Акустоэлектронный датчик температуры Советский патент 1988 года по МПК G01K11/24 

6

12

Фиг,;

и

Изобретение относится к технике может найти применение в системах контроля и управления технологическими процессами, научном приборостро- енйи и т. дТ

Целью изобретения является повышение чувствительности измерений температуры за счет дополнительного изменения скорости акустической волны при возбуждении связанных волн.

На фиг.1 показан датчик, фронтальный разрез; на фиг.2 - чувствительный элемент датчика при изменении температуры окружающей среды; на фиг.З - то же, вид сверху.

Устройство состоит из держателя 1, изготовленного из кварцевого стекла, в котором в изогнутом положении

параллельно друг другу закреплены жестко оптически полированная пьезо- пластина 2, изготовленная из пьезокварца YX-среза, и пьезопластина 3 из кремния (Ш)-среза, обработанная по 14 классу. На пластине 2 размещены входной 4 и выходной 5 встречно- штыревые преобразователи (ВШП) акустических волн и поглотители 6 и 7. На пластине 3 нанесены поглотители 8 и 9 акустических волн из эластичного материала, например эпоксидной смолы с наполнителем.

Величина зазора в пределах от 5 Ы -с1 } йЛ:-1 до , где (/ , - температурные коэффициенты расширения пластин; ДТ - диапазон измеряемых температур; Л- длина акустической волны в пластине 2; - длина пластин, обеспечивается закреплением пластины в пазах держателя 1, расположенных на строго определенном расстоянии, и калиброванной длиной пластин 2 и 3. Держатель с пластинами установлен на основании 10 из инвара с гермовводами 11 и 12 из ковара. Крышка 13 изготовлена из металла с хорошей теплопроводностью. Герметич ный объем заполнен гелием, хорошо проводящим тепло. Период решетки ВШП (расстояние между одноименными электродами) составляет 100 мкм, толщина пластины 2 равна 0,12 мм, пластины 3-0,15 мм, длина пластин - 40 мм ширина - 20 и 15 мм соответственно. Зазор между пластинами равен 10 мкм. Количество электродов ВШП - 20 пар, апертура - 5 мм.

Устройство работает следующим образом.

с

Ю

15

20

В пьезопластине 2 с помощью ВШП 4 возбуждается волна Лэмба (квазиреле- евская волна), которая достигает выходной БШП 5 за время

to -,(1)

о

где L - длина звукопровода (расстояние мезвду ВШП) ; Vg - скорость в звукопроводе при

температуре Т,

Величина скорости в звукопроводе зависит от значения скорости в материалах пластин 2 и 3, зазора между пластинами, соотношения толщин пластин 2 и 3, размеров взаимной области перекрытия пластин и температуры окружающей среды.

При расположении двух пластин с очень небольшим зазором параллельно одна другой скорость акустической волны в составном звукопроводе изменяется в пределах от 316 км/с до

V

VsiO,+Vsi

ллйкс

3,9 км/с (2)

в зависимости от величины зазора, изменяющегося от Л/4 до 0.

Практически изменение скорости в диапазоне температур в составном звукопроводе происходит в меньших пределах из-за неравномерности зазора на участке между ВШП. Но даже в самом худшем случае изменение скорости акустической волны за счет трансформации акустической волны и перераспределения ее энергии между пластинами в узком диапазоне составляет несколько процентов, что значительно превосходит сз ммарное изменение температуры в YX-среде кварца во всем диапазоне измерений:

5

VMaK.

V

О у ТддяКС

40-10 -500 2%

0

5

При соответствующем выборе толщины и материала пластин наблюдается трансформация квазирелеевской волны в объемную-продольную или поперечную, скорости которых, особенно продольной, в 2 раза превосходит скорость квазирелеевской волны. В этом случае чувствительность датчика температуры значительно выше.

Наибольший эффект наблюдается при использовании составного звукопровода кварц-сапфир, но из-за меньшей разности ТКР, чем для пары кварц-кремний, трудно обеспечить требуемую величину зазора, при котором происходит максимальное изменение скорости в измеряемом диапазоне температур.

Жесткое закрепление пластин в изогнутом состоянии необходимо для более эффективного изменения зазора, связанного с разностью ТКР материалов пластин, чем при их плоской форме. В последнем случае для пластин толщиной 1 мм зазор в диапазоне температур 100° изменяется всего на 10 мм для пары пластин кварц - кремний. В первом случае зазор изменяется в 1GO-20Q раз больше в зависимости от длины пластин и при меньшем изменении температуры.

Изменение времени задержки:

н L-LO

где L - длина звукопровода при некоторой температуре измерения Т, V - соответствующая величина

скорости в составном звуко- проводе при той же температуре Т.

Относительное изменение времени задержки может быть преобразовано в

частотный выходной сигнал с помощью

генератора с задержанной обратной

сQя5 20

25

jg

связью или ПАВ-резонатором. Частотная форма сигнала удобна для последующей обработки микропроцессором или для дистанционной передачи по радиокя налу.

Формула изобретения

Акустоэлектронный датчик температуры, содержащий пьезопластину с размещенными на поверхности встречно- штыревыми преобразователями и поглотителями акустической волны, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен дополнительной пьезопласти- ной, при этом основная и дополнительная пластины установлены параллельно одна другой с зазором не более половины расстояния между штырями встречно-штыревого преобразователя и в изогнутом состоянии жестко закреплены в держателе из материала с малым коэффициентом теплового расширения, при этом материалы пьезопластин выбраны с различными температурными коэффициентами линейного расширения, а суммарная их толщина не превышает шести расстояний между штырями встречно-штыревого преобразователя.

Изобретение м.б. применено в системах контроля и управления технологическими процессами. Цель изобретения - повышение чувствительности измерений температуры. В пьезопласти- не 2 с помощью встречно-штыревого преобразователя (ВШП) 4 возбуждается волна, которая достигает выходной ВШП 5. Величина скорости в звукопро- воде зависит от значения скоростей в материалах пьезопластин 2 и 3, зазора между ними, соотношения толщин пьезопластин 2 и 3, размеров взаимной области перекрытия пластин и температуры окружающей среды. Изменение скорости акустической волны за счет трансформации акустической волны ц перераспределения ее энергии между пьезо- пластинами 2 и 3 в узком диапазоне составляет несколько процентов, что превосходит суммарное изменение температуры в YX-срезе кварца пъезоплас- тины 2 во всем диапазоне измерений. СП

Фиг.2

Л

Ю

«32 Фиг. 3