ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления в авиационной технике и машиностроении.

Известен емкостной датчик давления, разработанный на базе четырех диэлектрических пленок. На двух пленках сформированы обкладки конденсатора с выходами и боковые экраны, между ними расположена перфорированная третья диэлектрическая пленка. Четвертая пленка является изолятором между основным экраном и изделием.

Такой датчик не позволяет измерять давление с учетом влияния деформации на поверхности деформируемого изделия [1]
Наиболее близким к изобретению техническим решением является тонкопленочный емкостной датчик давления, разработанный на основе трех диэлектрических пленок. На верхней поверхности первой пленки сформированы обкладки с выходами конденсатора и боковой экран. Вторая пленка перфорированная и расположена между первой и третьей пленками. На обеих поверхностях третьей диэлектрической пленки сформирована обкладка с выходами конденсаторов и боковые экраны.

Такой датчик не позволяет измерить давление с учетом деформации изделий [2]
Недостатками аналога и прототипа являются: отсутствие в датчике чувствительных элементов (ЧЭ) для регистрации сигнала, возникающего в процессе деформации изделия с датчиком, высокая погрешность измерения, так как из основного сигнала невозможно выделить сигнал деформации.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения и повышение качества измерения, увеличение верхнего диапазона давления.

Технический результат достигается тем, что в емкостной датчик давления, содержащий три диэлектрические пленки, соединенные в пакет, причем на обеих поверхностях верхней пленки сформированы обкладки конденсаторов с выходами и боковыми экранами, а на верхней поверхности одной из двух оставшихся пленок сформированы также обкладки конденсатора с выходами с боковой экран, введены две дополнительные диэлектрические пленки, одна из них первая по порядку расположения в пакете является изолятором между датчиком и объектом измерения, пленка с обкладками конденсаторов и боковым экраном на ее верхней поверхности является второй по порядку расположения в пакете, и на ее нижней поверхности дополнительно сформированы обкладки конденсаторов с выходами и боковой экран, третья вновь введенная пленка расположена между второй и оставшейся четвертой диэлектрическими пленками и являются изолятором, при этом на нижней поверхности четвертой диэлектрической пленки, расположенной под верхней, пятой пленкой сформирован дополнительный сплошной экран.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена конструкция датчика для измерения пульсации давления на поверхности деформируемого изделия.

Основанием датчика является первая диэлектрическая пленка 1. На обеих поверхностях второй диэлектрической пленки 2 (первая мембрана) сформированы обкладки 3, 4 конденсатора с выводами и боковые экраны 5, 6 (сечение А-А, Г-Г). Третья диэлектрическая пленка 7 является изолятором. Сплошной экран 8 сформирован на нижней поверхности четвертой диэлектрической пленки 9 (сечение Д-Д Мембраной датчика является пятая диэлектрическая пленка 10, на нижней поверхности которой сформированы боковой экран 11 и обкладки конденсатора 12 с выходами (сечение В-В, Г-Г), а на верхней поверхности тоже боковой экран 13 и обкладки конденсатора с выводом 14 (сечение А-А, Г-Г). Слои между собой и на поверхности изделия 15 скрепляют клеем.

Конструкция этого датчика предназначена для измерения высоких уровней пульсации давления (40 10⁷ Па) на поверхности деформируемого изделия от воздействия давления. Типичным примером деформируемых изделий могут служить вентиляторы любого вида.

Когда изделие 15 из композиционных диэлектрических материалов, нет необходимости изолировать от него дополнительные элементы (обкладки 3, боковой экран 5) на нижней поверхности второй диэлектрической пленки 2. При воздействии давления на верхнюю поверхность датчика деформация изделия 15 через слой клея в большей степени передается первой группе ЧЭ (обкладки 3, 4, мембрана 2 на поверхности второй диэлектрической пленки 2) и в меньшей степени деформация изделий через слои клея и слой третьей 7 и четвертой 9 диэлектрических пленок передается на ЧЭ второй группы (обкладки 12, 14 на поверхности пятой диэлектрической пленки 10). Ослабление влияния деформации на вторую группу ЧЭ объясняется высокой вязкостью клея между слоями датчика и наличием нескольких диэлектрических пленок над ЧЭ первой группы. Влияние давления на первую и вторую группы ЧЭ определяют при воздействии пульсации давления на верхней поверхности датчика в статическом состоянии изделий (без деформации). При этом определяют нижний порог чувствительности к давлению ЧЭ второй группы и определяют коэффициент чувствительности всех ЧЭ. Далее влияние деформации на результаты измерения давления вычитают из результатов измерения с помощью специальной методики измерения давления.

При необходимости верхний слой датчика может быть защищен от внешних воздействий тонким покрытием лакового слоя. Сигнал снимается из выводов обкладок 4, 12. Напряжение поляризации подается на обкладки 3, 4. Обкладки 4, 12 от воздействия внешних электромагнитных помех защищаются основным экраном 8, боковыми экранами 5, 6, 11, 13 и обкладками 3, 14.

Принцип работы датчика заключается в следующем.

При изменении давления ΔP на поверхности датчика (препарированное на поверхности деформируемых изделий) изменяется расстояние между обкладками 3, 4 и 12, 14. В результате упругого сжатия и деформации между обкладками изменяется начальная емкость C, приращение емкости DC и относительное изменение емкости . Полезный сигнал, снимаемый с выходов обкладок 4, 12 относительно обкладок 3, 14, пропорционален приращению емкости и напряжению поляризации, подаваемого к выходам обкладок 3, 14.

Были изготовлены ЧЭ из твердого диэлектрика размерами 6х9 мм и проверены в лабораторных условиях. Установлено, что нижний порог чувствительности первой группы ЧЭ больше 200 Па. Вторая группа ЧЭ имеет нижний порог чувствительности 40-60 Па при напряжении поляризации датчика 50 В. Коэффициент чувствительности ЧЭ . Все измерение проверено в лабораторных условиях без деформации изделий. Влияние деформации на результаты измерения ограничивается частотными диапазоном (от 10 Гц до 20 кГц) измерительной аппаратуры. Датчик с измерительной аппаратурой согласован усилителем заряда.

Такое конструктивное решение датчика, т.е. введение дополнительных ЧЭ, позволяет одновременно измерять сигнал от воздействия давления, деформации, выделить из основного сигнала сигнал деформации, расширить область применения и улучшить качество измерения, повысить технико-экономическую эффективность измерения.

Использование: в измерительной технике и может применяться для измерения распределения пульсации давления на поверхности деформируемого изделия и выделения сигнала деформации из сигнала давления и без механической обработки поверхности изделий. Такой датчик разработан на базе двух групп чувствительных элементов (ЧЭ) пульсации давления. Сущность изобретения: первая группа ЧЭ (обкладки 3, 4, мембрана 2 на поверхности второй диэлектрической пленки 2) наклеивается на поверхность деформируемого изделия 15, а над первой группой ЧЭ над диэлектрическими пленками и основным экраном расположена вторая группа ЧЭ (обкладки 12, 14 на поверхности пятой диэлектрической пленки 10) для регистрации воздействия пульсации давления. Определяют порог чувствительности к давлению всех ЧЭ. Затем по известной методике измерения выделяют из основного сигнала давления из второй группы элементов сигнал деформации, зарегистрированный в первой группе ЧЭ. Диапазон измерения составляет от 40 до 10⁷ Па. 1 ил.

Емкостный датчик давления, содержащий три диэлектрические пленки, соединенные в пакет, при этом на обеих поверхностях верхней пленки сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковыми экранами, а на верхней поверхности одной из двух оставшихся пленок сформированы также обкладки конденсаторов с выводами и боковой экран, отличающийся тем, что в него введены две дополнительные диэлектрические пленки, одна из которых - первая по порядку расположения в пакете является изолятором между датчиком и объектом измерения, пленка с обкладками конденсаторов и боковым экраном на ее верхней поверхности является второй по порядку расположения в пакете и на ее нижней поверхности дополнительно сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковой экран, третья вновь введенная пленка расположена между второй и оставшейся четвертой диэлектрическими пленками и является изолятором, при этом на нижней поверхности четвертой диэлектрической пленки, расположенной под верхней, пятой пленкой, сформирован дополнительный сплошной экран.