Датчик давления Советский патент 1983 года по МПК G01L9/08 

11зобретение относится к контроль ,но-нзмерительной технике, в частнос ти к пьезорезонаторным датчикам дав ления. Известен датчик давления, содерж схий корпус, мембрану, толкатель и пьезорезонаторы Cl 3 Однако чувствительность, термоустойчивость и быстродействие датчи ка невысоки. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является дав пения, содержащий корпус, в котором закреплена мембрана, связанная че,рез толкатель с пьезопластиной на которой размещены пьезорезонаторы C2:i. ()д}1ако в датчике наличие толкателя в виде рамки и балок Z-образно формы, размеры которых определяются размерами пьезопластины, приводят к увеличению приведенной массы чувствительных элементов (пьезорезона-. торов), вследствие чего не обеспечивается высокое быстродействие. Значительная часть действующего дав. ления в указанном датчике идет на де формацию толкателя в виде рамки и балки Z-образной формы, в связи с чем он не может регистрировать малые массы давления, т.е. имеет определен ный порог чувствительности.. Чувствительность этого датчика зависит от отношения плеч Z-образной балки. Для повышения чуствительности в указанной конструкции необходимо увеличить размеры плеч балки, что приведет к дополнительному ухудшению частотных свойств и к уменьшению разрешающей способности и точности датчика. Кроме того, конструция датчика сложна. Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение конструкции датчика давления. Поставленная цель достигается тем что в датчике давления, содержащем корпус, в котором закреплена мембрана, связанная через толкатель с пьеёопластиной, на которой размещены пьезорезонаторы, пьезопластина снабжена прорезью, ось которой совпадает с осью симметрии, проходящей вдол межрезонаторнрго участка, и жестко закреплена по-сторонам, параллельным указанной оси и по точкам двух других сторон, лежащих на той же оси, а толкатель размещен в прорези пьезопластины и выполнен с двумя противополо;{;ными направленными плечами, контактирующими соответственно с йерхней и нижней поверхностями пьезопластины, причем толщина пьезопластины удовлетворяет следующему соотношению .2, где 5 - расстояние одной из контактирующих поверхностей тол-: кателя до мембраны; S - расстояние другой из контактирующих поверхностей толкателя до мембраны, На фиг. 1 изображен датчик давления, общий вид; на фиг. 2 - разрез A-S на фиг. I, Пьезопластина 1, йа которой раз- i мещены пьезорезонаторы 2 и 3, снабжена прорезью 4, ось которой совпадает с осью 5 симметрии, проходящей вдоль межрезонаторного участка пьезопластины 1 Пьезопластина 1 жестко закреплена на корпусе 6 по сторонам 7, 8 и по точкам 9 и 10 двух других сторон, Б прорези А размещен толкатель П, связанный с мембраной 12, Толкатель I1 снабжен двумя противоположно направленными плечами 13 и 14. Расстояние между верхней частью плеча 13 и нижней частью плеча 14 меньше толщины пьезопластины 1, Толкатель 1 закреплен в пьезопластине 1. Так как разность между расстояниями контактирующих сторон плеч толкателя до мембраны -S меньше толщины сГ пьезопластины 1, то левая и правйя части пьезопластины смещены так, что оси пьезорезо- наторов 2 и 3 с осью пьезопластины образуют уголо, т.е., при помощи толкателя 11 обеспечено предварительно напряженное состояние пьезорезонаторов 2 и 3 (оба пьезорезонатора находятся в растянутом состоянии). Пьезорезонаторы 2 и 3 включены в электрическую схему измерения (не показано) , Датчик давления работает следующим образом.. Усилие f от действуклдего давления через мембрану 12 передается толкателю 11. Так -как оба пьезорезонатора 2 и 3 находятся в предварительно растянутом состоянии (пьезорезонатор 2 изогнут вверх, а пьезорезонатор 3 - вниз), то при воздействии усилия на толкатель 11 происходит дальнейший изгиб пьезорезонатора 3 вниз, т.е. растягивающее усилие на пьеэорезоиаторе 3 увеличивается на величину -Т--Г, а предварительная . э1П л деформация пьезорезонатора 2 уменьшается, т.е. растягивающее усилие на пьезорезоиаторе 2 уменьшается на величину При этом собственная Sinp . частота колебании пьезорезонатора 3 увеличивается на величину . а собственная частота колебанш пьезорезонатора 2 уменьшается на величину Af2 где К - коэффициент силовой чувствительности пьезорезонаторов. Электрический сигнал, получаемый на выходе измерительной .схемы (где подключены пьезорезонаторы 2 и 3), пропорциоиален сумме изменений частот собственных колебаннй пьезорезонаторов, Сзгммарное изменение частот пьезорезонаторов составляет. Af 2 Чувствительность датчика можно определить из выражения к - f - 2К .,v Кд--|гiTF sr Снабжение пьезопластины прорезью и размещение в ней толкателя, выполненного с двумя противоположно направленными плечами, контактирующими соответственно с верхней и нижней по верхностями пьезопластины, обеспечивает предварительно напряженное состояние пьезорезонаторов, т.е. дифференциальность измерения, что повышает линейность и точность датчика. Подбором угла оС(т.е. степень предва рительного напряженного состояния пьезорезонаторов) можно получить тре буемую чувствительность датчика. Чувствительность известного датчика К , определяется из выражения , (2) где Е и С-2 длины плеч толкателя. Из выражений (1) и (2) видно, что чувствительность дйтчика превосходит коэффициент силовой чувствительности пьезорезонаторов в раз, причем cf- может быть сколь угодно малым (порядка долей градуса), чувствительность же известного датчика превосходит силовую чувствительность пьезорезонаторов в Kj7 2pa3. Следовательно, для значительного увеличения чувствительности известно го датчика необходимо значительное увеличение размеров плеч толкателя, что приводит, как указывалось выше, к ухудшению частотных свойств и уменьшению разрешающей способности и точности датчика. Размеры толкателя в предлагаемом датчике можно уменьшить независимо от размеров пьезопластины, в результате чего йовысятся частотные свойства датчика. Л непосредственная передача усилия к пьезорезрнаторам без дополнительных деформирующихся элементов упрощает конструкцию датчика, дополнительно повышает его час тотные свойства и расширяет порог чувствительности. Закрепление пьезопластины по сторонам, параллельным оси прорези, и по точкам двух других сторон, лежащих на той же оси, исключает изгиб пьезопластины и связанные с ним колебания, что повышает прочностные и частотные характеристики датчика.

-/J

13

U8.2

Ю

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус, в .котором закреплена мембрана, связанная через толкатель с пьезопластиной, на которой размещены пьезорезонаторы, о т л .и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения конст- рукции пьезопластина снабжена прорезью, ось которой совпадает с осью симметрии, проходящей вдоль межрезо-. наторного участка, и жестко закреплена по сторонам, параллельшлм указанной оси и по точкам двух других сторон, лежап1им по той же оси, а толкатель размещен в прорези пьезопластины и выполнен с двумя противоположно направленш 1ми плечами, контактирующими соответственно с верхней и нижней поверхностя1«1 пьезопластины, причем толщина пьезопластины удовлетворяет следующему соотношению (, где S;, - расстояние одной из контактирующих поверхностей толка(Л теля до мембраны; Зл расстояние другой из конс тактирукндих поверхностей толкателя до мембраны. ел Сдд СО СП