Емкостный датчик давления и способ его изготовления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может найти применение для точных измерений переменных и квазистатических давлений.

Известные типы отечественных пьезок- Карцевых датчиков давления построены с применением пьезоэлементов из кварца X- среза. работающих на прямом пьезоэффек- те С продольной или поперечной поляризацией элемента. Важнейшими достоинствами этих датчиков являются высокая Надежность, широкий диапазон рабочих . температур, высокие траничные частоты (порядка сотен килогерц), малые габариты и масса. Упругочувствительные элементы из кварца, применяемые в этих датчиках, обуславливают малые собственные шумы и низкие пороги чувствительности, что позволяет получать динамический диапазон более 100 дБ на одной конструкции пьезопакета. Использование в качестве промежуточного преобразователя усилителя заряда позволяет применять эти датчики в самых сложных условиях эксплуатации.,

Общеизвестно, что кварц обладает практически идеальными упругими свойствами, что обуславливает его применение для изготовления упругих элементов прецизионных устройств. На прямом пьезоэффек- те кварца потенциально возможно создание высокоточных датчиков, характеризуемых простотой конструкции и измерительной цепи. Вместе с тем, точность измерений известных датчиков ограничивается значениями 0,5-1,0%, что связано прежде всего с погрешностями силовведения и силораспределения. Недостатки, ограничивающие точность измерений, связаны с построением силовой цепи по традиционной схеме, а именно: среда - промежуточный элемент (сильфон или мембрана) - смловводящие детали - пьезоэ- лементы. Таким образом, в силовой цепи датчика имеет место целый ряд стыков, обладающих нестабильной жесткостью, которые приводят к искажениям механических полей в пьёзоэлементах и появлению контактных напряжений. Кроме того, наличие устройств, предварительного натяжения пьезоэлементов, без которых невозможно обойтись и датчиках с наборными пье зрпа- кетами, приводит к шунтированию сиповой цепи датчика и возникновению поля дополнительных механических напряжений в пьёзоэлементах,-которое в общем случае неоднородно и обуславливает нестабильность градуировочной характеристики датчика.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) следует считать конструкцию датчика давления, описанного в швейцарском патенте. Этот датчик, патентуемый фирмой Kistler, выполнен с учетом ряда рекомендаций по снижению погрешностей силовведения. Это прежде всего использование пьезоэлементов, работающих на поперечном пьезоэффекте кварца, и анализ способов изготовления этих пьезоэлементов из монокристалла, направленных на

снижение случайных составляющих погрешностей датчика от влияющих факторов. Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности преобразования датчиков давления на основе прямого пьезозффекта кварца.

Полностью реализовать потенциальные возможности кварца позволит конструкция датчика, в которой отсутствуют промежуточные звенья, передающие измеряемую нагрузку на пьезоэлемент. Поскольку среди известных типов кварцевых пьезоэлементов не существует таких, у которых естественной входной .величиной является давление, автором был проведен анализ

возможных способов построения кварцевых упругочувствительных элементов, вытекающих из матрицы пьезомодулей кварца. На фиг. 1-4 изображено: 1 - корпус датчика; 2 - кварцевый пьезоэлемент в виде

круглой пластинки радиуса R и толщиной h, основание которой перпендикулярно кри- сталлофизической оси X кварца; 3-элемент объема пластинки с текущими координатами г, р в полярной системе координат, ограничейный площадью dS и толщиной пластинки h, на который действуют механические напряжения Oi и аз; оси кварца в повернутой системе координат X, Y , Z : б, 7 - электроды, один из которых (6) соединен с

корпусом 1, а второй (7) - с электрическим выводом 5, изолированным от корпуса 1 с помощью изолирующей втулки 4; Р - измеряемое давление; уплотнение 8, представляющее собой слой герметика; на фиг.З

изображена плоскость пьезоэлемента в кристаллофизических осях кварца X, Y, Z и поверхность, характеризующая распределение удельной плотности заряда по площади пьеэоэлемента, при его изгибе.

Датчик работает следующим образом.

При действии измеряемого давления Р (см. фиг.1) происходит прогиб пьезоэлемента 2, жестко защемленного в корпусе 1 датчика.

в дисковом пьезоэлементе 2 (см. фиг.2), который используется в предлагаемом датчике, при прогибе под действием разности давлений х; двух сторон диска возникают механические напряжения.

(1;-+./i.)-r2-(3+/Ol

+/0(1+3/0,

0) где Р - внешнее (измеряемое) давление;

Стг - радиальные нормальные напряжения;

i cup - окружные нормальные напряжения;

| ц- коэффициент Пуассона; ; R d/2 - радиус пластинки; j r - текущая координата в полярной системе координат;

i При действии этих напряжений на каж- дом элементарном участке поверхности пьёзоэлемента dS (см. фиг.2) образуются поляризационные электрические заряды.

dQ-(di2 02 + di3 u)dS dS rdrdy

где 03, c,

di2 и di3 - значения пьезрмодулей в

ристеме координат XY Z1 (при повороте вокЬуг оси X на произвольный угол р), равные

соответственно:

di2 di2 cos2 р + dn sin pcos # dis di2 sin2(p- di4 J,

(3

Причем di2 и dn - табличные значения пье- зЬмодулей кварца,

I После подстановки в (2) значений ог, оз, CJ12, dis и промежуточных преобразований Получаем:

dQ 3 4 cH2R3(1 + ,) 2di2r2R(1 +p) +

О h

+ di2T2Rcos2(1 -/) + + -fifldrd p

Анализ выражения (4) показывает, что наличия периодических функций эле- м нтарные заряды распределены по поверхности неравномерно и могут изменять з4ак, что при прямом интегрировании при- вадет к взаимной компенсации зарядов. По- вфхностный заряд зависит от координаты г и угла р (с периодом изменения 180°). Введем обозначения; r/R or, для кварца dij /di2e 0,29; ns 0,3, тогда:

d Q 3 . D R3

gd,2P

где g - удельная плотность поверхностных зарядов,

g 1,3 + u(0,7cos2 p+ 0,2sln2 p.- 2,6) (5)

10

Трехмерная поверхность, построенная на основании полученной формулы (5), показана на фиг.З, штриховкой показана часть поверхности пьезоэлемента, на которой ге,(- нерируемые заряды положительны. Значение (О, при котором происходит изменение знака заряда на максимальном расстоянии от центра, равно 0,63. Поэтому для сьема зарядов следует ограничиться центральным

20 кругом на поверхности пьезоэлемента с радиусом 0,63R, Полный заряд, генерируемый на электродах пьезоэлемента при действии давления Р, можно определить, интегрируя элементарный заряд dQ по площади нане- 25 сения электрода на пьезоэлементе:

0,63 R 1Пл Р4

Овых. / /dQ di2(1 +ft) -P (6) oo° h

30 Таким образом, выходная величина датчика линейно зависит от измеряемого дав- а максимальное измеряемое

ления,

давление определяется по формуле:

35

h

. Pmax g- Одоп. (15 }

гдеадоп. -допустимые механические напряжения для квзрцэ.

40 : . Избежать необходимости защемления краев хрупкого кварцевого диска можно путем замены его на чувствительный элемент в виде колпачка (см. фиг.4), который крепится в датчике с помощью герметика. При дей45 ствии измеряемого давления дно колпачка прогибается, повторяя напряженное состояние защемленного по краям диска, а неидеальность крепления будет сказываться на стабильность чувствительности датчика в

50 гораздо меньшей степени. Для этого необходимо, чтобы толщина стенок колпачка (см. фиг.4) превосходила толщину дна по меньшей мере вдвое, а высота колпачка Н D/2. При необходимости, например, в случае

55 измерения давления в агрессивных средах, кварцевый пьезоэлемент со стороны внешнего давления может быть защищен вялой мембраной или химически стойким покрытием.

Предлагаемое изобретение - датчик давления - может быть использовано для измерения с высокой точностью переменных и пульсирующих давлений в газообразных и жидких средах в широком диапазоне температур. Простота конструкции датчика

обеспечивает его высокую надежность. Расчетная чувствительность датчика с колпач- ковым пьезоэлементом - до Кл/Па, в серийном исполнении подобный датчик будет иметь случайную составляющую и погрешность линейности не более 0,1-0,2%.

Изобретение относится к измерительно и технике и может быть использован для измерений малых переменных и квазистатических давлений в газообразных и жидких средах. Цель - повышение чувствительности и точности измерений. Сущность из эбретения: пьезокварцевый датчик ления содержит корпус 1 с размещенным в нем кварцевым пьезозлементом 2 в виде круглой пластинки Х-среза, на которую нанесены электроды 6 и 7, соединенные, соответственно, с корпусом 1 и выходом 5 датчика. Особенностью датчика является то, что в нем пластинка 2 жестко защемлена по периферии в корпусе 1 датчика, образуя мембрану, а электрод 7, соединенный с выходом 5 датчика, расположен в центральной части пластинки 2, ограниченной радиусом в 0,63 от радиуса пластинки. Для упрощения крепления в корпусе 1 пьезоэлемент 2 может быть выполнен в виде колпачка с дном, являющимся мембраной, и стенками, закрепленными на основании корпуса 1, причем толщина стенок не менее, чем вдвое превышает толщину дна, з высота превышает радиус колпачка. 1 з.п. ф-лы. 4 ил. (Л С

Формулаизобретения

2. Датчик давления по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью упрощения крепления в корпусе, пьезоэлемент выполнен в, виде колпачка с дном, являющимся мембраной, и стенками, закреплёнными на основании корпуса, причем толщина стенок не менее, чем вдвое превышает толщину дна, а высота превышает радиус колпачка.