Резонансный сенсор давления



Резонансный сенсор давления
Резонансный сенсор давления
Резонансный сенсор давления
Резонансный сенсор давления

 


Владельцы патента RU 2506549:

Общество с ограниченной ответственностью "СибИС" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Резонансный сенсор давления содержит измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, при этом размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний возрастает по линейному закону, достигая максимального значения по середине балки, причем отношение максимального размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6. Техническим эффектом является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.

Известен резонансный сенсор давления, содержащий измерительную мембрану и резонансный элемент, колеблющийся ортогонально к перемещению измерительной мембраны (Патент США, №5,969,257 от 19 октября 1999, авторы Eros De Bortoli, G01L 11/00 (Int. Cl.)). В указанном патенте резонансный элемент имеет форму сдвоенной прямоугольной балки постоянного сечения, жестко закрепленной с двух сторон, которая колеблется латерально относительно плоскости мембраны.

Недостатком такого резонансного сенсора давления является нелинейная зависимость частоты колебаний резонансного элемента от осевого растягивающего напряжения, вызванного измеряемым давлением. В работе СI.Welham, I.W.Gardner, J.Greenwood, - A laterally driven micro machined resonant pressure sensor, Sensors and Actuators, A 52 (1996), 86-91 показано, что зависимость частоты латеральных колебаний ƒ резонансного элемента, имеющего форму прямоугольной балки постоянного сечения, жестко закрепленной с двух сторон, от осевого растягивающего напряжения Т имеет вид:

где EI - изгибная жесткость резонансного элемента,

L - длина резонансного элемента,

МI и Мв - инерциальная масса балочной части резонансного элемента и масса области крепления соответственно.

Нелинейная зависимость частоты латеральных колебаний ƒ от

механического напряжения Т обусловлена степенной зависимостью в (1) вида

где а и b - постоянные коэффициенты.

Известен кремниевый резонансный сенсор давления, содержащий резонансный элемент в виде двусторонне жесткозакрепленной балки с постоянным прямоугольным сечением, присоединенной методом прямого сращивания к измерительной мембране

(Патент США, №5,060,526 от 29 октября 1991, авторы Phillip W. Barth, Palo Alto; Kurt E. Petersen, San Jose; Joseph R. Mallon, Jr., Fremont, all of Calif., G01L 1/10 (IntCl.)).

Указанный сенсор содержит измерительную мембрану, на поверхности которой сформирована резонансная полость и возбуждающий электрод. К краям резонансной полости жестко закреплена с двух сторон балка с прямоугольным сечением, выполняющая роль резонансного элемента. В теле резонансного элемента сформированы тензорезисторы.

Указанный сенсор работает следующим образом: при подаче переменного электрического поля на возбуждающий электрод между резонансным элементом и электродом возникают электростатические силы, вызывающие колебания балки в направлении, ортогональном плоскости измерительной мембраны. При подаче измеряемого давления резонансный элемент подвергается одноосному растяжению, что изменяет частоту его колебаний. Данное устройство выбрано за прототип.

Недостатком данного сенсора также является нелинейная зависимость частоты колебаний от осевой деформации резонансного элемента. Как показано, например, в работе Burns D.W., Zook J.D., Horning R.D., Herb W.R., Guckel H. - Sealed cavity microbeam resonant pressure sensor. Sensors and Actuators A 48 (1995) 179-186, связь между собственной частотой колебаний балки прямоугольного сечения и ее осевой деформацией, создаваемой измеряемой нагрузкой, в случае двустороннего закрепления имеет вид:

где ε - осевая деформация колеблющейся балки от измеряемого давления,

ρ - плотность материала,

Е - модуль Юнга,

lb и hb - соответственно длина и толщина балки,

b и γ - расчетные коэффициенты. Для основной моды колебаний коэффициенты равны b=6.4586 и γ=0.2949. При ε=0 частота колебаний равна собственной ƒ=ƒ0. Нелинейность преобразовательной характеристики обусловлена наличием радикала в (2).

Осевая деформация ε пропорциональна измеряемому давлению Р:

ε=КР,

где K - коэффициент, зависящий от геометрических размеров и формы измерительной мембраны, резонансного элемента и их взаимного расположения относительно друг друга. Изменение частоты колебания резонансного элемента зависит от

осевой деформации ε и равно:

где - собственная частота колебаний резонансного элемента при отсутствии давления на измерительную мембрану.

Зависимость изменения частоты Δƒ от осевой деформации (преобразовательная характеристика резонансного сенсора давления) оказывается нелинейной и характеризуется параметром нелинейности

где Δƒn - максимальное отклонение зависимости Δƒ от линейной

зависимости в интервале от 0 до ε.

Чувствительность резонансного сенсора давления определяется отношением изменения частоты резонансного элемента к его осевой деформации:

Для резонансного элемента в форме прямоугольной двусторонне жесткозакрепленной балки с размерами прототипа: длина lb=600 мкм,

ширина 60 мкм и толщиной hb - 6 мкм, и осевой деформацией ε=5·10-4 нелинейность оказывается равна NL=5.5%, а чувствительность S=1.6338·108 Гц.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления.

Поставленная задача решается тем, что в резонансном сенсоре, содержащем измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний изменяется по линейному закону, достигая максимального значения посередине балки, причем отношение максимально размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6.

На ФИГ. 1 представлен общий вид предлагаемого резонансного сенсора давления, на ФИГ. 2 - разрез сенсора по А-А с укрупненным изображением резонансного элемента, например, с переменной толщиной, на ФИГ. 3 и ФИГ. 4 - зависимости нелинейности и отношения нормированной чувствительности к нормированной нелинейности от максимального размера толщины резонансного элемента в форме балки с переменной толщиной.

Сенсор (ФИГ. 1) содержит: измерительную мембрану - 1, резонансную полость - 2, тензорезисторы - 3, резонансный элемент в форме двусторонне закрепленной балки с прямоугольным сечением и толщиной, меняющейся от края к центру по линейному закону, - 4, электроды резонатора - 5.

Сенсор работает следующим образом: при подаче переменного напряжения на электроды резонатора 5 с частотой, равной собственной частоте колебаний резонансного элемента 4, последний начинает колебаться, что регистрируется тензорезисторами 3. Измеряемое давление действует на измерительную мембрану 1, приводя к осевому растяжению резонансного элемента 4 с осевой деформацией ε. Под действием осевой деформации частота колебаний резонансного элемента изменяется, что также регистрируется тензорезисторами. Нелинейность преобразовательной характеристики сенсора уменьшается благодаря использованию резонансного элемента в форме двусторонне жесткозакрепленной балки с переменным сечением. На ФИГ. 2 приведено сечение резонансного сенсора давления с укрупненным изображением двусторонне жесткозакрепленной балки резонансного элемента, у которого ширина постоянна и меняется по линейному закону толщина.

На ФИГ. 3 приведена зависимость нормированной нелинейности резонансного элемента с переменным сечением от его толщины в центре, рассчитанная методом конечно-элементного моделирования, при этом толщина резонансного элемента hП у места крепления равна 6 мкм, как у прототипа. Нормировка производится на нелинейность резонансного элемента прототипа NLП, когда балка имеет постоянное сечение. При увеличении толщины балки hmax в интервале 1<hmax /hП<6 нелинейность уменьшается до 10 раз.

На ФИГ. 4 приведена зависимость отношения нормированной чувствительности к нормированной нелинейности в зависимости от толщины hmах в центре резонансного элемента, при толщине у его края, равной 6 мкм. Нормировка чувствительности также производилась на чувствительность прототипа. Увеличение толщины резонансного элемента в центре приводит к улучшению до 2.05 раз отношения нормированной чувствительности к нормированной нелинейности при отношении hmax/hП в интервале от 1 до 6. Дальнейшее увеличение толщины центральной части резонансного элемента, при котором отношение hmax /hП>6, соответствует области незначительного изменения нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления и сопровождается уменьшением чувствительности резонансного сенсора давления. В случае линейного уменьшения толщины резонансного элемента от края к центру происходит существенное увеличение нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления. Так, при отношении толщин резонансного элемента в центре к толщине у краев hmax/hП=0.5 нелинейность преобразовательной характеристики резонансного сенсора составит 8.37% при толщине hП=6 мкм, как у прототипа.

Таким образом, по сравнению с прототипом применение резонансного элемента в форме двусторонне жесткозакрепленной балки с переменным прямоугольным сечением, возрастающим по линейному закону, приводит к уменьшению нелинейности преобразовательной характеристики резонансного сенсора давления.

Резонансный сенсор давления, содержащий измерительную мембрану с возбуждающим электродом и резонансной полостью, к краям которой с двух сторон жестко закреплен резонансный элемент в форме балки с прямоугольным сечением, в теле которого сформированы тензорезисторы, отличающийся тем, что размер сечения балки в ортогональном направлении к плоскости колебаний постоянен, а в направлении колебаний возрастает по линейному закону, достигая максимального значения посередине балки, причем отношение максимального размера сечения к минимальному в указанном направлении лежит в интервале от 1 до 6.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды. Вибрационный датчик избыточного давления состоит из герметично перекрываемого корпуса, чувствительного элемента, датчика возбуждения колебаний, датчика съема колебаний, усилителя, преобразователя и регистратора.
Изобретение относится к акустической диагностике и может быть использовано в магистральных нефтегазопроводах. .

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых датчиков давлений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды - жидкости, суспензии, газа. .

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно представляет собой прибор для одновременного мониторинга нескольких физико-химических параметров молока в процессе его свертывания, например температуры, вязкости, активной кислотности, активности ионов кальция (или других ионов в зависимости от выбора ион-селективных электродов).

Изобретение относится к способам измерения давления газа и предназначено для неразрушающего контроля давления газа в тепловыделяющих элементах ядерного реактора в процессе их массового изготовления.

Изобретение относится к способу и системе обогащения аудиосигнала в соответствии с выделенными характеристиками указанного звукового сигнала. .

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для контроля и измерения давления газов в газосборнике твэлов и количества выделившихся газообразных продуктов деления (ГПД).

Изобретение относится к области измерительной техники. Устройство для измерения давления и скорости его изменения состоит из проточного пневматического канала 1, содержащего два анемочувствительных элемента 2, 3 измерения скорости изменения давления и сообщающего глухую камеру 4 с газодинамическим объектом, микронагнетателя 5 с электроприводом, измерительного 6 анемочувствительного элемента, компенсационного 7 анемочувствительного элемента, первого 8 и второго 9 формирующих сопел, канала 10 измерения давления, канала 11 измерения скорости изменения давления, микроконтроллера 12 и средства 13 отображения информации. Измерительный 6 анемочувствительный элемент размещен в пневматическом канале, объединяющем выходы микронагнетателя 3 по отрицательному избыточному давлению с проточным пневматическим каналом 1. Компенсационный 7 анемочувствительный элемент размещен в непроточной полости 14, сообщенной с проточным пневматическим каналом 1. Первое 8 и второе 9 формирующие сопла, в створе которых расположены первый 2 и второй 3 анемочувствительные элементы измерения скорости изменения давления соответственно, расположены в проточном пневматическом канале 1 встречно друг другу. Первый вход канала 10 измерения давления подсоединен к измерительному 6 анемочувствительному элементу, а второй вход - к компенсационному 7 анемочувствительному элементу. Первый вход канала 11 измерения скорости изменения давления подсоединен ко второму 3 анемочувствительному элементу измерения скорости изменения давления, а второй вход - к первому 2 анемочувствительному элементу. Первый вход микроконтроллера 12 подключен к выходу канала 10 измерения давления, второй вход - к выходу канала 11 измерения скорости изменения давления, а выходами микроконтроллера являются первый выход, являющийся выходным сигналом устройства по давлению, второй выход, являющийся выходным сигналом устройства по скорости изменения давления, подсоединенные к входу системы 13 отображения информации, и третий выход микроконтроллера подсоединен к входу блока 15 управления, выход которого подсоединен к управляющему входу микронагнетателя 3. Технический результат заключается в повышении точности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ определения потерь нефти и нефтепродуктов применим как в процессе сбора, подготовки, транспортировки и хранения нефти на промыслах, так и при транспортировке нефти по магистральным нефтепроводам, а также может быть использован на предприятиях, занимающихся переработкой нефти, хранением, транспортировкой и распределением нефтепродуктов. Способ заключается в том, что объем потерь нефти и нефтепродуктов от испарений углеводородов и изменения термодинамического состояния паровоздушной смеси в процессе «большого» или «малого» дыханий, определяется по формулам: или где VГП - объем газового пространства резервуара, м3; C0М, C1М, - массовая концентрация углеводородов в парах до и после дыхания, кг/м3; C0П, C1П - объемная концентрация углеводородов в парах до и после дыхания, объемные доли; Ro - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·K); Мп - молекулярная масса паров углеводородов, кг/моль; Pa, - атмосферное давление, кПа; T0, Т1 - температура паров углеводородов до и после дыхания, K. Техническим результатом является повышение точности определения потерь нефти и нефтепродуктов при хранении и транспортировке, а также расширение функциональности за счет возможности его применения как для «больших», так и для «малых дыханий».

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления. Способ измерения разности давлений датчиком с частотно-модулированным выходным сигналом заключается в том, что используют две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, разделенные вакуумированным промежутком. Датчик измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом содержит полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов с постоянным магнитом и систему формирования выходного сигнала, разделенные вакуумированным промежутком. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции датчика и повышение технологичности его изготовления. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано самостоятельно или в составе измерительно-вычислительных комплексов и систем управления, работающих в широком диапазоне механических и тепловых воздействий и предназначенных для получения информации о разности давлений исследуемых жидких и газообразных сред. Способ измерения разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом характеризуется тем, что используют две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, возбуждают собственные колебания резонаторов и формируют частотно-модулированный выходной сигнал. Способ также характеризуется тем, что для возбуждения собственных колебаний используют силу Ампера, возникающую в результате взаимодействия магнитного поля тока, текущего по проводнику с током, текущим по резонаторам, при этом проводник и резонаторы размещают внутри вакуумированной полости между мембранами. Датчик разности давлений с частотно-модулированным выходным сигналом содержит полый корпус, две идентичные мембраны с эпитаксиально выращенными на них резонаторами, систему возбуждения колебаний резонаторов и систему формирования выходного сигнала. Внутри вакуумированной полости расположены токонесущий напыленный проводник, создающий магнитное поле для возбуждения собственных колебаний резонаторов, и резонаторы. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение технологичности изготовления датчика. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления, и может быть использовано при измерении динамического давления совместно с пьезоэлектрическими датчиками динамического давления. Устройство измерения динамического давления содержит пьезоэлемент 1 и измерительный блок 2, который состоит из генератора переменного тока 3, усилителя широкополосного 4, полосового фильтра 5, выпрямителя 6, фильтра нижних частот 7 и микроконтроллера 8. Выход пьезоэлемента 1 подключен к выходу генератора переменного тока 3, а выход генератора переменного тока 3 - к усилителю широкополосному 4. Усилитель широкополосный 4 соединен с полосовым фильтром 5 и фильтром нижних частот 7. Полосовой фильтр 5 через выпрямитель 6 соединен с первым входом микроконтроллера 8, второй вход которого подключен к фильтру нижних частот 7. Технический результат заключается в повышении быстродействия устройства путем одновременного измерения температуры и динамического давления, повышении точности устройства при измерении динамического давления путем коррекции температурной погрешности измерения динамического давления. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области волоконно-оптических средств измерений давления, и применимо в нефтяной и газовой промышленности, медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления. Датчик давления включает корпус с закрепленной в нем упругой мембраной, оптический канал, содержащий фиксируемый и подвижный световоды. Подвижный световод соединен через штангу с мембраной. Подвижный и фиксируемый световоды установлены с возможностью поперечного перемещения относительно своих осей, причем фиксируемый световод установлен с возможностью перемещения и фиксации в корпусе с помощью винта и гайки. По торцам входа и выхода световодов расположен сальник. Технический результат - расширение диапазона применения датчика во взрывоопасных средах при сохранении его малых габаритов. 2 ил.

Изобретение относится к испытаниям металлических конструкций и может быть использовано в кабельной технике для оценки работоспособности муфт кабельных погружных электродвигателей. Стенд испытаний кабельных муфт содержит термокамеру с крышкой, в которой размещают испытываемую муфту. Термокамера разделена поршнем на верхнюю и нижнюю полости, к верхней полости подведен трубопровод для закачки соленого раствора, а к нижней полости и к внутренней полости испытываемой муфты подключены трубопроводы для подачи масла. Трубопровод для закачки соленого раствора и трубопровод для подачи масла, подключенный к внутренней полости испытываемой муфты, соединены через распределитель и оснащены индивидуальными манометрами и общим дифференциальным манометром. Кабельная муфта вмонтирована в пробку, закрепленную в крышке. Техническим результатом изобретения является возможность проведения испытания кабельных муфт на перепад давлений при высоких температурах и при наличии агрессивной среды. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления, и может быть использовано в датчиках давления. Устройство для измерения давления состоит из штока, первого, второго и третьего пьезоэлементов. Шток неподвижно соединен с первым и третьим пьезоэлементами, первой мостовой измерительной схемой, образованной дифференциальным емкостным преобразователем, состоящим из первого конденсатора C1 и второго конденсатора С2, а также резисторов R1 и R2, первого режекторного фильтра, первого усилителя заряда, второго режекторного фильтра, второго усилителя заряда, генератора высокой частоты, первого усилителя сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи, выпрямителя, источника питания постоянного тока, образованной терморезисторами R3 и R4, а также резисторами R4 и R5, второго усилителя сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи и микроконтроллера. Выходы первого и третьего пьезоэлементов соединены с первым входом A1 микроконтроллера через первый режекторный фильтр и первый усилитель заряда. Выходы второго пьезоэлемента соединены со вторым входом микроконтроллера А2 через второй режекторный фильтр и второй усилитель заряда. Выходы генератора высокой частоты соединены с третьим входом А3 микроконтроллера через первую мостовую измерительную цепь. первый усилитель сигнала разбаланса мостовой измерительной цепи и выпрямитель. Выходы источника постоянного тока соединены через вторую мостовую измерительную цепь с четвертым входом А4 микроконтроллера через второй усилитель разбаланса мостовой измерительной цепи. Технический результат заключается в повышении точности измерения, а также увеличении функциональных возможностей. 4 ил.

Изобретение относится к области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, в медицине. Заявленный амплитудный волоконно-оптический сенсор давления содержит кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, передающее излучение от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе с возможностью перемещения только вместе с его жестким центром пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник. При этом в заявленное устройство введены дополнительный фотоприемник, зеркало и две параллельные кремниевые пластины, расположенные перпендикулярно мембранному упругому элементу. Кроме того, оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и расположены на одной кремниевой пластине, а на другой пластине размещено зеркало, которое представляет собой плоскую отражающую поверхность кристаллографической ориентации типа (100) с углублениями пирамидальной формы, стенки углублений сходятся в одной точке, а кристаллографическая ориентация стенок типа (111). Технический результат - повышение чувствительности и снижение нелинейности преобразовательной характеристики. 1 ил.
Наверх