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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений (пульсирующих и статических) в авиационной технике и машиностроении.

Известен емкостный матричный датчик давления, позволяющий измерить пульсацию давления в диапазоне 100-40000 Па при наличии статического давления 10⁷ Па. Конструкция этого датчика содержит пять диэлектрических пленок. На первой пленке сформирован основной сплошной экран. Вторая пленка является изолятором между первой и третьей пленками. На одной из поверхностей третьей и пятой пленок сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны. Четвертая пленка перфорированная и расположена между третьей и пятой пленками.

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемого объекта без дополнительной обработки поверхности изделий [1]
Недостатком датчика является отсутствие возможности одновременного измерения давления меньше 100 Па и больше 40000 Па, что препятствует его широкому применению в машиностроении и народном хозяйстве.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является емкостной матричный датчик давления. Конструкция тонкопленочного емкостного датчика давления содержит пять диэлектрических пленок. На одной из поверхностей первой и пятой диэлектрических пленок сформированы обкладки конденсатора с выводами и боковые экраны, а на обеих поверхностях треть диэлектрической пленки сформированы обкладки конденсатора с выводами и боковые экраны. Вторая и четвертая диэлектрические пленки перфорированные и расположены соответственно между первой-третьей и третьей, пятой диэлектрическими пленками. Перфорированные пленки предназначены для повышения чувствительности датчика [2]
Такое решение в указанной конструкции обеспечивает одновременное изменение в заданном участке двух одинаковых сигналов (пульсации или статического) и двух сигналов разного вида (пульсации и статического давления). Диапазон измерения пульсации давления ограничивается в пределах 10-10000 Па, при наличии статического давления 10⁷ Па. Эта конструкция датчика позволяет измерить давление на поверхности изделий без дополнительной механической обработки.

Недостатком датчика является отсутствие возможности измерения пульсации давления меньше 10 Па и больше 10000 Па, что препятствует его широкому применению в авиационной технике и машиностроении.

Задача изобретения повышение нижнего и верхнего диапазонов давления в газо- и гидродинамике.

Техническим результатом является изменение схемы датчика за счет введения чувствительных элементов с более широким диапазоном измерения.

Технический результат достигается тем, что емкостной датчик давления, содержащий соединенные последовательно в пакет пять диэлектрических пленок, из которых первая нижняя пленка является основанием датчика, а также содержащий обкладки конденсатора с выводами и боковыми экранами, в него введена скрепленная с пятой пленой шестая диэлектрическая пленка со сплошным экраном на верхней поверхности, причем первая обкладка конденсатора с выводом и боковым экраном размещена 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.

На чертеже изображена конструкция датчика в сборе и отдельные узлы. Основанием датчика является первая нижняя диэлектрическая пленка 1 с первым сплошным экраном 2. На верхней поверхности второй диэлектрической пленки 3 сформирован боковой экран 4, обкладки конденсатора 5 с выводом 6 (сечение Г-Г, А-А). Третья диэлектрическая пленка 7 является изолятором. Первая мембрана датчика 8 с ячейками перфорации 9 из металла сформирована на нижней поверхности четвертой диэлектрической пленки 10 (сечение Г-Г, Б-Б). Пятая диэлектрическая пленка 11 перфорированная. Боковой экран 12 и обкладка конденсатора 13 с выводом 14 сформирована на нижней поверхности шестой диэлектрической пленки 15 (сечение Г-Г, В-В), на ее верхней поверхности сформирован второй сплошной основной экран 16. Второй мембраной датчика является шестая диэлектрическая пленка 15. Все слои между собой скрепляют клеем. Конструкцию датчика можно сформировать с одним или несколькими ЧЭ на одной подложке диэлектрической пленки. Для измерения низких уровней давления (0-50,0 Па) работает вторая мембрана, т.е. шестая диэлектрическая пленка 15. Под действием давления 0,1 Па при диаметре ячейки перфорации 6 мм, толщине ячейки перфорации δ₁ равной толщине мембраны δ = δ₂= 10 мкм модуле упругости полиимидной пленки 3•10⁹ Па, коэффициенте Пуассона μ ≈ 0,25 прогиб мембраны составляет y ≈ 0,2 мкм. При увеличении нагрузки (давления) до 100 Па прогиб мембраны увеличивается в 10 раз, т.е. превышает толщину перфорированной пленки d₁ почти в два раза. При этом ячейка перфорации упирается на поверхность первой мембраны датчика 8, которая предназначена для измерения высоких уровней пульсации давления (50-10⁷ Па и выше). Для измерения больших значений пульсации давления первую мембрану изготавливают из металла. Число ячеек перфорации под мембраной от одной и больше. Диаметр ячейки перфорации первой мембраны от 0,5 до 6 мм. Толщину первой мембраны 8 выбирают в зависимости от уровня давления и условия обеспечения линейности градуировочной характеристики.

Диаметр ячейки перфорации под второй мембраной от 3 до 6 мм. Толщина мембраны равна толщине (8-10 мкм) перфорированной диэлектрической пленки. Первый и второй основные сплошные экраны 2, 16 защищают от внешних воздействий электромагнитных помех обкладки 5, 13, сверху и снизу. Боковые экраны 4, 12 также защищают датчик от проникновения помехи. Напряжение поляризации подается на первую мембрану.

Принцип работы датчика. При действии низких уровней давления (0-500 Па) на поверхность датчика через слои 15, 16, 13 вторая мембрана датчика изгибается внутрь ячейки перфорации пятой диэлектрической пленки 11. Далее с увеличением давления (больше 500 Па) под воздействием давления через шестую, пятую диэлектрическую пленки 15, 11 первая мембрана датчика 8 прогибает ячейки перфорации 9. При этом начальная емкость второго и первого ЧЭ изменяется пропорционально давлению на величину ΔC Выходное напряжение, снимаемое с выводов 6, 14, пропорционально напряжению поляризации, подаваемому на первую мембрану 8, и отношению ΔC/C По изменению емкости судят о давлении.

В стадии макетирования был изготовлен датчик с размерами обкладки 6 х 9 мм, с толщиной первой мембраны из диэлектрической пленки 20 мкм, второй мембраны 10 мкм. Толщина перфорированной пленки 1 10 мкм, диаметр перфорации 6 мкм. Под первой мембраной 8 была использована тоже перфорированная диэлектрическая пленка толщиной 40 мкм с диаметром ячейки перфорации 0,8 мм, числом ячеек перфорации несколько десятков штук.

В лабораторных условиях измерения показали, что второй ЧЭ чувствует изменение давления от 0,1 до 500 Па. Первый ЧЭ от 265 Па и выше. При прямой подаче давления на первый ЧЭ нижний порог чувствительности составляет 10 Па. Нижний на выходе датчика увеличивается примерно 4,5 раза при уровне пульсации давления 500 Па. Стабильность выходного напряжения первого и второго ЧЭ по времени (в течение 20 мин) практически одинаковая и отличается от начального значения не более примерно 0,3 0,5% Максимальный уровень задаваемого давления до 500 Па. Давление менялось синусоидальной частотой 40 Гц.

Такое конструктивное решение датчика позволяет повысить технико-экономическую эффективность проводимого эксперимента за счет расширения нижнего и верхнего диапазонов измерения давления, одновременно с одним датчиком, который оснащен двумя ЧЭ.

Использование: для измерения давления на поверхности объектов в авиационной технике и машиностроении без дренирования исследуемой поверхности. Цель изобретения - расширение диапазона измерений. Сущность измерения: конструкция датчика разработана на базе шести диэлектрических пленок. Первую мембрану 8 изготавливают из металла с глухими ячейками перфорации 9 для измерения высоких уровней давления, вторую мембрану - из диэлектрической пленки 15 для измерения низких уровней давлений. Оба чувствительных элемента от внешних электромагнитных помех защищены двумя сплошными 2,16 и двумя боковыми 4,12 экранами. Обкладки 5 и 13 конденсатора сформированы соответственно на второй пленке 3 и шестой пленке 15. По изменению емкости конденсатора судят о давлении. Изобретение позволяет измерять пульсации давления в области газо- и гидродинамики: одновременно низкие 0-50 Па и высокие уровни 50-10, 000 Па и выше. 1 ил.

Емкостный датчик давления, содержащий соединенные последовательно в пакет пять диэлектрических пленок, из которых первая, нижняя, пленка является основанием датчика, а также содержащий обкладки конденсатора с выводами и боковыми экранами, отличающийся тем, что в него введена скрепленная с пятой пленкой шестая диэлектрическая пленка со сплошным экраном на верхней поверхности, причем первая обкладка конденсатора с выводом и боковым экраном размещена 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.