Устройство для измерения давления

 

Сущность изобретения: устройство содержит основание, кожух, 1 монокриеталлическую кремниевую пластину, 2 мембраны, 2 резонатора, преобразователь частота-напряжение , регулирующий усилитель, 2 оптико-электронных преобразователя, 2 световода. Каждый оптико-электронный преобразователь содержит: 2 источника излучения , приемник излучения, модулятор, оптический фильтр, спектральный мультиплексор , разветвитель 5 световодов 18-13. Выход регулирующего усилителя подключен ко второму входу модулятора второго оптико-электронного преобразователя. Пластина расположена на основании под кожухом. Каждый резонатор установлен на соответствующей мембране. Обе мембраны выполнены на пластине путем анизотропноготравления. 1 ил. ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PЕСПУБЛИК (л)з 6 01 1 11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 4938803/10 (22) 22.05.91 (46) 30,04.93,Бюл. М 16 (71) Опытно-конструкторское бюро микроэлектроники и информационно-измерительной техники при Башкирском государственном университете им.40-летия

Октября (72) О.В.Яковлев, P.A.Òóõçàòóëëèí, А,М.Кузнецов и Б.Г.Горшков (56) 1. Волоконная оптика и приборостроение./Под ред. M.М. Бутусова. Л.: Машиностроение. 1987. с.95, рис.3.8.

2. R.Е. Jones, АМ, Naden, R.Ñ.Neat.

Орекса fibre sensors using т!сгоаасЫпеб

silicon resonant elememts. - lEE Proceed-.

ings,1988, vol.135, Pt.D, М 5, р.353-358,Flg1 1

Fig.2; В9.7.; Fig.11. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сед, Цель изобретения — повышение точно.сти измерения засчетуменьшения температурного ухода частоты.

Структурная схема датчика давления приведена на чертеже, Датчик давления содержит основание 1, кожух 2, монокристаллическую кремниевую пластину 3 с плоскостью кристаллографической ориентации (100), в которой методом анизотропного травления выполнены одинаковые по размерам первая 4 и вторая 5 квадратные мембраны, первый 6 и второй 7 пластинчатые резонаторы, преобразователь 8 частота-напряжение, регулирующий

„„5U, „1812466 А1 (57) Сущность изобретения: устройство содержит основание, кожух, 1 монокристаллическую кремниевую пластину, 2 мембраны, 2 резонатора, преобразователь частота-напря>кение, регулирующий усилитель, 2 оптико-электронных преобразователя, 2 световода. Каждый оптико-электронный преобразователь содержит: 2 источника излучения, приемник излучения, модулятор, оптический фильтр, спектральный мультиплексор, разветвитель 5 световодов 18- f3.

Выход регулирующего усилителя подключен ко второму входу модулятора второго оптико-электронного преобразователя. Пластина расположена на основании под кожухом.

Каждый резонатор установлен на соответствук>щей мембране. Обе мембраны выполнены на пластине путем анизотропноготравления. 1 ил. усилитель 9 и первый 10 и второй 11 оптикоэлектронные преобразователи, каждый из которых состоит из первого 12 и второго 13 источников излучения с различными длинами волн излучения, приемника 14 излуче- Д, ния, модулятора 15, оптического фильтра

16, спектрального мультиплексора 17, разветвителя 18 и шести световодов 19 — 24.

В каждом из оптико-электронных преобразователей 10 или 11 спектральный мультиплексор 17 через первый с вето вод 19

I оптически связан с первым источником 12 излучения, через второй световод 20, разветвитель 18, третий световод 21 — со вторым источником 13 излучения, через второй световод 20, разветвитель 18, четвертый световод 22, оптический фильтр 16 и пятый световод 23-с приемником 14 излучения, а

1812466 через шестой световод 24 — с первым 6 или вторым 7 резонатором.

В каждом из оптико-электронных преобразователей 10 или 11 приемник 14 излучения электрически связан с выходом 25 данного преобразователя и входом 26 обратной связи модулятора 15, управляющий вход 27 которого соединен со входом 28 преобразователя, а выход — со входом первого источника 12 излучения.

Вход 28 оптико-электронного преобразователя 10 соединен с выходом регулирующего усилителя 9, вход которого подключен к выходу преобразователя 8 частота-напряжение, вход которого соединен с выходом

25 оптико-электронного преобразователя

11. Вход 28 оптико-электронного преобразователя 11 эаэемлен.

Кремниевая пластина 3 расположена под кожухом 2 на основании 1; которое выполнено из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, близким температурному коэффициенту линейного расширения пластины 3, При этом полость между основанием 1 и кожухом 2 вакуумирована через штуцер 29, который после откачки воздуха запаивается..

Резонаторы 6 и 7 одним концом закреплены на опорном буртике 30, а другим концом через стойки 31 соединены соответственно с мембранами 4 и 5.

Полости под мембранами 4 и 5 изолированы друг от друга, причем полость под мембраной 5 через штуцер 32 заполнена инертным газом, например, осушенным азотом, под давлением, которое при измененении температуры окружающей среды изменяется в пределах диапазона измерения давлений датчика. После заполнения полости газом штуцер 32 запаивается. Через штуцер 33 в полость под мембраной 4 * подводится газ или жидкость, давление которых подлежит измерению.

Оптические разветвители 18 могут быть .выполнены, например, в виде 3 дБ волоконно-оптических разветвителей типа У с коэффициентом разделения между каналами порядка 50-60 дБ.

Преобразователь 9 "частота-напряжение" может быть реализован, например, на основе микросхемы КР1108ПП1.

Устройство работает следующим образом.

При тарировочной температуре (равной, как правило, 293 К) в оптико-электронных . преобразователях 10,11 модулированное по интенсивности модуляторами 15 световые излучения источников

12 с длиной волны 3, q через световоды 19, спектральные мультиплексоры 17, световоды 24 подводятся соответственно к резонаторам 6 и 7. Большая часть световых излучений поглощается материалом резонаторов и выделяется в виде тепловой энергии, со5 эдающей переменный градиент температуры по длине и толщине резонатора. При этом за счет термоупругих напряжений возникает переменный по величине изгибающий момент, который вызывает изгибные

10 колебания резонаторов 6 и 7.

Одновременно в оптико-электронных преобразователях 10,11 от источников 13 непрерывные излучения с длиной волны А через световоды 21, разветвители 18, свето15 воды 20, спектральные мультиплексоры 17 и световоды 24 подводятся соответственно к резонаторам 6 и 7. Поскольку промежутки между торцами световодов 24 и резонаторами 6 и 7 меняются по гармоническому закону

2р с частотой изгибных колебаний резонаторов то непрерывные излучения, отраженные от поверхности резонаторов 6 и 7, оказываются промодулированными с той же частотой.

Последние через световоды 24, спектраль25 ные мультиплексоры 17, световоды 20, разветвители 18, световоды 22, фильтры t6, . световоды 23 поступают на соответствующие приемники 14 излучения. При этом мультиплексоры 17 обеспечивают спектральную развязку световых излучений по длинам волн Й и il2, а оптические фильтры

16 являются "непрозрачными" для световых излучений с длиной волны Л и "прозрачными" для световых излучений с длиной волны

Я . B приемниках 14 промодулированные, световые излучения с длиной волныAg преобразуются И электрический сигнал и усиливаются, причем с выхода приемника

14 оптико-электронного преобразователя

11 снимается сигнал, изменение частоты ко40 торого пропорционально температуре окружающей среды, а с выхода приемника 14 оптико-электронного преобразователя 10— сигнал, изменение частоты которого пропорционально измеряемому давлению. С

45 выхода приемника И оптико-электронного преобразователя 10 сигнал поступает на выход 25 данного преобразователя и на вход

26 обратной связи соответствующего модулятора 15 для оптического возбуждения и

50 поддержания изгибных автоколебаний резонатора 6, С выхода приемника 14 оптикоэлектронного преобразователя 11 сигнал пос.гупает на выход 25 данного преобразователя и на вход 26 обратной связи соответст55 вующего модулятора 15 для оптического возбуждения и поддержания изгибных автоколебаний резонатора 7.

Выделяемая на резонаторах 6, 7 тепловая энергия приводит к тому, что их температу1812466 а б ет выше окружающей, вследствие че- сти его излучения. В результате уменьшитра удет вы го резонаторы будут стремиться изменить ся выделяемая в р . р еньшатся сжимающие ресвою длину. д . О нако изменению длины резо- следовательно, уменьша с я со сто оны заделок, наторов, и в 67 препятствуют опорный буртик зонатор 6 усилия со ст р

30 йки 31 температура которых соот- 5 Уменьшение сжимающихус р д х силий и иводит к ибной жесткости езонатоветств ет температуре окружающей среды. увеличению изгибнои жестк т ветствует т и

В езультате резонаторы 6,7 оказываются ра 6 и соответственно к т у у нно к таком величению сжатыми со стороны обоих заделок про- частоты резона ор, р т а 6 кото ое позволяет дольными термоупругими силами. Под дей- практически полностью устранить первонасжимающих усилий изгибная 10 чальныйуходчастоты резонатора 6, вызванжесткость резонаторов 6 7 уменьшится, что, н ы и во здеи стви ем р у р в свою очередь, приводит к уменьшению окружающей среды. езонансной частоты. При этом на долю on- . Использование предложенного технитических систем возбуждения колебаний, ческого решения позволит повысить точн я авления за счет составной частью которых являются источ- 15 ность измере и д ники 12 излучения, приходится порядка 75- уменьшения температурного ухода частоты

80 выделяемого на резонаторах 6,7 тепла, до (2-3) 10 1/К по сравнению с (8-9) 10 а на долю оптических систем съема колеба- - 1/К у известных. ний, составной частью которых являются Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я источники 13 излучений, — порядка 20-24 /. 20 Устройство для измерения давления, Созданное таким образом в основном за содержащее. кожух, основание, первую и счет системы возбуждения предваритель- вторую мембраны с установленными на них, ное сжатие придает резонаторам 6,7 новую, соответственно первым и вторым резонатоуменьшенную по сравнению с исходным со- рами, подключенными соответственно к стоянием изгибную жесткость (исходное со- 25 первому и второму блокам обработки сигнастояние резонаторов 6,7 характеризуется лов, о тл и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью отсутствием сжатия за счет оптического на- повышения точности, каждый блок обработгрева). ки сигнала выполнен в виде оптико-электТемпературная коррекция осуществля- ронного преобразователя, а в устроиство ется следующим образом, При изменении 30 дополнительно введены монокристалличетемпературы окружа|ощей среды, напри- ская кремниевая пластина с выполненными мер. при ее повышении, частота резонато- на ней первой и второй мембранами преоов 6,7 уменьшится вследствие разователь частоты в напряжение, регулиров температурной зависимости модуля упруго- рующий усилитель и перв р сти материала резонаторов (для монокри- 35 световоды, при этом каждый оптико-электсталлического кремния с плоскостью ронный преобразователь выполнен в виде ориентации(100)температурныйкозффици- последовательно соединенных спектральент мо уля упругости отрицателен и равен ного мультиплексора, четвертого световода, -5 10 1(К). С повышением температуры разветвителя, оптического фильтра, седьмоокружающей среды увеличивается давле- 40. госветовода,приемникаизлучения,модуляние газа в полости под мембраной 5, что тора, первого источника излучения, вызывает соответствующий прогиб послед- третьего световода, соединенного также со нейиугловоесмещениестойки31,приводя- спектральным мультиплексором и в- opore щее к еще большему сжатию резонатора 7.. источника излучения, соединенного также

Частота резонатора 7 при этом уменьшится 45 через пятый световод с разветвителем, прии иа выходе приемника 14 оптико-электрон- чем выход приемника излучейия второго опного преобразователя 11 появится сигнал, тико-электронного преобразователя уменьшение частоты которого пропорцио- подключен также к входу преобразователя нально повышению температуры окружаю- частоты в напряжение, выход которого соещей среды. Этот сигнал поступает на вход 50 динен с входом регулирующего усилителя, преобразователя 8 частота-напряжение, ко- выход которого подключен к второму входу . торый преобразует уменьшение частоты в модулятора первого оптико-электронного пропорциональноеумен шениепостоянно- преобразователя, спектральные мультиго напряжения на своем выходе. Данный плексоры первого и второго оптико-электсигналусиливается вусилителе9и подается 55 ронных преобразователей соединены на и авляющий вход 27 модулятора 15 on- соответственно через первый и второй светико-электронного преобразователя 10, что, товоды с соответствующими резона р н то ами в свою очередь, приводит к уменьшению а полость между основанием и второй мемтока накачки соответствующего источника браной заполнена газом.

12, а следовательно, к уменьшению мощно.1812466

Составитель Джанибахчиева

Техред М,Маргентал Корректор Н.Кешеля

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Га.-арина, 101

Заказ 1572 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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