Датчик давления Советский патент 1985 года по МПК G01L11/00 G01L11/04 

Изобретение относится к устройс вам контроля давления газообразных и жидких сред с преобразователями поверхностных акустических волн (ПАВ) и может быть использовано, в частности, для контроля величины разрежения во впускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания (ДВС Целью изобретения я яется повышение точности измерения. На фиг. 1 схематически представлен мембранный чувствительный элеме (ЧЭ) предлагаемого датчика, включенный в электрическую цепь; на фиг. 2 - датчик с закрепленным в корпусе ЧЭ; на фиг. 3 - график, поясняющий работу датчика. Датчик (фиг. 1) содержит мембран ньШ ЧЭ 1 колпачкового типа (кварц У-, или ST-среза, Si и т.д.) с выполненным в нем, например, методом химического травления глухим отверс тием для образования непосредственно мембраны 2. На внешней поверхности мембра.ны сформированы измерительные 3 и компенсационные 4 встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн (ПАВ). Структуры на ПАВ представляю собой линию задержки (ЛЗ) на ПАВ или ПДВ-резонаторы. По внешнему периметру мембраны 2 (обозначен пунктирной, линией 5 на фиг, 1) вьтолнен концентричный паз 6, имеющий кольцеобразную форму. Кольцеобразный паз в ЧЭ 1 выполнен как со стороны размещения структур на ПАВ 3 и 4, так и со стороны, противоположной поверхности размещения структур на ПАВ. Путем включения ПАВ-структур 3 и 4 в цепь обратной связи соответствующих усилителей 7 и 8 образованы ПАВ-генераторы, . выходы которых подключены к входу смесителя 9, нагруженного на фильтр нижних частот (ФНЧ) 10. Мембранный ЧЭ 1 с помощью связующего вещества 11 закреплен в корпусе 12 Гфиг, 2), имеющем патрубок 13 для подвода давления. Кольцеобразный паз 6 в мембранном ЧЭ 1 всегда размещается в области между внешним периметром 5 мембраны 2 и зоной соединения корпуса 12 с ЧЭ 1. Паз 6 заполнен вибропоглотителем 14, например, резиной (фиг. 2). При измерении давления (разрежения), например, во впускном трубо проводе ДВС патрубок 13 соединяется со впускным трубопроводом с давлением Р). Изменение Р приводит к деформации мембраны 2 и изменению частот генерации fj и f генераторов на соответствующих ПАВ-структурах 3 и 4 в противоположных направлениях вследствие противоположного характера деформаций в центре и на периферии мембраны 2. В результате смешения частот в смесителе 9 получается разностная частота , вьщеляемая ФНЧ 10 и пропорциональная измеряемому давлению Р. Положительный эффект, достигаемый за счет использования предлагаемого решения, можно пояснить следующим образом. В результате различия температурного коэффициента расширения (ТКР) материала ЧЭ 1, связующего вещества 11 и корпуса датчика 12 в материале ЧЭ 1, прилегаю- , щем к области соединения, возникают механические напряжения 6 . При толщине J мембраны 2, удовлетворяющей условию , где b - тол- : щина утолщенной периферийной мембранного ЧЭ 1, что обычно всегда выполняется на практике, на краях мембраны 2 по ее периметру 5 происходит Концентрация термоупругих напряжений. Для обычного ЧЭ 1 без канавок максимальная величина напряжений J,+ d2. Напряжение растяжения d;, составляет S-T изгибное напряжение OjМ / 4, -- 4 .db s-Jr f S+d S-d « Т lETsTd- Здесь d - диаметр мембраны 2, М изгибающий момент в поперечном сечении ЧЭ 1, S - расстояние мелдаУ областями соединения на противоположных стороных ЧЭ (фиг. 2). При обычных для датчиков давления величинах S/d-2-З соответствующее,,,, , вычисленное на основании формул (1) и (2), достигает величин (макс -(6,3-3,8)„, Действие таких больших напряжений приводит к значительньм деформациям мембраны 2 при изменении температу3ры, что резко снижает точность измерения да-лвния Р. Для предлагаемого датчика с выполненным в ЧЭ 1 пазом 6 общей глубиной h/h hj+hj при наличии пазов с обеих сторон ЧЭ 1 (фиг. J и при учете лишь одного перехода (утолщения ) паз - внутренняя область ЧЭ ji величина 0 составляет (b-h)/2N, (3 а величина d равна (()/N-pd, , (4) N-Cb-h) CS-d)/2+ah; ot %5 х 1 у.1 S+d - 2(b-h) (b-h) (Sah+0,5(b-h)(S-d) 2ah/d+(b-h). fn S/d При тех же значениях и расстоянии паза от мембраны ,3 соответствующие значения максимальных напряжений djHaКС о 2, т.е. снижаются в ,4-1,5 раза при выполнении паза глубиной ,25. При увеличении расстояния от паза 6 мембраны 2 до ,6 величина макс мального напряжения снижается до « ynaicc 2,3do (при ) т.е. в 1,7 раза.. Термоупругие деформации мембраны 2при наличии паза 6 еще более сниж toTca при учете перехода внешняя область ЧЭ 1 - паз 6 и того, что уточ нение ЧЭ 1 в области паза 6, лмеющее возможность работать и на изгиб служит концентратором механических напряжений и тем самым дополнительн снижает область влияния термоупругих напряжений соединения ЧЭ 1 - ко пус 12. Общий коэффициент снижения термонапряжений К равен отношению напряжений в датчике с пазом к напряжениям в датчике без паза Зависимости коэффициента К от относительной глубины паза Ъ h/b при различных значениях a/d и S/d приведены на фиг, 3. Минимальная глубина паза 6 выби рается из условия уменьшения величи ны термоупругих напряжений в мембра не 2 не менее чем на 50%, что на основании формул (1)-(4) дает г.. d Ь .ld. ah 654 Необходимая глубина h паза 6 определяется из условия получения заданного ослабления величины термоупругих напряжений, причем их величина во всех случаях уменьшается С ростом h (фиг. 3). Максимальная глубина паза 6 ограничивается условием отсутствия деформации утоненной части ЧЭ 1 в месте выполнения паза 6 при воздействии измеряемого давления Р, что достигается выбором толщины зтой утоненной области ЧЭ не менее двух толщин С мембраны 2, откуда имеем h b-2c С увеличением расстояния О.от паза 6 до мембраны 2 уменьшаются термоупругие деформации мембраны (фиг. 3} либо заданная степень их ослабления достигается при меньшей глубине h паза. Максимальная величина d ограничивается заданными размерами ЧЭ 1 датчика. Ширина паза и форма его в поперечном сечении не оказьшают существенного воздействия на степень термокомпенсации и определяется технологическим процессом его получения (химическое или иной вид травления, формирование с помощью лазерного излучения и т.д.). Размещение вибропоглотителя 14 в пазах 6 (фиг. 2) позволяет наиболее эффективно поглотить ПАВ за пределами ПАВ-структур 3 и 4, полностью устранить возникновение отраженных . от деталей датчика паразитных ПАВ и тем самым повысить точность измерения за счет снижения влияния вторичных эффектов. В качестве акустопоглотителя из вязких материалов могут использоваться каучук, резина, составы на основе эпоксидной смолы и т.д. Кроме того, размещение в пазах 6 вибропоглотителя 14 позволяет произвести эффективное демпфирование внутренней, ограниченной пазами 6, области ЧЭ I, что снижает влияние на точность измерения механических нагрузок на корпус 12 датчика, таких как вибрации,удары и т.д. В результате предлагаемое решение позволяет повысить точность измерения за счет резкого уменьшения термоупругих деформаций мембраны, подавления паразитных отраженных ПАВ, а также уменьшения влияния вибраций и ударов на точность измерения.

tfft/s.Z

ДАТЧЖ ДАВЛЕНИЯ, содержащий закрепленную в корпусе монокристаллическую колпачковую мембрану с утолщенной периферийной частью и измерительные и компенсационные .встречноштыревые преобразователи поверхностных акустических волн, размещенные на внешней поверхности мембраны. отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения, на каждой стороне утолщенной пери- .ферийной части мембраны выполнен кольцевой концентричнь1й паз, заполненный вибропоглотителем, при этом глубина h паза удовлетворяет следующему соотношению: O.rd-b , , НТо ТТ- Ь-Зс, где а - расстояние от края паза до мембраны} b - толщина утолщенной периS ферийной части мембраны; (Л с - толщина мембраны; d - диаметр мембраны. f,(PJ г(Р.т} Л(Р.7)