Датчик давления Советский патент 1989 года по МПК G01L9/08 

y///w

/

mmwm

V.

ел

о

Од

00

ция чувствительнот о элемента I, диски 8 перемещаются в отверстии 7, что приводит к смещению акустического тракта распространения ПАВ, При этом изменяется частота кг-лебаний автогенераторов, и Которые включены излучающие 3 и приемные 4 ВП1П, причем

благодаря предложенной топологии ВШП частота f одного автогенератора увеличивается, а другого - f уменьшается и на ныходе датчика снимается сигнал &f, ранный разности

приращения частот 3 ил.

df df,- af

Изобретение относится к измерительной технике , в частности, к устройствам для измерения давления жидкостей и газов, и позволяет чувствительность при измерении давления. Датчик состоит из чувствительного элемента 1 и преобразующей части, которая представляет собой пластину 2 из пьезоэлектрического материала с расположенными на ней двумя парами 3, 4 встречно-штыревых преобразователей (ВШП) поверхностных акустических волн (ПАВ). В пластине 2 в боковой ее части по оси симметрии выполнено глухое торцовое отверстие 7 диаметром, превышающим ее толщину, внутри которого находятся два пьезоэлектрических диска 8 диаметром, равным диаметру отверстия, с возможностью перемещения вдоль него. Чувствительный элемент 1 связан с пьезоэлектрическими дискам 8 посредством штока 9. Под действием измеряемого давления происходит деформация чувствительного элемента 1, диски 8 перемещаются в отверстии 7, что приводит к смещению акустического тракта распространения ПАВ. При этом изменяется частота колебаний автогенераторов, в которые включены излучающие 3 и приемные 4 ВШП, причем благодаря предложенной топологии ВШП частота F₂ одного автогенератора увеличивается, а частота другого F₁ уменьшается и на выходе датчика снимается сигнал ΔFΣ, равный разности приращения частот ΔFΣ=ΔF₂-ΔF₁ .

15

30

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления жидкостей и газов.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика.

На фиг.1 показан датчик давле- иия, общий вид; на фиг.2 и 3 - возмож-20 ные конструкции преобразующего элемента датчика.

Датчик.содержит чувствительный элемент 1, выполненный, например, в виде мембранного блока, и преобразую- 25 щую часть, которая представляет собой пластину 2 из пьезоэлектрического материала с расположенными на ней двумя парами излучающих 3 и приемных 4 встречно-штыревых преобразователей (ВШП) пов€;рхностных акустичвских волн (ПАВ). Пластина 2 закреплена на корпусе датчика 5 с помощью держателей 6, а в боковой ее части по оси симметрии выполнено торцовое отверстие 7 диаметром, превышающим ее толщину, внутри которого находятся два пьезоэлектрических диска 3 с диаметром, равным диаметру отверстия, с возможностью перемещения вдоль него, Чувствительньш элемент 1 жестко соединен с пьезоэлектрическими дисками 8 посредством штока 9.

Датчик работает следующим образом.

При отсутствии измеряемого давле- д ния пьезоэлектрические диски В толщиной, не превышающей 1,5 мм, и диаметром, равным диаметру отверстия 7, находятся в определенном начальном положении (например, соответствующем атмосферному давлению). При включении напряжения питания усилителей (не показаны ) в кольце автогенераторов, образованных усилителями, излучающими 3 и приемными А преобразователями, а также пьезоэлектрическими дисками 8, .возникают колебания на частоте V . V

35

40

50

55

01

f«.

распространения ПАВ, „ - шаг электродов ВШП по линии, проходящей через пьезоэлектрические диски 8 и ВШП 3 и 4. Эта линия соответствует напра лению акустического луча ПАВ. Если толщина дисков 8 равна или немного меньше ширины акустического луча, за даваемого топологией излучающих ВШП 3, то вся энергия возбужденных ПАВ достигает через диски 8 приемных ВШП 4k(фиг,2 и 3). Это приводит к устойчивой генерации колебаний автогенераторов на частотах f, и f .j. Возникновение генерации на другой часто те невозможно, поскольку акустические лучи, излучаемые ВШП 3, в этом случае сместились бы вдоль апертуры ВШП и, пройдя на другую сторону пластины 2, демпфировались бы в последствии о корпус датчика.

При подаче измеряемого давления во внутреннюю полость чувствительного элемента происходит деформация мембранного блока. Жесткий центр его связан со штоком 9, который является направляющей перемещения и связующим звеном между чувствительным элементом 1 и пьезоэлектрическим дисками, 8. Последние под воздействием измеряемого давления перемещаются вдоль глухого торцового отверстия 7 выполненного по оси симметрии пластины 2. Это приводит к соответствующему смещению акустического тракта распространения ПАВ. При этом автогенераторы, образованные соответствующими усилителями j излучающими 3 и приемными 4 ВШП ПАВ, а также пьезоэлектрическими дисками 8, изменяют частоту колебаний. Пр1-1чем, благодаря топологии ВШП, частота f-1 одного автогенератора увели чивается, а частота z;pyroro f, уменьшается. Поэтому на выходе датчика снимается сигнал лГ,, рлвный

сг

где V - скорость . Изменение частоты до5

30

0

25

35

40

0

5

распространения ПАВ, „ - шаг электродов ВШП по линии, проходящей через пьезоэлектрические диски 8 и ВШП 3 и 4. Эта линия соответствует направлению акустического луча ПАВ. Если толщина дисков 8 равна или немного меньше ширины акустического луча, задаваемого топологией излучающих ВШП 3, то вся энергия возбужденных ПАВ достигает через диски 8 приемных ВШП 4k(фиг,2 и 3). Это приводит к устойчивой генерации колебаний автогенераторов на частотах f, и f .j. Возникновение генерации на другой частоте невозможно, поскольку акустические лучи, излучаемые ВШП 3, в этом случае сместились бы вдоль апертуры ВШП и, пройдя на другую сторону пластины 2, демпфировались бы в последствии о корпус датчика.

При подаче измеряемого давления во внутреннюю полость чувствительного элемента происходит деформация мембранного блока. Жесткий центр его связан со штоком 9, который является направляющей перемещения и связующим звеном между чувствительным элементом 1 и пьезоэлектрическими дисками, 8. Последние под воздействием измеряемого давления перемещаются вдоль глухого торцового отверстия 7 выполненного по оси симметрии пластины 2. Это приводит к соответствующему смещению акустического тракта распространения ПАВ. При этом автогенераторы, образованные соответствующими усилителями j излучающими 3 и приемными 4 ВШП ПАВ, а также пьезоэлектрическими дисками 8, изменяют частоту колебаний. Пр1-1чем, благодаря топологии ВШП, частота f-1 одного автогенератора увеличивается, а частота z;pyroro f, уменьшается. Поэтому на выходе датчика снимается сигнал лГ,, рлвный

. Изменение частоты достнг лется за счет топологии В111Г1 3, Конструкция lilllll 2 шлбрпна ит условия выделения необходимого сигнала из широкого диапазона частот df. Поэтому используются переменный таг электродов BIIII 3, который увкличинается к периферии пластины 2, и разная длина электродов.

На фиг.З показан возможный вари- ант использования преобразующей части с наклонными электродами ВШП 3. Направление движения ПАВ на пластине показано стрелками. Луч ПЛВ при изменении частоты возбуждения смеща- ется вдоль апертуры В111П 3, обеспечивая тем самым плоское сканирование. Начальное положение дисков 8 целесообразно выбирать таким, чтобы результирующая частота стремилась к нулю. При перемегаении пьезоэлектрических дисков 8 (фиг. 2 и 3) вдоль глухого торцового отверстия 7 пластины 2 изменяется длина, а следовательно, и частота акустичес ких волн, пропускаемых пьезоэлектрическими дисками 8 от излучающих ВШП 3 к приемным ВШП , Частота изменяется от значения, принятого за началное при градуировке датчика, до уста повившегося (4f ,f,f(j, ; Л{ f 2 ai Следовательно, в автогенераторах устанавливаются колебания с частотой соответстБующей пространственному шагу электродов излучающих ВШП 3. По изменению частоты f судят о величине измеряемого давления.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий размещенный в корпусе манометрический чувствительный элемент и закрепленную в корпусе пьезоэлектрическую пластину, на которой расположены первые излучающий и приемный встречно-штыревые преобразователи поверхностных

Q 5 0 5 05

0

акустических нолн, Ki iropwe симметрично размещены по обе cTopoMi.i от глухого отверстия, выполненного в пластине по оси ее симметрии со стороны торцовой части, обращенной к чувгт- вительному элементу, при этом чувствительный элемент снабжен соединенным с ним штоком, на котором закреплен пьезоэлектрический диск, расположенный в отверстии пластины с возможностью перемещения вдоль него, причем диаметр d отверстия пластины удовлетворяет соотнотению l,lh d 7h, где h - толщина пластины, о т- л и ч а ю п и и с я трм, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен дополнительными излучающим и приемным встречно-щтыревыми преобразователями поверхностных акустических волн, расположенными на пьезоэлектрической пластине аналогично первым преобразователям поверхностных акустических волн, и дополнительным пьезоэлектрическим диском, закрепленным на щтоке и расположенным в отверстии пластины, при этом первые и дополнительные преобразователи поверх- ностных акустических волн расположены симметрично относительно оси симметрии пластины, перпендикулярной оси отверстия, а пьезоэлектри 1еские диски расположены на линиях, прохо- дяших через середины апертуры встреч- но-щтырсвьгх преобразователей, причем у излучающих и приемных встррчно-шты- ревых преобразователей электроды выполнены с переменным И агом, увеличивающимся к периферии пьезоэлектрической пластины по линии, перпендикулярной электродам, кроме того, у излучающих встречно-штыревых преобразователей каждый последующий электрод, начиная со второго, по длине не равен предыдущему и уменьшается или увеличивается к периферии пьезоэлектрической пластины.

.V

±i

Фаз.2

7

Фиг.З