УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления и деформации при аэродинамических и натурных испытаниях авиационной техники.

Проблема выделения из общего сигнала, связанного с деформацией, и одновременного измерения деформации и давления без дренирования тонкого деформируемого профиля с учетом влияния внешних факторов в заданном участке в нескольких точках, является одной из актуальных в области экспериментальной аэродинамики при испытания объектов авиационной техники.

Известен пленочный емкостной датчик давления, который состоит из четырех слоев диэлектрической пленки, выполненных из однородного материала. Датчик содержит общий сплошной защитный экран. Обкладки конденсатора прямоугольной формы металлизированны на двух диэлектрических пленках. С целью повышения чувствительности датчика между обкладками конденсатора расположена перфорированная диэлектрическая пленка.

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемого объекта без дренирования. [1]
Однако этот датчик обладает рядом недостатков, затрудняющих его применение для аэродинамических испытаний объектов авиационной техники. К ним относятся: отсутствие возможности одновременного измерения давления и деформации, недостаточная помехозащищенность при групповом исполнении на одной подложке нескольких чувствительных элементов (ЧЭ) за счет паразитных емкостных связей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является пленочный датчик, содержащий чувствительный элемент (ЧЭ) давления и деформации. ЧЭ деформации изготавливают из фольгированной диэлектрической пленки. Их располагают в области максимальной деформации профиля. При этом ЧЭ давления расположены на поверхности второй и четвертой диэлектрической пленки. Между этими пленками расположена перфорированная диэлектрическая пленка. Она расположена на том месте, где ожидается максимальное значение пульсации давления.

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления и деформации на поверхности исследуемого профиля без дренирования. [2]
Однако этот датчик обладает недостатками, затрудняющими его применение в аэродинамических экспериментах. К ним относятся: отсутствие возможности отделить сигнал деформации от сигнала давления в заданном участке, незащищенность ЧЭ деформации от влияния внешних электромагнитных помех и трибоэлектрического эффекта.

Изобретение направлено на повышение качества и точности измерения за счет возможности определения влияния деформации на величину давления.

Это достигается тем, что в устройство, включающее емкостной матричный датчик давления, содержащий четыре диэлектрические пленки, соединенные в пакет, на верхней поверхности второй пленки и на нижней поверхности четвертой пленки сформированы обкладки конденсаторов с выводами, являющиеся чувствительными элементами давления, третья пленка выполнена перфорированной, а на верхних поверхностях первой и второй пленок и на нижней поверхности четвертой пленки сформированы соответствующие экраны, при этом на верхней поверхности первой пленки сформированы изолированные от экрана пленочные тензорезисторы, являющиеся чувствительными элементами деформации, причем последние и экран выполнены из металлической фольги, и измерительную аппаратуру, содержащую усилители заряда, усилители напряжения, много-канальный низкочастотный усилитель и индикатор, введен анализатор, а датчик давления снабжен прикрепленный к нижней поверхности первой пленки дополнительной диэлектрической пленкой со сплошным экраном на ее поверхности, причем чувствительные элементы деформации и давления, размещенные на соответствующих пленках, расположены соосно относительно друг друга, при этом чувствительные элементы давления через усилители заряда и напряжения подключены к анализатору, чувствительные элементы деформации подключены к анализатору через многоканальный низкочастотный усилитель, а индикатор подключен к выходу анализатора.

На фиг. 1 изображен пакет датчика в сборе на поверхности тонкого профиля, отдельные узлы конструкции ЧЭ давления, тензорезисторы и блок-схема измерения и обработки сигнала с выхода датчика.

Пакет датчика в сборе на поверхности тонкого профиля 1 содержит дополнительную диэлектрическую пенку 2 со сплошным экраном 3, первую диэлектрическую пленку 4, на верхней поверхности которой сформированы тензорезисторы 5, экран 6 (сечения Г-Г, Б-Б), на верхней поверхности второй диэлектрической пленки 7 металлизированы экран 8, обкладки 9, выводы 10 (сечения Г-Г, В-В), третья диэлектрическая пленка 11 перфорирована, четвертая диэлектрическая пленка 12 на нижней поверхности содержит обкладки 13, экран 14, вывод 15 (сечения Г-Г, А-А). Все пленки пакета между собой и на поверхности профиля скрепляют клеем.

ЧЭ давления (сечение В-В) через усилители заряда 16 и усилители напряжения 17 соединены с анализатором 18. тензорезисторы 5 (сечение Б-Б) через многоканальный низкочастотный усилитель 19 соединены с анализатором 18.

ЧЭ давления поляризуются источником напряжения 20 постоянного тока (сечение А-А). В устройстве использованы стандартные электронные элементы.

Далее сигналы с выходов ЧЭ после согласования и усиления подаются на вход анализатора 18 для дальнейшего анализа. В анализаторе происходит разложение сигналов выходов каждого ЧЭ в гармонический ряд. Выделяют сигналы, характеризующие изменение давления P, деформации ε скорости изменения деформации С выхода анализатора обработанные сигналы поступают на индикатор в аналоговом или цифровом виде.

При измерении давления на поверхности тонкого деформируемого профиля (в определенном диапазоне частоты и давления) ЧЭ датчика давления 9, 13 кроме регистрации основного воздействия потока газа также будут регистрировать влияние от деформации. Поэтому, с целью выделения сигнала деформации из общего сигнала зарегистрированного ЧЭ давления рекомендуется ЧЭ давления 9, 13 и деформации 5 располагать соосно заданным участкам профиля а, б, в (сечение Б-Б, В-В). При этом надо четко отделить области максимального значения деформации от минимального значения давления, соответствующие соответственно расположению ЧЭ деформации и давления в участках а, б, в. Также для выделения сигнала деформации из общего сигнала, снимаемого с датчика, целесообразно ЧЭ давления изолировать от основного потока.

Чтобы выделить сигнал деформации из общего сигнала, нужно учитывать, что давление изменяется периодически изменение деформации тоже периодично и запаздывает на фазовый угол β относительно заданного давления. При этом деформация e и скорость деформации изменяются как:

ЧЭ давления 9 в участке "а" практически не будет реагировать на давление. В участке "а" ЧЭ 9 регистрирует силу, возникающую от деформации. ЧЭ деформации 5 в участке "a" будет регистрировать максимальный уровень сигнала деформации (без влияния давления). В участке "б" ЧЭ давления 9 будет регистрировать одновременно действие давления и деформации, а ЧЭ деформации 5 регистрирует только сигнал деформации (без влияния давления). В участке "в" ЧЭ давления 9 одновременно регистрирует максимальный уровень давления и минимальное значение действия силы деформации. При этом ЧЭ деформации 5 тоже будет регистрировать минимальный уровень значения силы деформации.

Принцип работы датчика заключается в следующем. При воздействии давления в местах соединения ЧЭ деформации 5 возникают напряжения деформации. На поверхности датчика через диэлектрические пленки 12, 11, 7 тензорезисторы 5 испытывают действия усилия (давление). При этом деформация модели определяется как величина электрического напряжения на выходе ЧЭ деформации после усиления и определения коэффициента тензочувствительности. При изменении давления P диэлектрическая пленка 12 изгибается внутрь ячейки перфорации диэлектрической пленки 11, а емкость C изменяется пропорционально давлению на величину ΔC При этом выходное напряжение, снимаемое с выводов 10 ЧЭ давления, пропорционально напряжению поляризации U и соотношению По изменению емкости судят о давлении.

Использование: для измерения давления и деформации на поверхности объектов без ее дренирования. Цель - повышение точности измерений. Сущность изобретения: устройство содержит датчик с чувствительными элементами для одновременного измерения давления и деформации на исследуемой поверхности. При этом определяют влияние деформации на результат измерений давления путем спектрального анализа сигналов деформации и давления в анализаторе 18. Емкостный матричный датчик разработан на основе пяти металлизированных и фольгированных диэлектрических пленок 2, 4, 7, 11, 12. Датчик защищен от влияния внешних электромагнитных помех соответствующими экранами. 1 ил.

Устройство для измерения давления, включающее емкостный матричный датчик давления, содержащий четыре диэлектрические пленки, соединенные в пакет, на верхней поверхности второй пленки и на нижней поверхности четвертой пленки сформированы обкладки конденсаторов с выводами, являющиеся чувствительными элементами давления, третья пленка выполнена перфорированной, а на верхних поверхностях первой и второй пленок и на нижней поверхности четвертой пленки сформированы соответствующие экраны, на верхней поверхности первой пленки сформированы изолированные от экрана пленочные тензорезисторы, являющиеся чувствительными элементами деформации, причем последние и экран выполнены из металлической фольги, и измерительную аппаратуру, содержащую усилители заряда, усилители напряжения, многоканальный низкочастотный усилитель и индикатор, отличающееся тем, что в него введен анализатор, а емкостной матричный датчик давления снабжен прикрепленной к нижней поверхности первой пленки дополнительной диэлектрической пленкой со сплошным экраном на ее верхней поверхности, чувствительные элементы деформации и давления, размещенные на соответствующих пленках, расположены соосно относительно друг друга, при этом чувствительные элементы давления через усилители заряда и напряжения подключены к анализатору, чувствительные элементы деформации подключены к анализатору через многокональный низкочастотный усилитель, а индикатор подключен к выходу анализатора.