Пьезорезонансный датчик давления Советский патент 1987 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения абсолютных и относительных давлений в замкнуты:-: объемах.

Цель изобретения - уменьшение по- погрешности измерен -Ея за счет устранения наразитных ст налов.

На фиг.1 изображен дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент АТ-сре- за, разрез; на фиг.2. - дисковый плос ковьшуклый кварцевьй элемент АТ-сре- со стороны выпуклой поверхности; на фиг.З - распределение амплитуд основного f и паразитных и f,,j- резонансов по оси плосковыпуклого кварцевого элемента АТ- среза; на фиг.4 - 6 затемненными областями представлено распределение модулей основного f и паразитных f.j, и резонансов по плоской поверхности дискового плосковыпуклого элемента AT-среза на уровне больпш 0,2 от максимального смещения соответственно; на фиг.7 - эквивалентная схема возбуждения дискового плосковыпуклого кварцевого элемента АТ-среза плоским электродом через зазор между электродом и плоской поверхностью кварцевого элемента; на фиг.8 - предлагаемый пьезорезонанс- ный датчик давления со снятой мембраной, вид сверху; на фиг.9 - II - варианты выполнения пьезорезонансного датчика давления с упругой плоской мембраной с осевым цилиндрическим выступом (фиг.9) и упругими гофрированными мембранами с осевым цилиндрическим выступом и разлргчным шагом гофрировки (фиг. 10 и П)); на фиг. 12 - 14 - расчетные изменения амплитуд паразитных резонансов и f для различных вариантов выполнения датчиков.

Пьезорезонансный датчик давления состоит на корпуса 1, дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2 АТ-среза, с напыленным в центре выпуклой поверхности электродом 3 с то ковыводом, упругой мембраной 4, имеющей осевой цилиндрический выступ 5, гермовводов 6, центрирующего кольца 7, генератора 8 в микроэлектронном исполнении и соединительных проводов 9.

Дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент 2 АТ-среза размещен в корпусе 1 так, что его поверхность параллельна и утоплена относительно плоскости стыковки мембраны 4 и корпуса 1 на расстоянии Р , которое определяется диаметром осевого цилиндрического выступа 5, электрической схемой генератора 8 и дисковым плосковыпуклым кварцевым элементом 2 АТ-среза. Кроме того , корпус 1 предназначен для установки в нем гермовводов 6, генератора 8, центрирующего кольца 7 и герметизации внутреннего объема, Гермо- вводы 6 и соединительные провода 9 обеспечивают подачу напряжения питания, вьшод сигналов, соединение генератора 8 с круглым электродом 3 и корпусом 1. Генератор 8 обеспечивает возбуждение дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2 АТсреза через электрод 3 и второй электрод, - упругая мембрана 4 с осевым цилиндрическим выступом 5. Центрирующее кольцо 7 служит для обеспечения соосности упругой мембраны 4 и дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2 АТ-среза. Упругая мембрана 4 в зависимости от требований линейности, размеров датчика и диапазона измеряемых давлений может быть выполнена плоской с осевым цилиндрическим выступом ( фиг.9) или гофрированной с осевым цилиндрическим выступом и различным шагом гофрировки (фиг.10 и 11).

Пьезорезонансньш датчик давления работает следующим образом.

Упругая мембрана в зависимости от давления внешней среды прогибается в сторону дискового плосковыпуклого

кварцевого элемента 2 АТ-среза, что приводит к изменению емкости между осевым цилиндрическим выступом 5 мембраны 4 и плоской поверхностью дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2 АТ-среза, т.е. изменяется емкость С21 в эквивалентной схеме на фиг.7. Это приводит к изменению резонансной частоты основного колебания.

Емкость между упругой мембраной 4 и дисковым плосковыпуклым кварцевым элементом 2 АТ-среза (емкости С и С на фиг.7 также увеличивается, но в значительно меньшей мере. Это

З меньшает неравномерность амплитудно- частотной характеристики пьезорезонансного датчика давления вне области основного резонанса во всем диапазоне измеряемых давлений при любых

температурах, что повьшает устойчивость предлагаемого пьезорезонансно- го датчика давления к невозбуждению на паразитных колебаниях.

Активность колебания резонаторов RS Р. Чем меньше это сопротивление тем больше амплитуда колебания. Увеличение ES Р для паразитных резонан- сов приводит к уменьшению амплитуды их колебаний вне области основного резонанса.

Е S Р где R. /

I + CO(CH)

2

динамическое сопротивление кварцевого резонатора; Ср - статическая емкость кварцевого резонатора; Сц - емкость зазора в датчике. Изменение емкости С н для основного резонанса (емкость Cj на фиг.7 обычно выбирают в пределах обеспечи - вающих возбуждение дискового плосковыпуклого кварцевого элемента AT-среза генератором. Минимальное значение С 21 равно 1 - 2 пФ, а максимальное - 50 - 100 пФ. Емкость С 3+10 пФ.

Для гарантированного снижения активности паразитных резонансов во всем диапазоне изменения С и любых Сд на 10% достаточно, чтобы 1„ Ъ для плоской упругой мембраны; F - 1 ,6 В и Е 1,Е. для гофрированных мембран (на фиг.10 и 11 ). Для гарантированного снижения на 95% достаточно , чтобы Ej 100 Е .

На фиг.12 - 14 представлено распределение амплитуд колебаний поверхности дискового плосковыпуклого кварцевого элемента АТ-среза по оси (1-. f-ji, и f ) для датчиков,

представленньк на фиг.9 - II соответственно. Уменьшение амплитуд обусловлено уменьшением емкостных связей мембраны 4 с областями возбуждения паразитных ангармонических колебаний т.е. паразитные ангармонические колебания подавлены по сравнению с плоской мембраной над поверхностью кварцевого элемента.

Выполнение генератора в микроэлектронном исполнении обусловлено необходимостью сохранения постоянства емкостных связей входов генератора с корпусом датчика, что при раздельном исполнении датчика и генератора затруднено .

0

5

0

5

0

5

0

Предлагаемый датчик(по сравнению с известными) уменьшает неравномерность АЧХ (за счет подавления паразитных резонансов J, имеет более высокую надежность и более низкие требования к стабильности генератора.

Формула изобрете-ния

Пьезорезонансный датчик давления, содержащий корпус с мембраной и дисковый плосковыпуклый кварцевый элемент АТ-среза, обращенный плоской поверхностью к плоскости мембраны и снабженный электродом на выпуклой поверхности, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения за счет устранения паразитных сигналов, в нем мембрана выполнена из электропроводного материала с жестким центром плоской или гофрированной, при этом плоский торец жесткого центра мембраны образует зазор с плоской поверхностью кварцевого эле мента, определенный из условия 100 Е-( 7 2. 1 f К « а его диаметр определен из условия для плоской мембраны 0,85 К d 2,25 К, для гофрированной мембраны d 2. К. и совпадает с диаметром первой от центра мембраны окружности, образованной вершиной гофра, обращенной к кварцевому элементу, а диаметры последующих вершин гофров d и dj, обращенных к кварцевому элементу, и противоположные им вершины гофров мембраны с диаметрами d 4 и d удовлетворяют соотношению

dj : dj: d 2,1 К,:(К +

0

+ 1,12 К,)

2К

2,6К

2

5

где 1 - расстояние между плоскостями торца жесткого центра и кварцевого элемента; расстояние от плоскости кварцевого элемента до вершин гофров, обращенных в его сторону

0,24е - (Ксф /h,)+0,1 34

К 10

К 10

,218 (R,/hJ+0,OI6j

где и - радиус сферы и толщина в центре дискового плосковьшуклого кварцевого элемента соответственно .

ФигЛ

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет уменьшить погрешность измерения за счет устранения паразитных сигналов, На корпусе 1 размещена мембрана 4 из электропроводного материала с жестким центром 5, выполняемая плоской или гофрированной с различным шагом гофрировки. Под действием давления внешней среды мембрана 4 прогибается в сторону дискового плосковыпуклого кварцевого элемента 2, что приводит к изменению резонансной частоты колебаний. Зазор между плоским торцом центра мембраны 5 и элементом 2 определяется из условия 100 В Р 1 ,4 Е , где Е - расстояние между плоскостями торца жесткого центра и кварцевого элемента; 1 расстояние от плоскости кварцевого элемента до вершин гофров, обращенных в его сторону. В датчике центрирующее кольцо 7 обеспечивает соосность мембраны 4 и элемента 2. 14 шт. (Л со to а 00 ю Фиг. 9

U(ry)

IfS

-1,0 -0, -0,2 0 0,2 0, 0,6 0,8 1,0 2г/s

Фиё.З

Фиг. 7

ф4/а. 11

-у -аа -g.f -а -дг //. ..f . и /,g.

I,

Е: ч

| N

гг/

. ..f . и /,g.

| N;

-/О -0,8 -D,B -D,f -0,20,2 0, 0,S 0,8 lp 2r/J)

ff3

f,0 -0,8-0,6 -0,t -0,2 da .y °.S Ifl p. 2л/2

y - L

-i J -Составитель Н.Богданова Редактор А.Ревин Техред А. Кравчук Корректор А.Тяско

Заказ 3272/36 Тираж 776Подписное

ВНИЖИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий II 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул. Проектная, 4

55i/«. /