Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления


 


Владельцы патента RU 2489694:

ООО "ГлобалТест" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам изготовления пьезоэлектрических датчиков давления. Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления заключается в том, что на основании устанавливают не менее двух пьезоэлементов, поджатых корпусом с мембраной, которую выполняют с жестким центром, осуществляют герметичное соединение корпуса с основанием, после чего нагружают мембрану избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны, расположенной между ее жестким центром и наружным диаметром, причем отношение диаметра жесткого центра к диаметру мембраны выбирают из диапазона больше 0,65, но меньше 1. Техническим результатом является увеличение чувствительности изготавливаемых датчиков давления и линейности их характеристики за счет уменьшения паразитной жесткости. 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии точного приборостроения и может быть использовано в технологических процессах изготовления пьезоэлектрических датчиков, предназначенных для измерения переменных и акустических давлений.

Известен «Способ изготовления высокотемпературного пьезоэлектрического датчика давления» (см. патент РФ №2052777 от 06.10.1992 г., опубликован 20.01.1996 г.), в котором пьезоэлементы с электродами устанавливают на основании с герметично запрессованными электрическими выводами. Все детали стягивают в тонкостенном кожухе, который приваривают по периметру с одного торца к силопередающему элементу, с другого - к основанию. Корпус устанавливают на основание, оставляя зазор между свариваемыми поверхностями. Датчик помещают в огнеупорную печь, которую заполняют аргоном, и повышают температуру до рабочей температуры датчика. Выдерживают датчик при заданных температурах 20-30 мин, затем охлаждают вместе с печью до нормальной температуры. При достижении на датчике нормальной температуры соединяют свариваемые поверхности и производят герметизацию внутренней полости датчика с помощью сварки.

Вышеуказанный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и поэтому выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что изготавливаемые датчики давления имеют сравнительно малую чувствительность к измеряемому давлению, уменьшающую динамический диапазон в области низких давлений. Это обусловлено параллельностью паразитных жесткостей тонкостенного кожуха и мембраны корпуса с жесткостью пакета пьезоэлементов, приводящей к увеличению суммарной жесткости, и, как следствие, к уменьшению чувствительности.

Решаемой технической задачей является создание способа изготовления пьезоэлектрического датчика давления с расширенным динамическим диапазоном.

Достигаемым техническим результатом является увеличение чувствительности изготавливаемых датчиков давления и линейности их характеристики за счет уменьшения паразитной жесткости.

Для достижения технического результата в способе изготовления пьезоэлектрического датчика давления, заключающемся в том, что на основании устанавливают не менее двух пьезоэлементов, которые поджимают корпусом с мембраной, новым является то, что в корпусе мембрану выполняют с жестким центром, осуществляют герметичное соединение корпуса с основанием, после чего нагружают корпус избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны, расположенной между ее жестким центром и наружным диаметром, причем отношение диаметра жесткого центра к диаметру мембраны выбирают из диапазона больше 0,65, но меньше 1.

Выполнение мембраны с жестким центром и нагружение ее избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны позволяет уменьшить паразитную жесткость, параллельную пьезоэлементам, за счет исключения тонкостенного кожуха из устройства, и обеспечить линейность характеристики датчика при низких давлениях, что также расширяет динамический диапазон измерений. Введение выбора отношения диаметра жесткого центра к диаметру мембраны из диапазона больше 0,65, но меньше 1 необходимо для обеспечения требуемого усилия предварительного поджатая пьезоэлементов. При отношении диаметра жесткого центра к диаметру мембраны меньше 0,65 абсолютная деформация мембраны резко увеличивается. Она может достигать величины больше толщины жесткого центра, что может привести к уменьшению зазора между мембраной и токосъемником, касание которых между собой приведет к короткому замыканию электродов пьезоэлементов. Увеличение толщины жесткого центра больше величины, необходимой для плоскопараллельного сжатия пьезоэлементов, приводит к нежелательному увеличению габаритов и массы датчика. При приближении отношения диаметра жесткого центра к диаметру мембраны к 1 становится невозможной пластическая деформация части мембраны между жестким центром и наружным диаметром, необходимая для предварительного поджатия пьезоэлементов. Кроме того, из-за необходимости обеспечения плоскопараллельной деформации пьезоэлементов в таком случае потребуется увеличение толщины жесткого центра, что, как отмечалось выше, неприемлемо.

На фигуре представлена конструкция пьезоэлектрического датчика давления, собираемого по предложенному способу. Пьезоэлектрический датчик давления содержит 1 - основание, 2 - корпус с мембраной 3 с жестким центром 4, два пьезоэлемента 5 и токосъемник 6.

Способ реализуется следующим образом. На основании 1 устанавливают не менее двух пьезоэлементов 5, образующих с токосъемником 6 между ними пакет, который поджимают корпусом 2 с мембраной 3 с жестким центром 4. Осуществляют герметичное соединение корпуса 2 с основанием 1, например, сваркой, после чего нагружают мембрану 3 избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны 3, расположенной между ее жестким центром 4 и наружным диаметром 8, причем отношение диаметра 7 жесткого центра 4 к наружному диаметру 8 мембраны 3 выбирают из диапазона больше 0,65, но меньше 1. Векторы поляризации пьезоэлементов 5 ориентированы навстречу друг другу. Съем электрического сигнала осуществляется с помощью токовыводов 9.

Следует отметить, что в паспортах на датчики фирмы РСВ (США) приводятся градуировочные зависимости для динамического диапазона не более 20 дБ (каталог фирмы РСВ, 2003 г.).

Например, нелинейность характеристики датчика М165А02 в 2% подтверждается для динамического диапазона от 207 до 1035 бар (15 дБ), для датчика М109С11 от 69 до 5520 бар (18 дБ).

Испытания датчика 113А показали, что в динамическом диапазоне от 40 до 100 бар (15 дБ) нелинейность характеристики составляет 6%, что противоречит заявленным характеристикам (нелинейность 1%, динамический диапазон 90 дБ).

Пьезоэлектрические датчики давления производства ФГУП «НИИФИ» (г.Пенза) имеют динамический диапазон не более 42 дБ. Например, динамический диапазон датчика ЛХ611М составляет от 0,45 до 56 бар (42 дБ) (Датчики, преобразователи, антенны. Каталог ФГУП «НИИФИ», 2011 г.).

По предложенному способу были изготовлены образцы датчиков, испытания которых подтвердили возможность расширения динамического диапазона от 0,001 до 250 бар (108 дБ) с нелинейностью не более 2%, что превышает метрологические характеристики вышеперечисленных датчиков.

Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления, заключающийся в том, что на основании устанавливают не менее двух пьезоэлементов, которые поджимают корпусом с мембраной, отличающийся тем, что в корпусе мембрану выполняют с жестким центром, осуществляют герметичное соединение корпуса с основанием, после чего нагружают мембрану избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны, расположенной между ее жестким центром и наружным диаметром, причем отношение диаметра жесткого центра к диаметру мембраны выбирают из диапазона больше 0,65, но меньше 1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения механических величин и может быть использовано в средствах автоматизации контроля технологических процессов.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения как постоянного давления, так и динамического давления. .

Изобретение относится к области технологии приборостроения и может быть использовано при изготовлении пьезоэлектрических датчиков, предназначенных для измерения медленно нарастающих давлений.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам давления с частотным выходом, и может быть использовано в медицине для измерения давления пульсовой волны (динамического давления).

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин, например температуры, давления, деформации.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления жидких и газообразных сред и может быть использовано в средствах автоматизации контроля технологических процессов сложных технических систем топливоэнергетического комплекса, АЭС, автомобильного и железнодорожного транспорта и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к электроакустическим сенсорам, способным работать в среде с высоким давлением. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям давления, усилий, ускорений и других механических параметров на основе резонаторов, выполненных из кристаллического материала, в частности кристаллического кварца.

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

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезорезонансным преобразователям усилий, и может быть использовано в том числе в датчиках давления и усилия.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: приемник содержит основной и дополнительный пьезоэлементы, корпус, выполненный из теплопроводящего материала, например из металла. Основной пьезоэлемент прикреплен снаружи корпуса и воспринимает колебания давления водной среды, а также флуктуации температуры воды и смещения корпуса как составляющих помехи. Дополнительный пьезоэлемент, идентичный основному, прикреплен к корпусу в воздушной полости внутри корпуса, где он изолируется от колебаний давления водной среды, но воспринимает флуктуации температуры водной среды и смещения корпуса. Оба пьезоэлемента включены параллельно друг другу с встречным направлением знаков поляризации и выполнены из идентичного пьезоматериала. Технический результат: эффективная компенсация помех в сигнале, регистрируемом приемником, обусловленных воздействием на приемник флуктуации температуры водной среды и смещений. 4 ил.

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением динамических давлений. Пьезоэлектрический датчик давления содержит корпус с мембраной, в котором расположен чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлементов, токосъемника, расположенного между пьезоэлементами, и основания. Чувствительный элемент закрыт тонкостенным стаканом, который поджат к основанию датчика с усилием, равным суммарному усилию от максимально возможного воздействия на мембрану статического и динамического давлений. Размеры стакана определены согласно математическому выражению: h = ( 0,16 ÷ 0,3 ) D 2 , где h - высота стакана; D - внешний диаметр стакана. Дно стакана выполнено толщиной, обусловленной исключением прогиба мембраны в центральной ее части. Техническим результатом является повышение точности измерений, упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к нанотехнологическим изделиям измерительной техники, предназначено для измерения давления жидких и газообразных сред и может быть использовано в средствах автоматизации контроля процессов сложных технических систем. Датчик давления содержит корпус, мембрану и сенсорный элемент, размещенный в герметичной полости с возможностью его продольного сжатия и имеющий омические контакты. В качестве сенсорного элемента используется наполняющий герметичную полость мелкодисперсный порошок, содержащий не менее 70 масс.% фуллероидных наноструктур. Мембрана и корпус электрически изолированы друг относительно друга и используются в качестве выходных омических контактов. В качестве фуллероидных структур используются астралены с молярной массой более 2000 г/моль или фуллерены Сn с n≥6. Герметичная полость дополнительно заполнена водородом. Технический результат заключается в повышении чувствительности и механической устойчивости работы датчика, обеспечении стабильности функции преобразования датчика и воспроизводимости результатов измерений при высоких давлениях в условиях низких температур и воздействии импульсных нагрузок. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для температурной компенсации в устройстве CMUT. Устройства CMUT используют во многих применениях, например, ультразвукового формирования изображения и измерения давления. Эти устройства работают посредством считывания изменения электрической емкости, вызываемого отклонением мембраны (32), содержащей один из пары электродов в устройстве, из-за ультразвукового воздействия или давления, приложенного к мембране. Устройство CMUT может быть восприимчивым к воздействиям изменения температуры. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 14 ил.
Наверх