ПЕРВИЧНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ, ЖИДКОСТЕЙ, СОСРЕДОТОЧЕННЫХ СИЛ Российский патент 2008 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил.

Известны датчики (см. статью W.Bufet. Universal pressure and temperature SAW sensor for wireless applications. 1997 IEEE Ultrasonics symposium), состоящие из двух пьезоплат с резонаторами.

Недостатком этих датчиков является сильная зависимость чувствительности к давлению от расположения резонаторов на пьезоплате. Такая конструкция приводит к значительному разбросу параметров датчика в процессе производства, что существенно отражается на точности измерения.

Известен также датчик давления (патент России №2089864, МКИ G01L 9/12,1997), содержащий соединенные последовательно в пакет пять диэлектрических пленок, из которых первая, нижняя пленка является основанием датчика, а также содержащий электрод конденсатора с выводами и боковыми экранами, а также скрепленная с пятой пленкой шестая диэлектрическая пленка со сплошным экраном на верхней поверхности, причем первый электрод конденсатора с выводом и боковым экраном размещен 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.

Однако такой датчик имеет нестабильные во времени характеристики и, таким образом, не обеспечивает точности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является первичный чувствительный элемент для измерения давления (Свидетельство на полезную модель №27257, G10К 15/00), состоящий из двух пьезоплат, на каждой из которых сформирован резонатор, расположенный в центре круглой мембраны, причем первичный чувствительный элемент образован соединением указанных пьезоплат резонаторами внутрь.

В такой конструкции первичного чувствительного элемента для измерения давления практически отсутствует зависимость чувствительности от допуска на расположение резонаторов, что обеспечивает высокую воспроизводимость параметров первичных чувствительных элементов в процессе производства и высокую долговременную стабильность параметров.

Однако такой первичный чувствительный элемент для измерения давления имеет малую точность вследствие малой девиации частоты резонатора и наличия гистерезисных явлений в месте крепления пьезоплат.

Причинами, препятствующими получению указанного ниже технического результата при использовании известного первичного чувствительного элемента для измерения давления - прототипа, являются следующие его недостатки: все узлы между собой скреплены клеем при определенной температуре и сжатии, сборка датчика осуществляется ручным способом, наблюдается большой технологический разброс параметров между чувствительными элементами.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения давления при условии долговременной стабильности характеристик.

Технический результат достигается тем, что в первичном чувствительном элементе для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил, состоящем из двух пьезоппат, на внутренней стороне каждой из которых сформированы встречно-штыревые преобразователи, образующих мембранную коробку посредством вакуум-плотного склеивания упомянутых пьезоплат встречно-штыревыми преобразователями ввутрь, в качестве измерительного сигнала используется изменение фазы сигнала при изменении давления, дополнительно сформированы электроды электростатического драйвера - по одному на внутренней стороне каждой пьезоплаты, а также на наружной стороне пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление, сформированы не менее одного углубления, при этом толщина указанной пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление, в месте крепления ко второй пьезопдате больше наименьшей толщины указанной пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление.

Использование в качестве измерительного сигнала изменения фазы вследствие прогиба пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление, позволяет существенно увеличить точность измерения давления.

Дополнительное формирование на каждой пьезоплате электродов электростатического драйвера дает возможность снизить уровень ошибок, возникающих вследствие гистерезисных явлений в пьезоплатах и в местах соединения пьезоплат, за счет придания вынужденной высокочастотной вибрации пьезоплате, непосредственно воспринимающей давление.

Профилирование не содержащей электродов стороны пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление, позволяет обеспечить требуемые параметры указанной пьезоплаты в используемой для измерений области распространения поверхностной акустической волны (равномерность местного удлинения, местной скорости поверхностной акустической волны и т.д.).

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства, первичного чувствительного элемента для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

В настоящее время авторам неизвестны первичные чувствительные элементы для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил, которые позволяли бы проводить измерение давления с такой точностью, которую обеспечивает предлагаемая конструкция первичного чувствительного элемента для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведены варианты конструкции первичного чувствительного элемента для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил; на фиг.2 приведена конструкция пьезоплат.

Первичный чувствительный элемент (ПЧЭ) для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил (фиг.1) состоит из пьезоплаты 1.2, непосредственно воспринимающей давление, и пьезоплаты 1.4. Пьезоплата 1.2, непосредственно воспринимающая давление, фактически является мембраной. Пьезоплаты склеиваются при помощи клея 1.3. В качестве клея можно применять стекло, эпоксидные клеи, в том числе эпоксил. Пьезоплата 1.4 является основанием, которым ПЧЭ присоединяется к недеформируемому месту крепления. В результате склеивания между пьзоплатами 1.2 и 1.4 образуется герметизированная полость 1.5. Пьезоплаты 1.2 и 1.4 представляют собой пластины из пьезоматериала, например кварца или ниобата лития, на внутренней стороне каждой из которых сформированы встречно-штыревые преобразователи (ВШП) линий задержки (ЛЗ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (входной ВШП 2.1 и выходной ВШП 2.4) и электроды электростатического драйвера 2.2 (по одному электроду на внутренней стороне каждой пьезоплаты). Кроме того, на содержащей ВШП стороне каждой пьезоплаты сформированы контактные площадки 2.3.

Пьезоплаты 1.2 и 1.4 образуют мембранную коробку посредством вакуум-плотного склеивания упомянутых пьезоплат встречно-штыревыми преобразователями внутрь.

Па наружной стороне пьезоплаты 1.2 сформировано профилированное углубление 1.1, так что пьезоплата 1.2, непосредственно воспринимающая давление, в месте крепления к пьезоплате 1.4 имеет большую толщину, чем наименьшая толщина пьезоплаты 1.2.

Углубление 1.1 может быть сформировано методами шлифовки и полировки. Для формирования заданного профиля изготовляется модель, имеющая ось симметрии и повторяющая профиль углубления. В простейшем случае это может быть сфера с нанесенным на внешнюю поверхность абразивным материалом. При вращении сфера с нанесенным на внешнюю поверхность абразивным материалом соприкасается с пьезоплатой 1.2 и формирует профилированное углубление 1.1.

В случае измерения сосредоточенных нагрузок можно не герметизировать полость 1.5. Например, присоединить пьезоплату 1.2 консольно к пьезоплате 1.4 без герметизации. В данном случае две пьезоплаты 1.2 и 1.4 будут соединены только с одной из четырех сторон и ПЧЭ будет воспринимать только сосредоточенные силы.

Формирование ВШП и электродов реализовано по технологии напыления, последующей фотолитографии и травления. Могут быть использованы и другие технологические процессы формирования металлических структур на пьезоплатах.

Устройство работает следующим образом. При изменении давления, сосредоточенных нагрузок, других сосредоточенных или распределенных сил прогибается пьезоплата 1.2. Прогиб становится возможным благодаря наличию герметизированной полости 1.5. Вследствие прогиба пьезоплаты 1.2 изменяется время задержки ЛЗ, сформированной входным ВШП 2.1 и выходным ВШП 2.4. Величина задержки измеряется, например, на основе фазового метода (например, фазометром ФК2-29). На основе градуировочной зависимости изменению фазы можно соотнести величину давления.

Величина задержки зависит от местного относительного удлинения и местной скорости ПАВ. Для увеличения изменения (девиации) времени задержки на ЛЗ на пьезоплате 1.2 необходимо обеспечить равномерность местного относительного удлинения и местной скорости ПАВ между входным ВШП 2.1 и выходным ВШП 2.4. Для обеспечения равномерности местного относительного удлинения и местной скорости ПАВ между входным ВШП 2.1 и выходным ВШП 2.4 используется профилированное углубление 1.1 на наружной стороне пьезоплаты 1.2. Профилированное углубление 1.1 может иметь различную форму, например, одну из таких, какие изображены на фиг.1.

Поскольку пьезоплата 1.4 претерпевает только линейное расширение, обусловленное температурным коэффициентом расширения, то равномерность изменений местного относительного удлинения и местной скорости ПАВ между входным ВШП 2.1 и выходным ВШП 2.4 на пьезоплате 1.4, возникающих вследствие изменения температуры, обеспечивается на физическом уровне и не требуется принятия мер для обеспечения еще большей равномерности.

На электроды электростатического драйвера 2.2 с генератора сигналов (например, Г3-118) поступает периодический сигнал с частотой, соответствующей собственной частоте пьезоплаты 1.2. Поскольку пьезоплата 1.4, как правило, изготавливается более толстой, чем пьезоплата 1.2, то собственные частоты указанных пьезоплат не совпадают. Вследствие того, что собственные частоты пьезоплат 1.2 и 1.4 не совпадают, в резонансе начинает вибрировать только пьезоплата 1.2. Вибрация пьезоплаты 1.2 снижает ошибки измерения, вызванные наличием гистерезиса в материале пьезоплат и в материале клея 1.3. Таким образом, вибрация, обусловленная действием электростатического драйвера, приводит к уменьшению ошибки измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил.

Входной ВШП 2.1 и выходной ВШП 2.4 пьезоплаты 1.4 предназначены для измерения температуры. При изменении температуры изменяется время задержки ЛЗ, сформированной входным ВШП 2.1 и выходным ВШП 2.4 на пьезоплате 1.4. Величина задержки измеряется на основе фазового метода (например, фазометром ФК2-29). На основе градуировочной зависимости изменению фазы можно соотнести величину температуры.

Линия задержки, сформированная на пьезоплате 1.2, воспринимает давление, поскольку пьезоплата 1.2, на которой она находится, имеет контакт с внешней средой.

Пьезоппата 1.4 является основанием и прикрепляется, например, способом приклеивания к недеформируемой поверхности, поэтому давление не передается на ЛЗ, сформированную входным ВШП 2.1 и выходным ВШП 2.4 на пьезоплате 1.4, и указанная ЛЗ реагирует только на температуру.

Соединение ВШП и электродов электростатического драйвера с внешней аппаратурой осуществляется через контактные площадки 2.3.

Для обоснования достижимой точности первичного чувствительного элемента для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил рассмотрим работу ПЧЭ при измерении давления, когда используется прогиб пьезоплаты 1.2 (мембраны) и измеряется изменение фазы сигнала на ЛЗ, сформированной входным ВШП 2.1 и выходным ВШП 2.4 на пьезоплате 1.2.

Чувствительным элементом при измерении давления является пьезоплата 1.2, отполированная не менее чем с той одной стороны, на которую напылены ВШП.

Подаваемый на входной ВШП 2.1 периодический сигнал вследствие обратного пьезоэффекта возбуждает на поверхности пьезоплаты 1.2 акустическую волну, которая распространяется по поверхности пластины до выходного ВШП 2.4, где вследствие прямого пьезоэффекта происходит преобразование акустического сигнала в электрический сигнал. Выходной сигнал при этом претерпевает задержку во времени на величину Т_З.

Величина временной задержки определяет начальную фазу выходного сигнала и зависит от расстояния между входным ВШП 2.1 и выходным ВШП 2.4, а также от скорости распространения ПАВ. Скорость распространения ПАВ и расстояние между входным и выходным ВШП, в свою очередь, зависят от деформации пьезоплаты 1.2.

Предположим в первом приближении, что относительное изменение времени задержки пропорционально относительному изменению давления

где ΔT_З - изменение времени задержки гармонического сигнала при изменении давления на пьезоплату 1.2; ΔТ_З=T_К-T_ЗН; Т_К - время задержки сигнала при текущем значении давления; T_ЗН - время задержки сигнала при номинальном значении давления; ДКЗ - деформационный коэффициент задержки; Δр - изменение давления на пьезоплату 1.2, соответствующее изменению прогиба; Δр=p-p_н; p, р_н - текущее и номинальное значения измеряемого давления соответственно.

Длина волны λ, определяется выражением [1]

где V_ПАВ - скорость распространения акустической волны по поверхности пьезоплаты; f₀ - частота гармонического сигнала, подаваемого на входной ВПШ 2.1 пьезоплаты 1.2.

За время изменения задержки ΔT_З поверхностная акустическая волна проходит дополнительное расстояние Δl

Δl=V_ПАВΔT_З.

Следовательно, изменение времени задержки связано с изменением проходимого поверхностной волной расстояния зависимостью

При Δl=λ (при задержке ПАВ на один период) изменение времени задержки будет равно периоду входного сигнала

Если ЛЗ имеет центральную частоту f₀≈1ГГц, то длина волны ПАВ составляет λ≈4 мкм. При предельно допустимой относительной деформации кварца ε_σ=10^-3, соответствующей его пределу прочности, допустимое значение деформации пьезоплаты 1.2 на величину Δl=4 мкм соответствует линейному расстоянию между входным и выходным ВШП

l=Δl/ε_σ=4 мм.

Другими словами, при максимально допустимом давлении для ЛЗ с линейным пробегом волны l=4 мм изменение фазы ПАВ составит Δϕ=360 град.

При измерениях фазометром ФК2-29 (с погрешностью δϕ=0,2 град.) относительная погрешность измерения изменения фазы Δϕ составит

Следовательно, можно уменьшить относительную погрешность измерений δϕ/Δϕ, например, в 10 раз, увеличив изменение фазы Δϕ в 10 раз.

Покажем, что для этого достаточно увеличить линейный размер ЛЗ в 10 раз.

Фаза колебаний линейно зависит от времени задержки:

где ϕ₀ - начальная фаза колебаний, T_З - время задержки.

При изменении времени задержки на величину ΔT_З изменение фазы составит

При увеличении Δl в 10 раз до значения 40 мкм при ε_σ=10^-3 длина ЛЗ станет равной l=Δl/ε_σ=40 мм. Соответственно, достижимое изменение фазы при неизменной длине волны λ=4 мкм также увеличится в 10 раз и составит

Соответственно, относительная погрешность уменьшится в 10 раз

Найдем зависимость погрешности измерения давления от погрешности измерения изменения фазы. В этом случае зависимость изменения фазы от изменения давления с учетом формул (1)-(2) может быть представлена в виде

В соответствии с (3) зависимость погрешностей измерения изменений фазы и давления

Разделив левую и правую части полученного равенства на Δϕ и воспользовавшись формулой (3), получим зависимость относительной погрешности измерения изменения давления от относительной погрешности измерения изменения фазы

где δр, δ(Δϕ) - погрешности измерений изменения давления Δр и изменения фазы Δϕ соответственно; - относительная погрешность, определяемая по отношению кизменению Δр измеряемых давлений.

При известных значениях параметров ДКЗ, Т_н, f₀ погрешность ПЧЭ можно оценить в соответствии с формулой

Как следует из формулы (5), при увеличении изменения фазы, т.е. при увеличении начального расстояния между входным ВПШ 2.1 и выходным ВШП 2.4, или начального времени задержки погрешность измерения изменения давления уменьшается.

Например, оценим погрешность ПЧЭ при использовании для измерений фазометра ФК2-29 с характеристиками:

- рабочая частота f₀=1 ГГц;

- погрешность измерения изменения фазы δϕ=0,2 град;

- максимальная относительная деформация ε_σ=10^-3;

- номинальное значение времени задержки T_ЗН=10 мкс;

- деформационный коэффициент задержки .

В соответствии с формулой (5) получим искомое значение погрешности измерения давления с использованием первичного чувствительного элемента для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил

Сопоставление основных технических характеристик первичного чувствительного элемента для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил с техническими характеристиками ПЧЭ-прототипа приведеновтаблипе сравнения.

Таким образом, предлагаемый первичный чувствительный элемент для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил является высокоточным прибором для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил.

Источник информации

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил. Первичный чувствительный элемент состоит из двух пьезоплат, на внутренней стороне каждой из которых сформированы встречно-штыревые преобразователи, образующие мембранную коробку посредством вакуум-плотного склеивания упомянутых пьезоплат встречно-штыревыми преобразователями внутрь. В качестве измерительного сигнала используется изменение фазы сигнала при изменении давления. Дополнительно сформированы электроды электростатического драйвера - по одному на внутренней стороне каждой пьезоплаты. На наружной стороне пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление, сформировано не менее одного углубления. Толщина пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление, в месте крепления ко второй пьезоплате, больше наименьшей толщины указанной пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление. Одна из пьезоплат может крепиться консольно ко второй пьезоплате без герметизации. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Первичный чувствительный элемент для измерения давления газов, жидкостей, сосредоточенных сил, состоящий из двух пьезоплат, на внутренней стороне каждой из которых сформированы встречно-штыревые преобразователи, образующих мембранную коробку посредством вакуумплотного склеивания упомянутых пьезоплат встречно-штыревыми преобразователями внутрь, отличающийся тем, что в качестве измерительного сигнала используется изменение фазы сигнала при изменении давления, а также дополнительно сформированы электроды электростатического драйвера - по одному на внутренней стороне каждой пьезоплаты, а также на наружной стороне пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление, сформировано не менее одного углубления, при этом толщина указанной пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление, в месте крепления ко второй пьезоплате больше наименьшей толщины указанной пьезоплаты, непосредственно воспринимающей давление.2. Первичный чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что одна из пьезоплат крепится консольно ко второй пьезоплате без герметизации.