Датчик давления Советский патент 1985 года по МПК G01L11/00 G01L7/08 

1 Изобретение относятся к техннике измерения давления жидких и газообразных сред в широком температурном диапазоне, в частности к датчикам давления, и может быть использовано как составная часть многоканальной информационно-измерительной системы с частотной формой о.брабатываемых сигналов. Датчик осуществляет непосредственное преобразование давления в частотный выходной сигнал. Известен датчик давления, состоя щий из пьезоэлектрической мембраны, на которой нанесены встречно-штыревые преобразователи поверхностноагсустических волн (ПАВ), образующих две линии задержки. Мембранный тензопреобразователь установлен в корпусе L 1 . Однако из-за различия коэффициен тов линейного расширения мембраны и корпуса, жестко связанного с мембра ной, происходит значительный дрейф j начальной частоты ПАВ-генератора, который трудно рассчитать и полностью скомпенсировать. Наиболее близким к изобретению п технической сущности является датчи разности давлений, содержащий две . параллельно установленные в корпусе пьезокристаллические мембраны, на внутренних поверхностях которых размещены преобразователи ПАВ 2. Недостатки этого датчика - температурная зависимость резонансной частоты ПАВ-резонаторов и невысокая чувствительность датчика давления. Цель изобретения - увеличение чувствительности в широком диапазоне температур. Цель достигается тем, что в датчик давления, содержащий две мем браны, выполненные из пьезокристалл одинакового среза, при этом на мембранах сформированы встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн и измерительный прибор, введены первый и второй сме сители частоты и сумматор частоты, а мембраны ориентированы так, что и кристаллографические оси параллельны и жестко закреплены на торцах цилиндрического кольца, выполненног из такого же и так же ориентированн го пьезокристалла, в котором дпя креплейия и подачи давления выполнено отверстие, ось которого ориентирована относительно кристаплогра52фических осей мембран и кольца в направлении минимальной тензочувствительности, а на внешних плоскостях каждой из мембран сформированы по два встречно-штыревых преобразователя поверхностно-акустических волн, причем преобразователи на первой мембране ориентированы в направлении максимальной положительной тензочувствительности, а на второй - в направлений максимальной отрицательной тензочувствительности, каждая пара преобразователей расположена на мембране так, что один находится в центре мембраны, а другой на ее периферии, преобразователи первой мембраны подключены к первому смесителю частот, преобразователи второй мембраны - ко второму, выходы обоих смесителей подключены к входам сумматора частот, выход которого подсоединен к измерительному прибору. На фиг. 1 представлен разрез датчика давления плоскостью перпендикулярной поверхности мембран, (разрез Г-Г на фиг. 2); на фиг. 2 - разрез датчика плоскостью, параллельной поверхности мембран, (разрез А-А на фиг. 1); на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид В на фиг. 1; на фиг. 5 - взаимное положение кристаллографических осей мембран и кольца; на фиг. 6 - структурная схема датчика. Датчик давления состоит из мембранной коробки, образованной плоскими пьезоэлектрическими мембранами 1 и 2, жестко связанными с промежуточным кольцом 3. Ориентация основных плоскостей мембран и кольца относительно кристаллофизических осей кристалла одинакова и выбрана таким . образом, чтобы тензочувствительность фазовой скорости ПАВ хотя бы к одной компоненте механических деформаций в поверхностном слое мембраны принимала в зависимости от направления распространения ПАВ как положительные, так И отрицательные значения, например плоскость XOZпьезокварца YJf 1/-45-среза. Соединение мембран и кольца осуществляется, например, методом спекания в вакууме легкоплавким стеклом.. В стенке кольца по радиусу в направлении минимальной тензочувствительности выполнено отверстие, в которое установлена тонкостенная трубка 4, предназначенная для подачи да ления среды в полость мембранной ко робки и механического крепления коробки в основании 5 корпуса. Температурный коэффициент расширения материала трубки и кольца близки по значению. При заметном их расхожде.нии используется промежуточное элас тичное связующее вещество. В целях дополнительного снижения влияния основания корпуса на тепловую дефор мацию мембран толщина стенок трубки 4 и ее внешний диаметр выбраны минимально допустимыми из соображений предела прочности и значительно ен шими, чем высота кольца 3. Дпина свободного участка трубки 4 превышает ее внешний диаметр. На внешней поверхности мембраны 1 сформирована топологическая струк тура из основного 6 и опорного 7 ПАВ-резонаторов, ориентированных в направлении максимальной отрицатель ной тензочувствительности фазовой скорости ПАВ к суммарному воздействию продольных, поперечных и вертикальных деформаций, например вдол оси X. Резонатор 6 расположен в центре, его размеры выбираются исходя из условия максимального отрицательного изменения частотты при нагружении мембраны избыточным давлением. Резонатор 7 смещен параллельно основному к периферии мембра ны на некоторое расстояние, при котором происходит противоположное по знаку -изменение частоты относительн изменения частоты резонатора.6. На внещней поверхности мембраны 2 размещена топологическая структура состоящая из дополнительного 8 и вспомогательного 9 ПАВ-резонаторов, ориентированных в направлении мак.симальной положительной тензочув-. ствительности фазовой скорости ПАВ к суммарному воздействию продольных поперечных и вертикальных относитель но вектора скорости волны компонент деформации. Резонатор 8 расположен в центре мембраны, его размеры выбраны исходя из условия максимального положительного изменения частоты при нагружении избыточным давлением Резонатор 9 смещен к периферии мембраны на некоторое расстояние, при котором происходит изменение его резонансной частоты в противоположну сторону относительно изменения частоты резонатора 8. Дпя защиты электродов резонаторов 6-9 от повреждения, воздействия влаги и изменений присоединенной массы воздушной среды мембранная коробка герметизируется в объеме с помощью кожуха 10. Дпя электрического соединения резонаторов с внешйими цепями предусмотрены контактные площадки 11-13 и 14-16 на поверхности мембран 1 и 2. В асновании корпуса установлены гермовводы 17-19 и 20-22 дня злектрической коммутации с контактш 1ми площадками резонаторов. Сигнальные гермоввода 17, 19 и 20, 22 изолиро|ваны от корпуса. В основании 5 креплен патрубок 23 для подключения измеряемого давления. Устройство работает следующим образом. При воздействии давления измеряемой среды в поверхностном слое жесткозащемленных мембран 1 и 2 возникают механические деформации. Тензочувствительность частоты ПАВрезонатора имеет две составляющие геометрическую, т.е. изменение длины резонансной полости, и акустическую, т.е. изменение скорости ПАВ. Тензочувствительность скорости ПАВ к.отдельным компонентам деформации можно изменять в широких пределах и по знаку и по величине, выбирая срез и направление распространения, волны. Для мембран одинакового среза, например YXL/-45-среза пьезокварца, изменение скорости ПАВ от деформации можеа быть противоположно по знаку, если направление распространения ПАВ (ориентация электродов ПАВ-резонатора) на первой мембране выбрано под некоторым углом, например 45°, относительно направления распространения ПАВ на второй мембране, например вдоль оси ОХ. Таким образом, частота резонатора 6 при воздействии давления принимает значение f -Д , а резонатора 7 значение при воздействии разных по знаку и величине деформаций в центре мембраны и на периферии. Разностная частота резонаторов 6 и Л,Л, +uf.. Аналогично для резонаторов второй мембраны при воздействии давления частота резонатора 8.равна , а резонатора 9 равна j-4f4 Разность частот резонаторов 8 и 9 принимает значение Д 3 -il f Э + При дифференциально мост эвом включении резонаторов как показано на фиг. 6, осуществляет ся вычитание частот резонаторов 6,7 и 8,9 соответственно и сложение разностных частот .&f, В результате разностно-суммарной обработки выходной сигнал датчика, фиксируемый измерительным прибором 24,выражается формулой - . Деформация поверхностного слоя мембраны из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения мембран и кольца минимальна, так как мембраны и кольцо выполнены из материала одинакового среза и теп ловая деформация связана лишь с влиянием тонкого связующего слоя легкоплавного стекла. Однако и эта величина компенсируется при дифференциальном включении пары ПАВ-резонаторов. Влияние основания 5 корпуса компенсируется путем ориентации отверстия в стенке кольца 3 в направлении минимальной тензочуветвительности, например под углом 30° к оси Ох пьезокварца УХ1/-45°-среза, Технико-экономическая эффективность данного датчика давления состоит в повышении чувствительности и уменьшении температурной погрешности в широком температурном интервале.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий две мембраны, выполненные из . пьезокристалла одинакового среза, при этом на мембранах сформированы встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн и измерительный прибор, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности в широком диапазоне температур, в него дополнительно введены первый и второй смесители частоты и сумматор частоты, а мембраны ориентированы так, что их кристаллографические оси параллельны и жестко закреплены на торцах цилиндрического кольца, выполненного из такого же и так же ориентированного пьезокристалла, в котором для крепления и подачи давления выполнено отверстие, ось которого ориентирована относительно кристаллографических осей мембран и кольца в направлении минимальной тензочувствительности, а на внешних плоскостях каждой из мембран сформированы по два встречно-штыревых преобразователя поверхностно-акустических волн, причем преобразователи на первой мембране ориентированы . в направлении максимальной положительной тензочувствительности, а на второй - в направлении максималь ной отрицательной тензочувствительности, каждая пара преобразователей расположена на мембране так, что один находится в центре мембраны, а другой на ее периферии, преобразователи первой мембраны подключены к первому смесителю частот, преобразователи второй мембраны -.ко второму, О) 4 выходы обоих,смесителей подключены к входам сумматора частот, выход jcoсд торого подсоединен к измерительному 0д прибору. СП

г(ptJ8,f г

Sud5

(7(/г. J

ВидВ

/r-oi

(put. 4