Устройство для измерения давления

Сущность: устройство для измерения давления содержит две пьезоплаты, на каждой из которых сформирован резонатор на поверхностных акустических волнах. Дополнительно введен измерительный блок, состоящий из измерителя собственной частоты резонатора и измерителя емкости и соединенный с пьезоплатами, на каждой из которых дополнительно сформированы по два электрода емкостных датчиков, по одному электроду на каждой стороне каждой пьезоплаты. Пьезоплаты соединены между собой с образованием пространства между ними, внутри которого расположены электроды, межэлектродная емкость между которыми изменяется при прогибе пьезоплаты, воспринимающей давление, а измерительный блок выполнен с возможностью приема сигнала резонатора, воспринимающего изменение температуры. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения давления при условии долговременной стабильности характеристик. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении для измерения давления на поверхности деформируемого изделия и выделения сигнала деформации из сигнала давления и без механической обработки поверхности изделия.

Известны датчики (См. статью W.Bufet.fl. Universal pressure and temperature SAW sensor for wirelwss applications. 1997 IEEE Ultrasonics symposium), состоящие из двух пьезоплат с резонаторами.

Недостатком этих датчиков является сильная зависимость чувствительности к давлению от расположения резонаторов на пьезоплате. Такая конструкция приводит к значительному разбросу параметров датчика в процессе производства, что существенно отражается на точности измерения.

Известен также датчик давления (патент России №2089864, МКИ G 01 L 9/12, 1997), содержащий соединенные последовательно в пакет пять диэлектрических пленок, из которых первая, нижняя пленка является основанием датчика, а также содержащий электрод конденсатора с выводами и боковыми экранами, а также скрепленная с пятой пленкой шестая диэлектрическая пленка со сплошным экраном на верхней поверхности, причем первый электрод конденсатора с выводом и боковым экраном размещены на ее нижней поверхности, пятая пленка выполнена перфорированной, на нижней поверхности четвертой пленки, выполненной сплошной, сформирована введенная металлическая мембрана с глухими ячейками перфорации, на верхней поверхности второй пленки, выполненной сплошной, сформирована вторая обкладка конденсатора с выводом и боковым экраном, а на верхней поверхности первой нижней пленки сформирован введенный дополнительный сплошной экран.

Однако такой датчик имеет нестабильные во времени характеристики и таким образом не обеспечивает точности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения давления (Свидетельство на полезную модель №27257, G 10 К 15/00), состоящее из двух пьезоплат, на каждой из которых сформирован резонатор, расположенный в центре круглой мембраны, образованной вакуумплотным склеиванием упомянутых пьезоплат резонаторами внутрь.

В такой конструкции устройства для измерения давления практически отсутствует зависимость чувствительности от допуска на расположение резонаторов, что обеспечивает высокую воспроизводимость параметров устройств в процессе производства и высокую долговременную стабильность параметров.

Однако такое устройство для измерения давления не позволяет измерять давление без влияния деформации изделий на результаты измерений.

Причинами, препятствующими получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для измерения давления - прототипа, являются следующие его недостатки: все узлы между собой скреплены клеем при определенной температуре и сжатии, сборка датчика осуществляется ручным способом, большой технологический разброс параметров между чувствительными элементами.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения давления при условии долговременной стабильности характеристик.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения давления, содержащее две пьезоплаты, на каждой из которых сформирован резонатор на поверхностных акустических волнах, дополнительно введен измерительный блок, состоящий из измерителя собственной частоты резонатора и измерителя емкости и соединенный с пьезоплатами, на каждой из которых дополнительно сформированы по два электрода емкостных датчиков, по одному электроду на каждой стороне каждой пьезоплаты, при этом пьезоплаты соединены между собой с образованием пространства между ними, внутри которого расположены электроды, межэлектродная емкость между которыми изменяется при прогибе пьезоплаты, воспринимающей давление, а измерительный блок выполнен с возможностью приема сигнала резонатора, воспринимающего изменение температуры.

Дополнительное формирование на каждой пьезоплате электродов емкостного датчика дает возможность получения информации о прогибе пьезоплаты и воздействии давления двумя различными способами в одном устройстве. Введение измерительного блока позволяет повысить точность измерений за счет одновременной обработки результатов измерения разнотипных датчиков, установленных на одной пьезоплате.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства для измерения давления, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время авторам не известны устройства для измерения давления, которые позволяли бы проводить измерение давления с такой точностью, которую обеспечивает предлагаемая конструкция устройства для измерения давления.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведена принципиальная схема устройства для измерения давления;

на фиг 2 дана блок-схема устройства для измерения давления.

Устройство для измерения давления (фиг.1) состоит из пьезоплат 1 и 2. Пьезоплаты 1 и 2 представляют собой пластины из пьезоматериала, например кварца или ниобата лития, на которых с одной стороны сформированы встречно-штыревые преобразователи (ВШП) резонатора на поверхностных акустических волнах (ПАВ) 3 и 4 и электроды емкостного датчика 5 и 6, а с другой стороны на каждой пьезоплате 1 и 2 сформированы электроды емкостного датчика 7 и 8.

ВШП резонаторов на ПАВ 3 и 4 расположены в центре круглой мембраны, образованной склеиванием упомянутых пьезоплат резонаторами внутрь.

Пьезоплаты 1 и 2 соединены между собой с образованием пространства между ними, внутри которого расположены электроды емкостного датчика 5 и 6, межэлектродная емкость между которыми изменяется при прогибе пьезоплаты 1, воспринимающей давление.

С пьезоплатами 1 и 2 соединен измерительный блок 9.

Формирование ВШП и электродов реализовано по технологии напыления, последующей фотолитографии и травления. Могут быть использованы и другие технологические процессы формирования металлических структур на пьезоплатах.

Измерительный блок 9 состоит (фиг.2) из измерителя собственной частоты резонатора 10 и измерителя емкости 11.

Входы 10.1 и 10.2 измерителя собственной частоты резонатора 10 соединены с выходами 3.1 и 3.2 резонатора 3 пьезоплаты 1.

Входы 10.4 и 10.5 измерителя собственной частоты резонатора 10 соединены с выходами 4.1 и 4.2 резонатора 4 пьезоплаты 2.

Вход 10.3 измерителя собственной частоты резонатора 10 соединен с выходом 5.1 электрода 5 пьезоплаты 1.

Вход 10.6 измерителя собственной частоты резонатора 10 соединен с выходом 6.1 электрода 6 пьезоплаты 2.

Вход 11.1 измерителя емкости 11 соединен с выходом 8.1 электрода 8 пьезоплаты 2.

Вход 11.2 измерителя емкости 11 соединен с выходом 7.1 электрода 7 пьезоплаты 1.

Вход 11.3 измерителя емкости 11 соединен с выходом 5.1 электрода 5 пьезоплаты 1.

Входы 11.4 и 11.5 измерителя емкости 11 соединены с выходами 4.1 и 4.2 резонатора 4 пьезоплаты 2.

Вход 11.6 измерителя емкости 11 соединен с выходом 6.1 электрода 6 пьезоплаты 2.

Электрод 5 и резонатор 3 расположены на одной стороне пьезоплаты 1, а электрод 7 - на другой стороне пьезоплаты 1.

Электрод 6 и резонатор 4 расположены на одной стороне пьезоплаты 2, а электрод 8 - на другой стороне пьезоплаты 2.

Электроды 5 и 6 расположены внутри пространства, образованного при соединении пьезоплат 1 и 2.

Измерительный блок 9 выполнен с возможностью приема сигнала резонатора 4, воспринимающего изменение температуры на пьезоплате 2.

Устройство работает следующим образом.

При изменении давления прогибается пьезоплата 1. За счет прогиба пьезоплаты 1 изменяется собственная частота резонатора 3 пьезоплаты 1.

Сигналы с выходов 3.1 и 3.2 резонатора 3 пьезоплаты 1 поступают на входы 10.1 и 10.2 измерителя собственной частоты резонатора 10 измерительного блока 9. Вследствие прогиба пьезоплаты 1 изменяется расстояние между электродом 7 пьезоплаты 1 и электродом 8 пьезоплаты 2. Вследствие изменения расстояния между электродами 7 и 8 изменяется межэлектродная емкость, измеряемая измерителем емкости 11.

При изменении температуры изменяется собственная частота резонатора 4 пьезоплаты 2, воспринимающей изменение температуры. Сигналы с выходов 4.1 и 4.2 резонатора 4 пьезоплаты 2 поступают на входы 10.4 и 10.5 измерителя собственной частоты резонатора 10 и входы 11.4 и 11.5 измерителя емкости 11.

Сигнал с выхода 5.1 электрода 5 пьезоплаты 1 поступает на вход 10.3 измерителя собственной частоты резонатора 10 и на вход 11.3 измерителя емкости 11. Сигнал с выхода 6.1 электрода 6 пьезоплаты 2 поступает на вход 10.6 измерителя собственной частоты резонатора 10 и на вход 11.6 измерителя емкости 11.

При изменении температуры изменяется межэлектродная емкость между электродом 7 пьезоплаты 1 и между электродом 8 пьезоплаты 2.

Сигнал с выхода 7.1 электрода 7 пьезоплаты 1 поступает на вход 11.2 измерителя емкости 11. Сигнал с выхода 8.1 электрода 8 пьезоплаты 2 поступает на вход 11.1 измерителя емкости 11.

Измеритель собственной частоты резонатора 10 представляет собой автогенератор с включенным в обратную связь резонатором 3, причем частота автогенератора полностью определяется собственной частотой резонатора 3 [1]. Измеритель емкости 11 представляет собой автогенератор с включенной в обратную связь емкостью, причем частота автогенератора полностью определяется величиной емкости между электродами 7 и 8 [2, 3].

Компенсация температурной погрешности измерения давления для измерителя собственной частоты резонатора 10 производится вычитанием поправки Δf₁ из значения, пропоционального собственной частоте f₃ резонатора 3 пьезоплаты 1. Поправка Δf₁ определяется следующим образом. Определяется величина, пропорциональная собственной частоте f₆ резонатора 4 пьезоплаты 2. Определяется величина, пропорциональная емкости f₄ между электродами 7 и 8. Величина поправки Δf₁ определяется соотношением Δf₁=f₄+f₆.

Компенсация температурной погрешности измерения давления для измерителя емкости 11 производится вычитанием поправки Δf₂ из значения величины, пропорциональной разности емкости f₅ между электродами 5 и 6 и между электродами 7 и 8. Поправка Δf₂ определяется следующим образом: Δf₂=f₆.

Выходами устройства являются результаты измерения измерителя собственной частоты резонатора и измерителя емкости.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М: Мир, 1990, 584 с.

2. Кучин С. Прибор для измерения емкости. Радио, №6, 1993 г., сс.20-24

3. Богданович Б.М., Ваксер Э.Б. Краткий радиотехнический справочник. Минск: Изд-во Беларусь, 1976. 335 с.

Устройство для измерения давления, содержащее две пьезоплаты, на каждой из которых сформирован резонатор на поверхностных акустических волнах, отличающееся тем, что дополнительно введен измерительный блок, состоящий из измерителя собственной частоты резонатора и измерителя емкости и соединенный с пьезоплатами, на каждой из которых дополнительно сформированы по два электрода емкостных датчиков, по одному электроду на каждой стороне каждой пьезоплаты, при этом пьезоплаты соединены между собой с образованием пространства между ними, внутри которого расположены электроды, межэлектродная емкость между которыми изменяется при прогибе пьезоплаты, воспринимающей давление, а измерительный блок выполнен с возможностью приема сигнала резонатора, воспринимающего изменение температуры.