической колпачковой мембране 1 выполнена линия задержки (Л3-1), состоящая из пары встречноштыревых преобразователей (ВШП) ПАВ 9, а на пьезоэлектрической пластине 5 линия задержки (Л3-2), состоящая из другой пары ВШП ПАВ 10 и периодических отражательных решеток 11. Отверстие 12 выполнено в корпусе 7 датчика с целью обеспечения вывода проводников к вторичной аппаратуре.

Датчик работает следующим образом. 1

При отсутствии измеряемого давления (фиг. 1) пьезоэлектрический диск 3 находится в глухом торцовом отверстии 4 пьезоэлектрической пластины 5.в определенном положении (например, соответствующем атмосферному давлению). Диск 3 соединен с чувствительным элементом (ЧЭ) датчика, выполненным в виде монокристаллической колпачковой мембраны 1, посредством штока 2, а пластина 5 закреплена отверстием вниз на переходном диске 6 корпуса 7 датчика с помощью держателей 8. При подаче напряжения питания через выводные контакты, расположенные в отверстии 12, на входные ВШП 9 и 10 оно преобразуется в частоту f, .

ПАВ, проходящая по монокристаллической колпачковой мембране 1, не изменяя своей траектории, доходит до выходного ВШП 9, обеспечивая устойчивую генерацию сигнала на частоте f .

Другая же ПАВ, распространяясь по поверхности пластины 5, достигает периодических отражательных решеток 11, В том месте дисперсионной структуры, где расстояние между соседними периодическими отражательными решетками достигает интервала в половину длины волны, происходит отражение ПАВ, которая пройдя через пьезоэлектрический диск 3, достигает аналогичной области периодических отражательных решеток 11. Здесь волна отражается от решеток и изменяет свою траекторию по направлению к выходному ВШП 10..

Таким образом, обеспечивается генерация сигнала частотой f в Л3-2. 1384983

Причем начальное значение

Л, где V — скорость распространения

ПАВ,, — пространственный шаг перио- 5 дических отражательных решеток, выбирается исходя из величины 3,, находящейся на линии, проходящей через пьезоэлектрический диск 3 и периодические отражательные решетки 11. 10

Эта линия соответствует направлению акустического луча ПАВ.

Возникновение генерации автогенератора на другой частоте невозможно, поскольку акустический луч, отраженных ПАВ, сместился бы относительно диска 3 и ПАВ перешла бы на другую сторону пластины 5, не достигнув выходного ВШП. Начальная частота f, автогенератора, образованного усилителем 13 (фиг. 3) и ВШП, расположенными на звукопроводе 14 ЧЭ, выбирается равной частоте другого автогенератора, образованного усилителем 15, ВШП и периодическими отражательными решетками, расположенными на звукопроводе 16 пьезоэлектрической пластины. При этом используется дифференциально-частотная схема включения обеих ЛЗ, в которой производится 30 сравнение (вычитание) выходных сигналов двух ПАВ генератороа ЛЗ-1 и

ЛЗ-2 в смесителе 17 и выделение сигнала разностной частоты с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) 18 на ре- З гистрирующем устройстве 19.

При подаче измеряемого давления к датчику происходит деформация ЧЭ, что в свою очередь приводит к перемещению пьезоэлектрического диска 3 (фиг. 1) вдоль оси глухого торцового отверстия 4 пластины 5, что соответствует смещению акустического тракта для распространения ПАВ. При этом оба автогенератора изменяют 45 свою частоту колебаний. В первом автогенераторе, образованном усилителе 13 и ВШП, расположенными на звукопроводе 14 ЧЭ, частота уменьшается. Это обусловлено деформацией звукопровода 14. Во втором автогенераторе устанавливаются колебания с частотой, соответствующей пространственному шагу периодических отражательных решеток 11 (фиг. 1) по линии, перпендикулярной оси глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5 и проходящей через диск 3. Изменение пространственного шага периодических отражательных решеток 11 задается их топологией таким образом, что при помещении диска 3 1о уменьшается., Следовательно, частота автогенератора увеличивается, На смесителе 17 (фиг. 4) выделяется разность частот обоих автогенераторов л f которая, пройдя через ФНЧ

18, фиксируется на регистрирующем устройстве 19.

Возможны и другие примеры выполнения датчика с использованием материалов ЧЭ, обладающих высокими коэффициентами электромеханической связи, легкостью изготовления и возможностью применения групповой технологии LiNeO, Bi «GeO«, а также использование в качестве пьезоэлектрической пластины с глухим торцовым отверстием непьезоэлектриков с напыленной на их поверхность пьезоэлектрической пленкой ZnO, или CaS. Кроме этого, в качестве пьезоэлектрической пластины возможно использование матричного отражательного коррелятора из LiNeO> с периодическими отражательными вытравленными непосредственно на Y-Е поверхности материала, сама решетка изготавливается обычно методом ионно-лучевого трав.ления. Благодаря варьированию специально ориентированных срезов или кристаллов монокристаллического пьезоэлектрика (кварца и др.), а также благодаря дифференциальной схеме включения ЛЗ-1 и Л3-2, температурная составляющая погрешности датчика может быть практически уменьшена до нуля.

Повышение точности измерения давления происходит за счет того, что благодаря выбранной конструкции датчика можно с большей степенью точности измерить изменение частоты, пропорциональное измеряемому давлению.

Чувствительность к изменению давлеdf ния может быть выражена S = --— — . В

dP отличие от существующих устройств, в которых относительная деформация () прямо пропорциональная относи! 8f тельной чувствительности — — ) с

У увеличением E увеличивается af/f, в предлагаемом устройстве Яf/f определяется как изменением f так и изменением f обусловленным то1384983 пологией периодических отражательных решеток, входящих в состав Л3-2.

Причем bf=f. -f,, где f, — уменьшается, а f. — увеличивается.

Таким образом, за счет использования конструкций пьезоэлектрической пластины и мембраны, нежесткой связи между ними, изменения топологии периодических отражательных решеток, использования различных срезов пьезоэлектрических материалов, обладающих высокими коэффициентами термостабилизации, а также дифференциального включения ЛЗ-1 и ЛЗ-2 для исключения

15 температурных погрешностей, составляющих единицы процентов на 10 С, можно добиться повышения соотношеhf ния — —, т.е. в предлагаемом датчи- 20 ке возможна регистрация меньшего приращения входной величины, что приводит к уменьшению эоны нечувствительности при измерении давления и соответственно повышению точности.

Формула и з о б р е т е н и я

Датчик давления, содержащий чув30 ствительный элемент в виде закрепленной в корпусе монокристаллической

А-A мембраны и входной и выходной встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн, размещенные на внешней поверхности мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения давления, в него введена консольно закрепленная в корпусе пьезоэлектрическая пластина с дополнительными входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями поверхностных акустических волн и периодическими отражательными решетками, размещенными на ней, которые симметрично расположены по обе стороны от глухого отверстия, выполненного в пластине по оси ее симметрии со стороны торцовой части, обращенной к мембране, при этом гребенчатые электроды встречно-штыревых преобразователей перпендикулярны оси глухого отверстия, а периодические отражательные о решетки расположены под углом 45 к оси глухого отверстия, при этом мембрана снабжена соединенным с ней штоком, на котором закреплен пьезоэлектрический диск, расположенный в отверстии пластины с возможностью перемещения вдоль него, причем диаметр

d отверстия пластины удовлетворяет следующему соотношению: 1, 1h 3 d h, где h — толщина пластины.

1384983

Составитель Н.Матрохина

Редактор Н.Слободяник Техред Л.Олийнык Корректор В.Бутяга

Заказ 1405/39

Тираж 847 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