Устройство для измерения давления Советский патент 1992 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке систем измерения давления, работающих в жестких климатических условиях, например при диагностике газотурбинных двигателей.

Известен гибридный оптоволоконный измерительный преобразователь механических величин 1, Он содержит согласующий трансформатор, в первичную обмотку которого включен фотоприемник, а во вторичную - пьезорезонатор, выполненный в виде акустооптического модулятора с возбуждением за счет собственного пьезоэффекта, усилитель фотоприемника, нагруженный на импульсный источник излучения, соединенный двумя другими световодами через тот же пьезорезочатор с тем же самым фотоприемником.

При воздействии на пьезорезонатор, например, давлением через мембранный чувствительный элемент его резонансная частота меняется. С помощью специального световода происходит передача световых импульсов к фотоприемнику с последующим их преобразованием и регистрацией. Этот частотный оптический измерительный преобразователь имеет ряд существенных .недостатков. В частности, отсутствие схемы компенсации от внешних воздействующих факторов, таких, например, как температура, а также наличие в самом преобразователе электрических сигналов (фототек в обмотке трансформатора) и, как следствие, необходимость его экранировки от электромагнитных помех для обеспечения требуемой точности.

Известен полностью пассивный оптический частотный датчик давления, содержащий кремниевую мембрану и Оптоэлектронный преобразователь 2 - прототип. В геометрическом центре мембраны сформирована балка, выполняющая функцию чувствительного элемента. Возбуждение механических колебаний балки осуществляется импульсами света отсвето- диода. Частота следования световых импульсов, задаваемая модулятором, совпадает с резонансной частотой механических колебаний балки. Съем информации осуществляется с помощью лазерного источника излучения, промодулированного колебаниями балки. Причем на фотодетектор приходят две световые волны от одного лазерного источника излучения, одна опорная, с частотным сдвигом за счет ripoхождения через ячейку Брэгга, а другая - промодулированная колебаниями балки. На фотодетекторе осуществляется гетеродинное детектирование полезного сигнала, который выделяется и регистрируется с

помощью спектроанализатора. Резонансная частота колебаний кремниевой балки меняется от приложенного давления за счет перераспределения в ней механических напряжений. Используя наиболее

точный интерферометрический Метод съема информации, известная конструкция датчика давления вместе с тем имеет и существенный недостаток. А именно значительную температурную погрешность,

обусловленную изменением геометрических размеров, а следовательно, и ее резонансной частоты колебаний от температуры,

Целью изобретения является повышение точности устройства для измерения давления за счет уменьшения его температурной погрешности.

Цель достигается за счет того, что в кремниевой пластине сформирована вторая

мембрана, не воспринимающая давление, выполненная за одно целое с вторым чувствительным элементом в Ьооме балки с защемленными концами с таким же геометрическими размерами, как и первый.

Для исключения влияния давления на вторую балку вокруг первой мембраны выполнена кольцевая разделительная канавка. В корпус датчика введен второй световод, своим торцом расположенный с зазором напротив середины второго чувствительного элемента, При этом в устройство введен второй источник света с длиной волны, отличной от первого, с помощью которого снимается сигнал по температуре Сигналы по давлению и темпер атуре поступают в фото- регистрирующий блок, содержащий вычислительное устройство, выход которого подключен к регистратору давления.

Применение предлагаемого устройства для измерения давления позволит обеспечить легкую совместимость его с цифровыми системами обработки информации, пбзв64ляит осуществить высокоточные измерения давления в жестких климатических условиях, возможность передавать данные на большие расстояния по оптическим волокнам без погрешностей, связанных с затуханием в волокне или колебаниями интенсивности приемника и источника излучения Таким образом использование предлагаемого технического решения позволит расширить область применения датчика давления, повысит пожаровзрыво- безопасность измеряемых систем, устранит электромагнитные помехи при работе дат- чиковой аппаратуры повысит точность измерения

Извстно, что балка, жестко закрепленная на обоих концах может совершать из- гибные колебания под действием вынуждающей силы Резонансная частота призматической балки прямоугольного сечения, подверженная действию осевого растягивающего (сжимающего) усилия F на частоте основного резонанса определяется уравнением1

foа02я

тт(„ )

Е /2

Р

1 +ai

L2F Ebt3

О)

где a0/ai - постоянные коэффициенты, соответственно 6,45 и 0,147

Е,р-модуль Юнга и плотность материала

L, b t - длина, ширина и толщина балки соответственно

Под воздействием давления Р на мембрану в балке, сформированной в ее теле, возникнет напряжение

а

3(1 +У Р г2

8h2

где V- коэффициент Пуассона,

г- радиус мембраны,

h - ее толщина.

Напряжение может быть преобразовано в силу, если умножить его на площадь поперечного сечения балки

г F гтЬт(3)

г «t t i ,

Подставив уравнение (2) в (1), с учетом (3), найдем зависимость резонансной частоты балки от действующего на мембрану давления Р. Очевидно, что резонансная частота

балки будет меняться не только от давления, но и от температуры, действующей на датчик, так как под воздействием последней изменятся геометрические размеры балки Так, например, длина балки L будет меняться в диапазона температур AT по линейному закону

(1+ а А Т),

W

15 где LO - длина балки при температуре Т0

а коэффициент линейного расширения материала.

Поэтому формирование в кремниевой пластине датчика второй мембраны, не вос20 принимающей давление и выполненной за одно целое с вторым чувствительным элементом в форме балки с защемленными концами, позволило снимать с этой балки сигнал, зависящий только от температуры

25 Введение в интерферометрическую схему сьема информации второго когерентного источника света с длиной волны Аа позволило, используя общий оптический тракт преобразователя спектрально, разделить

30 сигналы с обеих балок для последующей их обработки и регистрации Обе балки выполнены таким образом, что имеют близкие геометрические размеры, а следовательно близкими будут и резонансные частоты ко35 лебаний обеих балок Обе балки освещаются импульсами света от одного источника излучения с помощью направленных оптических ответвителей Причем частота следования световых импульсов, задаваемая

40 модулятором при начальном давлении, совпадает с расчетной резонансной частотой колебаний балок Под действием световых импульсов обе балки начинают совершать вынужденные колебания с частотой близ45 кой к собственной резонансной частоте их основного механического резонанса На одну из балок направляется лазерное излучение с длиной волны AI, а на другую - лазерное излучение с длиной волны А2 Со50 ответствующие балки своими колебаниями промодулируют их Излучение с длиной вол- ны AI, промодулированное колебаниями первой балки, будет нести информацию по давлению и температуре, а излучение с

55 длиной волны А2, промодулированное колебаниями второй балки, будет нести информацию по температуре Спектральное разделение лазерных излучений осуществляется с помощью оптических фильтров

Разделенные по частоте излучения импульсы поступают в свой канал фоторегистри- рующего блока. Каждый из каналов содержит фотодетектор, спектроанализа- тор и усилитель. На фотодетектор первого канала приходят две когерентные волны, соответствующие излучению лазера с длиной волны AL Причем одна световая волна промодулирована колебаниями первой балки и несет информацию по давлению и температуре, а другая волна, не модулированная, пройдя через ячейку Брэгга и пол- учив-частотный сдвиг, является опорной. На фотодетекторе произойдет сложение ин- генсивносей двух волн, образование разно- стной частоты, промодулированной колебаниями балки, и преобразование ее в последовательность импульсов тока.

Спектроанализатор выделит импульсы тока, соответствующие основной частоте колебаний балки, и отфильтрует все гармонические составляющие. Усилитель усилит импульсы по амплитуде до уровня, необходимого для нормальной работы вычислительного устройства. На выходе первого канала получим частотный сигнал, соответствующий значению давления и температуры. Аналогичным образом, используя две когерентные волны с длиной излучения Яг, распространяющиеся по тем же оптическим трактам, получим с выхода второго канала фоторегистрирующего блока сигнал, соответствующий значению температуры, действующей на датчик. Оба сигнала поступают на входы вычислительного устройства, где происходит вычитание двух частотных сигналов, а с выхода снимается сигнал, зависящий уже только от давления, который измеряется с помощью регистратора.

Сопоставительный анализ с прототи- пом показывает, что заявленное устройство для измерения давления отличается от известного тем, что в кремниевой пластине датчика сформирована вторая мембрана, не воспринимающая давление, выполненная за одно целое с вторым чувствительным элементом в форме балки с защемленными концами, причем с такими же геометрическими размерами, как и у первой балки. Для исключения влияния давления на вторую балку вокруг первой мембраны выполнена кольцевая разделительная канавка. В корпус датчика введен второй световод, расположенный своим торцом с зазором напротив середины второй балки, В оптоэлектронный преобразователь введен второй источник когерентного излучения с длиной волны Аг, отличной от длины волны первого излучателя. Введены дополнительные оптические

ответвители, с помощью которых к соответствующим балкам подводится и снимается излучение. Выделение сигналов осуществляется за счет использования введенных в устройство светофильтров. Возбуждение колебаний обеих балок осуществляется за счет использования одного импульсного источника излучения через модулятор. Съем информации с обеих балок осуществляется интерферометрическим методом, причем для передачи и приема обоих оптических сигналов используется общий оптический тракт, Преобразование оптических сигналов, несущих информацию по давлению и температуре, в электрические с последующей их обработкой осуществляется в двух независимых идентичных каналах фоторегистрирующего блока, состоящих из фотодетектора, спектроанализатора и усилителя. Причем с выхода первого канала снимается сигнал, зависящий от давления и температуры, а с выхода второго - зависящий только от температуры.

Введение вычислительного устройства, где происходит вычитание двух частотных сигналов, позволило на входе регистратора получить сигнал, зависящий только от давления.

Таким образом предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность устройства для измерения давления за счет уменьшения его температурной погрешности.

На фиг.1 приведена конструктивная блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - вид А на фиг.1.

Устройство для измерения давления содержит датчик давления и связанный с ним посредством оптических световодов оптоэлектронный преобразователь. В корпусе датчика установлена кремниевая пластина 1, в теле которой сформированы две мембраны. Обе мембраны выполнены за одно целое с упругими чувствительными элементами в форме прямоугольной балки с защепленными концами 2, 3. Обе балки выполнены одного размера. Причем конструктивно они расположены так, что балка 2, помещенная в центре первой мембраны, чувствительна к действию давления и температуры, а балка 3, помещенная в центре второй мембраны, чувствительна только к температуре. Для исключения влияния давления на балку 3 вокруг первой мембраны сделана кольцевая разделительная канавка 4. Над геометрическим центром каждой балки с зазором расположены торцы световодов 5, 6, с помощью которых к балкам подводится световая энергия. Оптоэлектронный преобразователь содержит импульсный источник 7 излучения с длиной волны Аз , частота следования оптических импульсов которого задается модулятором 8. Оптические импульсы, распространяясь по световоду, через направленные ответвите- ли 9-11 и оптический кабель 12 поступает в датчик 13 давления. Частота следования световых импульсов, освещающих балки, совпадает с их собственной резонансной частотой. Под действием этих импульсов балки начинают совершать вынужденные колебания. Сьем информации с них осуществляется с помощью интерферометра, содержащего два когерентных источника 14, 15 непрерывного излучения с разными длинами волн AI А2. Оба излучателя соединены с помощью световодов с ответвителями 16, 17 и ячейкой Брэгга 18. Для пространственного разделения оптических сигналов используется полупрозрачное зеркало 19, а для спектрального - две пары светофильтров 20, 21 и 22, 23. Фоторегистрирующий блок устройства выполнен двухканальным, каждый канал его содержит последовательно соединенные фотодетектор 24 (24) спек- троанализатор 25 (25 ) и усилитель 26 (26 ). В фоторегистрирующий блок введено вычислительное устройство 27, входы которого соединены с выходами усилителей 26 и 26 а выход подключен к регистратору 28 давления.

Работает устройство следующим образом. Действие возрастающего (убывающего) давления на мембрану вызывает в ней механические напряжения, которые, распространяясь на балку 2, приведут к ее растяжению (сжатию), что в свою очередь изменит ее резонансную частоту. Одновременно при изменении температуры обе балки также изменят свою резонансную частоту за счет изменения геометрических размеров. Съем информации с обеих балок осуществляется интерферометрическим методом. Излучение с длиной волны AI от когерентного источника 14 через направленные ответвители 16, 17 проходит через полупрозрачное зеркало 19, ответвитель 29, светофильтр 20, ответвитель 10 и световод 5 подводится к балке 2. Аналогичным образом излучение с длиной волны А2 от источника 15 через те же ответвители 16, 17, пройдя через полупрозрачное зеркало 19, ответвитель 29, но теперь уже через светофильтр 21, ответвитель 11 и световод 6 подводится к балке 3. Колебания каждой балки промоду- лируют соответствующие излучения источников. Так, балка 2 промодулирует частотой своих колебаний излучение, поступающее от источника 14, с длиной волны AI, а балка

3 - от источника 15 с длиной волны А2. Полученные световые импульсы с частотой следования, определяемой колебаниями соответствующей балки, каждые на своей длине волны, пройдя по своему световоду 5 (6), через ответвитель 10 (11) и светофильтр 20 (21) поступают в ответвитель 29, С выхода ответвителя 29 через световод импульсы поступают на полупрозрачное зеркало 19 и,

отразившись от него, на ответвитель 30.

С помощью светофильтров 22 и 23 происходит их спектральное разделение. Разделенные по частоте излучения импульсы поступают соответственно в свой канал фоторегистрирующего блока. Для примера рассмотрим работу одного из них. На фотодетектор 24 приходят две когерентные волны, соответствующие излучению источника 14 с длиной волны AL Причем одна световая

волна промодулирована частотой колебаний балки 2 и несет информацию по давлению и температуре, а другая волна от того же источника излучения, пойдя через ответвители 16, 17 ячейку Брэгга 18, полупрозрачное зеркало 19, ответвитель 30 и светофильтр 22, так же попадает на фотодетектор 24. Причем вторая пришедшая волна не модулирована и, получив начальный частотный сдвиг за счет прохождения через

ячейку Брэгга.является опорной.

На фотодетекторе 24 произойдет сложение интенсивностей двух волн,образование разностной частоты, промодулированной колебаниями балки, и преобразование ее в

последовательность импульсов тока. Спектроанализатор 25 выделит импульсы тока, соответствующие основной частоте колебаний балки, и отфильтрует все гармонические составляющие. Усилитель 26 усилит импульсы по амплитуде до уровня, необходимого для нормальной работы вычислительного устройства 27. На выходе усилителя 26 получим частотный сигнал, соответствующий значению давления и температуры.

Аналогичным образом с второго канала фоторегистрирующего блока поступит сигнал, соответствующий значению температуры, действующей на датчик. С выхода

вычислительного устройства, где происходит вычитание двух частотных сигналов, получим сигнал, зависящий только от давления в приемной полости датчика, который и измеряется с помощью регистратора 28.

, В датчике применена пластина из монокристаллического кремния. Толщина обеих мембран - 100 мкм. Изготовлены они с использованием процессов фотолитографии и анизотропного химического травления. Размеры обеих балок 130x5,5x2,5 мкм. Амплитуда поперечных колебаний балок «50 нм. В качестве источника возбуждения балок может быть выбран светоизлучающий диод со средней мощностью излучения 10 мВт на длине волны Аз 1,32 мкм. В качестве когерентных источников излучения могут быть использованы твердотельные лазеры с диодной накачкой на длины волн соответственно AI 0,53 мкм и Я2 0,86 мкм. Могут быть использованы и другие длины волн, но желательно, чтобы все три источника излучения не имели кратных частот.

Предлагаемое устройство для измерения давления является электрически пассивным и обеспечивает частотный выход.

Формула изобретения Устройство для измерения давления, содержащее датчик давления, в корпусе которого установлена кремниевая пластина, в которой сформирована первая мембрана, воспринимающая давление, выполненная за одно целое с первым упругим чувствительным элементом в форме балки с защем- ленными концами, при этом в корпус датчика введен первый световод, первый торец которого установлен с зазором напротив середины балки, светоделитель с четырьмя входами, к третьему входу которого подключена ячейка Брегга, соединенная с первым выходом первого оптического от- ветвителя, а к четвертому входу светоделителя подключен второй выход первого оптического ответвителя, а также содержащий первый когерентный источник света и регистратор, отличающееся тем, что с целью повышения точности за счет уменьшения температурной погрешности, в кремниевой пластине сформирована вторая мембрана, не воспринимающая давление, выполненная за одно целое с вторым чувствительным элементом в форме балки с защемленными концами, причем вокруг первой мембраны выполнена кольцевая разделительная канавка, в корпус датчика введен второй световод, первый торец которого

расположен с зазором напротив середины второго чувствительного элемента, при этом в устройство введены второй когерентный источник света, второй третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой оптическое ответвители, последовательно соединенные первый светофильтр, первый фотодетектор, первый спектроанализатор и первый усилитель, последовательно соединенные второй светофильтр, второй фотодетектор, второй спектроанализатор, второй усилитель, а также введены вычислительное устройство, третий и четвертый светофильтры и последовательно соединенные модулятор и импульсный источник света, при

этом выход импульсного источника света соединен с входом второго ответвителя, первый выход которого подключен к первому входу третьего ответвителя, а второй выход - к первому входу четвертого ответвителя, выходы третьего и четвертого ответ- вителей подключены соответственно к первому и второму световодам, а вторые их входы соединены соответственно через третий и четвертый светофильтры с первым и

вторым входами пятого ответвителя, выход которого подключен к первому входу светоделителя, второй вход которого через шестой ответвитель соединен с первым и вторым светофильтрами, седьмой ответвитель своим выходом подключен к входу первого ответвителя, первым входом - с первым когерентным источником света, а вторым выходом - с вторым когерентным источником света, при этом выходы первого

и второго усилителей подключены соответственно к первому и второму входам вычислительного устройства, выход которого подсоединен к входу регистратора.

3

Редактор Т.Лошкарева

Составитель А.Федотова Техред М.Моргентал

Вид А

fe/

Корректор С.Лисина