Датчик давления Советский патент 1988 года по МПК G01L11/00 G01L1/16 G01L9/08 

со оо

4 СО

00

со

11384983

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля давления газообразных и жидких сред о

Целью изобретения является повышение точности измерения давления. На фиг с 1 изображен датчик давления, разрез; на фиг о 2 - разрез А-А

на фиг. 1; на фиГо 3 - дифференци-

ально-частотная схема измерения.

Датчик Содержит чувствительный элемент 1, вьшолненный в ,виде монокристаллической колпачковой мембраны с утолщенной периферийной частью, которая посредством штока 2 соединена с пьезоэлектрическим диском 3, расположенным внутри глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической

вниз на переходном диске 6 корпуса 7 датчика., Шток 2 является связующим звеном между пьезоэлектрическим диском 3 и чувствительным элементом датчика. Неподвижность крепления пластины 5 обеспечивают держатели 8. На монокристаллической колпачковой мембране 1 выполнена линия задержки (ЛЗ-1), состоящая из пары встречно- штыревых преобразователей (ВШП) ПАВ 9, а на пьезоэлектрической пластине 5 линия задержки (ЛЗ-2), состоящая из другой пары ВЫЛ ПАВ 10 и периодических отражательных решеток 11„ Отверстие 12 выполнено в корпусе 7 датчика с целью обеспечения вывода проводников к вторичной аппаратуре.

Датчик работает следующим обра

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения давления. Чувствительный элемент 1 выпол- нен в виде мембраны с утолщенной периферийной частью, которая посредством штока 2 соединена с диском 3, расположенным внутри глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5 о Диаметр глухого торцового отверстия 4 по оси симметрии пьезоэлектрической пластины 5 превышает ее толщину За счет использования конструкций мембраны и пьезоэлектрической пластины 5, нежесткой связи между ними, изменения топологии периодических отражательных решеток, использования различных срезов пьезоэлектрических материалов, обладающих высокими коэффициентами термостабилизации, дифференциального включения линий задержек в датчике возможна регистрация меньшего приращения входной величины, что приводит к уменьшению зоны нечувствительности при измерении давления. 3 ил. S (Л

пластины 5. Глухое торцовое отверстие 20 зом.

4 вьшолнено по оси симметрии пластины 5 диаметром, превышающим толщину пластины 5„ Это условие является обязательным для работы предлагаемого датчика. В то же время диаметр нельзя увеличивать бесконечно, поскольку при этом поверхностная акустическая волна (ПАВ), проходящая по пьезоэлектрическому диску 3, диаметр которого равен диаметру отверстия, может иметь искажения о Для исключения погрещностей, связанных с распространением ПАВ по диску 3, допустимым является превышение диаметра по сравнению с толщиной пластины 5 в пределах 10%о Пьезоэлектрический диск 3 имеет толщину не более 1,5 мм и диаметр отверстия пластиныо Он расположен так, что может перемещаться вдоль отверстия 4 о Работоспособность датчика определяется контактом между пластиной и пьезоэлектрическим диском в направлении распространения ПАВ, а указанные погрешности объясняются силой трения (коэффициентом трения). Нагрузка на чувствительный элемент определяется приложенным усилием, направленным противоположно силе, создаваемой в чувствительном элементе измеряемым давлением. Следовательно, в данном случае повьш1ение точноети измерения давления происходит только за счет наличия акустического контактао Поэтому осуществить требуемую точность можно путем выбора соответствующего диска, имеющего контакт с пластиной, но не обладающего большими усилиями этого контакта Пластина 5 закреплена отверстием

5

0

5

л

5

При отсутствии измеряемого давления (фиг. 1) пьезоэлектрический диск 3 находится в глухом торцовом отверстии 4 пьезоэлектрической пластины 5. в определенном положении (например, соответствующем атмосферному давлению). Диск 3 соединен с чувствительным элементом (ЧЭ) датчика, выполненным в виде монокристаллической колпачковой м ембраны 1, посредством штока 2, а пластина 5 закреплена отверстием вниз на переходном диске 6 корпуса 7 датчика с помощью держателей 8. При подаче напряжения питания через выводные контакты, расположенные в отверстии 12, на входные ВШП9 и 10 оно преобразуется в частоту f. ПАВ, проходящая по монокристаллической колпачковой мембране 1, не изменяя своей траектории, доходит до выходного ВШП 9, обеспечивая устойчивую генерацию сигнала на частоте f. Другая же ПАВ, распространяясь по поверхности пластины 5, достигает периодических отражательных решеток 11. В том месте дисперсионной структуры, где расстояние между соседними периодическими отражательными решетками достигает интервала в половину длины волны, происходит отражение ПАВ, которая пройдя через пьезоэлектрический диск 3, достигает аналогичной области периодических отражательных решеток 11. Здесь волна отражается от решеток и изменяет свою траекторию по направлению к выходному ВШП 10..

Таким образом, обеспечивается генерация сигнала частотой f в ЛЗ-2.

Причем начальное значение f, -г

о

где V - скорость распространения ПАВ; (,- пространственный шаг перио- дических отражательных решеток, выбирается исходя из величины „ , находящейся на линии, проходящей через пьезоэлектрический диск 3 и периодические отражательные решетки 11, Эта линия соответствует направлению акустического луча ПАВ,

Возникновение генерации автогене ратора на другой частоте невозможно, поскольку акустический луч, отражен- ных ПАВ, сместился бы относительно диска 3 и ПАВ переиша бы на другую сторону пластины 5, не достигнув выходного ВШП, Начальная частота f автогенератора, образованного усили- телем 13 (фиг, 3) и ВШП, расположенными на звукопроводе 14 ЧЭ, выбирается равной частоте другого автогенератора, образованного усилителем 15, ВШП и периодическими отражательньп ш решетками, расположенными на звукопроводе 16 пьезоэлектрической пластины. При этом используется дифференциально-частотная схема включения обеих ЛЗ, в которой производится сравнение (вычитание) выходных сигналов двух ПАВ генератороа ЛЗ-1 и ЛЗ-2 в смесителе 17 и вьщеление сигнала разностной частоты с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ) 18 на рб гистрирующем устройстве 19,

При подаче измеряемого давления к датчику происходит деформация ЧЭ, что в свою очередь приводит к перемещению пьезоэлектрического диска 3 (фиг, 1) вдоль оси глухого торцового отверстия 4 пластины 5, что соответствует смещению акустического тракта для распространения ПАВ, При этом оба автогенератора изменяют свою частоту колебаний, В первом автогенераторе, образованном усилителе 13 и БШП, расположенными на звукопроводе 14 ЧЭ, частота уменьшается. Это обусловлено деформацией звукопровода 14, Во втором автогенераторе устанавливаются колебания с частотой, соответствующей пространственному шагу периодических отражательных решеток 11 (фиг, 1) по линии, перпендикулярной оси глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5 и проходящей через диск 3, Изменение пространственного

шага периодических отражательных решеток 11 задается их топологией таким образом, что при помещении диска 3 ,о уменьшается о. Следовательно, частота автогенератора увеличиваетс На смесителе 17 (фиг А) вьщеляется разность частот обоих автогенераторов f, которая, пройдя через ФНЧ 18, фиксируется на регистрирующем устройстве 19,

Возможны и другие примеры выполнния датчика с использованием материалов ЧЭ, обладающих высокими коэффициентами электромеханической связи, легкостью изготовления и возможностью применения групповой технологии LiNeOjj Bi, GeOjd, а также использование в качестве пьезоэлектрической пластины с глухим торцовым отверстием непьезоэлектриков с напыленной на их поверхность пьезоэлектрической пленкой ZnO, или CaSo Кроме этого, в качестве пьезоэлектрической пластины возможно использование матричного отражательного коррелятора из LiNeOj с периодическими отражательными вытравленными непссред- ственно на Y-Z поверхности материала, сама решетка изготавливается обычно методом ионно-лучевого трав- ления. Благодаря варьированию специально ориентированных срезов или кристаллов монокристаллического пье- зоэлектрика (кварца и др,), а также благодаря дифференциальной схеме включения ЛЗ-1 и ЛЗ-2, температурная составляющая погрешности датчика может быть практически уменьшена до нуля,

Повышение точности измерения давления происходит за счет того, что благодаря выбранной конструкции датчика можно с большей степенью точности измерить изменение частоты, пропорциональное измеряемому давлению. Чувствительность к изменению давлеafния может быть выражена S , В

ЛР

отличие от существующих устройств, в которых относительная деформация ( ) прямо пропорциональная относительной чувствительности

(--- ) V f / ,

40 5 „

55

увеличением увеличивается df/f, в предлагаемом устройстве f/f определяется как изменением 8 , так и изменением f, обусловленным то16

/7

18

19

/

фиг.З