Датчик давления Советский патент 1993 года по МПК G01L11/00 

ческрго излучения (ПВО) в стеклянной призме.

Недостаток устройства - существенное уменьшение чувствительности при колебаниях температуры внешней среды. Это видно из следующего. Чувствительность оптических преобразователей прямо пропорциональна удельной глубине модуляции излучения, которая определяется из соотношения

M 1-exp(-/J-|)f

RSmin,

где Smin, dB, x, R - конструктивные параметры преобразователя давления;

эмпирический коэффициент;

d - длина пути осевых лучей от светоиз- лучающего диода до фотоприемника.

Как видно из (1), глубина модуляции М обратно пропорциональна величине d , которая существенно зависит от температурного расширителя деталей преобразователя, выполненных, как правило, из материалов с различными коэффициентами теплового расширителя (КТР). Поэтому даже небольшое изменение температуры среды, приводит к значительному нелинейному (величина d в квадрате) изменению значения М. а следовательно, и к изменению чувствительности, что приводит к появлению больших температурных погрешностей.

Другой существенный недостаток устройства в сложности юстировки его при обеспечении режима ПВО при измерении давления сред в широком температурном диапазоне.

Отмеченные недостатки частично устранены в другом известном устройстве, принятом за прототип - датчике давления, состоящем из мембранного чувствительного элемента с утолщенной периферийной частью, закрепленной в корпусе, двух волоконно-оптических преобразователей (ВОП), выполненных каждый в виде излучающего и приемного световодов с источником света и фотоприемником, причем концы световодов закреплены в плате, а их торцы установлены в одной плоскости. Световоды первого ВОП установлены напротив жесткого центра мембраны, а световоды второго ВОП - напротив утолщенной периферийной част мембраны. Кроме того, датчик содержит между световодами первого и второго ВОП еще и кольцевую светозащищенную перегородку.

Недостаток известного устройства - пониженная чувствительность его.

В самом деле, чувствительность мембранного датчика можно оценить по формуле

W 3 q (1 - fa

3 q (1 - fa bq

p 16 p E h3 где W - прогиб мембраны в центре;

5Р - измеряемое давление, q - интенсивность нагрузки; v, E - коэффициент Пуанссона и модуль упругости материала мембраны соответственно;

10 b, h - радиус и толщина мембраны, соответственно.

Как видно из (2), чувствительность мембранного датчика тем выше, чем больше диаметр мембраны 2Ь и меньше ее толщины h.

15 А это означает, что для малогабаритных датчиков предельные размеры диаметра мембраны приводят к существенному ограничению чувствительности. Значительное уменьшение h также ограничивается верх20 ним пределом измеряемых давлений из соображений необходимой прочности мембраны.

Из этого следует, что классический мембранный чувствительный элемент в извест25 ном устройстве имеет явно недостаточную чувствительность, особенно для малогабаритных датчиков. Кроме того, область применения датчиков существенно ограничена невысоким верхним пределом диапазона

30 измеряемых давлений.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности, а также повышение стабильности параметров датчика.

Поставленная цель достигается благо35 даря тому, что датчик давления, содержащий мембранный чувствительный элементе периферийной частью, закрепленной в корпусе, первый и второй волоконно-оптические преобразователи (ВОП), выполненные

40 каждый в виде излучающего и приемного световодов с источником света и фотоприемником, включает в себя пластинчатый упругий элемент, свободно опирающийся одним заостренным концом в утолщение

45 центра мембранного чувствительного элемента, а другим - в опору, образованную в утолщении корпуса и имеющей в центральной части отражающие поверхности с обеих сторон, причем излучающие и приемные

50 световоды обоих ВОП установлены соосно по двум параллельным осям, перпендикулярным поверхности пластинчатого элемента, а торцы световодов параллельны поверхности пластинчатого упругого эле55 мента и направлены друг навстречу другу, выходы фотоприемников обоих ВОП подключены к входу определителя отношений электрических напряжений, выход которого подсоединен к регистрирующему устройству, причем мембранный чувствительный

элемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расшире- ния. Дополнительно к этому входы излучающих световодов обоих ВОП подсое- динены к выходу светоделителя, на входе которого установлен общий источник излучения.

В предлагаемом решении появляются свойства, обусловленные совокупностью взаимозависимых признаков, перечисленных в предыдущем образце. Не обнаружены другие решения, содержащие признаки, сходные с признаками предлагаемого решения. Заявитель и автор считают предлагаемое решение обладающим существенными отличиями.

На чертеже изображен пример реализации предлагаемого датчика давления.

Датчик состоит из мембранного чувст- вительного элемента 1, закрепленного в корпусе 2, первого волоконно-оптического преобразователя (ВОП), включающего в себя излучающий 3 и приемный 4 световоды, источник света 5 (общий для обоих ВОП), фотоприемник 6 с усилителем 7, второго ВОП, включающего в себя излучающий 8, приемный 9 световоды, фотоприемник 10с усилителем 11, светоделитель 12, пластинчатый упругий элемент 13, определитель от- ношений электрических напряжений 14, регистрирующее устройство 15, поджимной винт-опору 16 и ограничители 17. Поджимной винт-опора 16 предназначен для автоматической выборки зазоров, которые могут возникать между заостренным концом пластинчатого упругого элемента 13 и утолщением центра мембранного чувствительного элемента 1. Ограничители 17 предусмотрены для исключения произвольности проги- ба пластинчатого упругого элемента 13. Сих помощью прогиб возможен только в одну сторону - это необходимо для надежности работы датчика.

Датчик давления работает следующим образом.

Вызванная давлением деформация мембранного чувствительного элемента 1 передается на пластинчатый упругий элемент 13 и изгибает его. Благодаря наличию ограничителей 17 пластинчатый упругий элемент 13 всегда прогибается в одну и ту же сторону. При этом расстояние между отражающими поверхностями упругого элемента и торцами световодов 3, 4 - с одной стороны уменьшается, а между отражающей поверхностью и торцами световодов 8, 9 - с другой стороны увеличивается, что приводит к изменению величин отраженных потоков излучения на выходах из световодов, которые принимается фотодиодами 6 и 10. усиливаются усилителями фототока 7 и 11 и сравниваются в Определителе отношений электрических напряжений 14. Результат сравнения отображается на регистрирующем устройстве 15.

Предложенное решение позволяет получить следующие положительные эффекты по сравнению с известными - повышение чувствительности и точности. Повышение чувствительности достигается благодаря включению в устройство, кроме других, упругого пластинчатого элемента 13. Давление среды воздействует на мембранный чувствительный элемент 1, который кинематически без зазоров связан с упругим пластинчатым элементом 13, деформирующимся при действии этого давления. При этом перемещение центра мембранного чувствительного элемента 1 трансформируется в существенно больший по величине прогиб упругого пластинчатого элемента 13. Величина прогиба элемента зависит от его длины.

Повышение точности измерений в предложенном решении достигается компенсацией температурных погрешностей благодаря двум конструктивным особенностям предложенного устройства:

мембранный чувствительный элемент, корпус которого и пластинчатый упругий элемент выполнены из материала с одинаковым коэффициентом теплового расширения;

в устройство введен определитель отношений электрических напряжений, благодаря которому изменение расстояния между торцами световодов и поверхностью пластинчатого упругого-элемента при изменении температуры будет компенсироваться автоматически. Кроме того, применение определителя отношений совместно с общим для обоих ВОП источником излучения позволяет избавиться от временной нестабильности применяемого источника излучения.

Совокупность упомянутых взаимозависимых конструктивных, признаков позволяет получить в предложенном решении положительные эффекты: повышение чувствительности, точности измерений, а также стабильности параметров датчика.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий мембранный чувствительный элемент с перфорированной частью, закрепленной в корпусе, первый и второй волоконно-оптические преобразователи (ВОП), каждый из которых выполнен в виде излучающего и приемного световодов с общим источником света и фотоприемником, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности, мембранный чувствительный элемент выполнен с утолщением в центральной части, на которую свободно опирается одним.концом введенный пластинчатый упругий элемент с отражающими поверхностями, другой конец которого жестко скреплен с корпусом, а излучающие и приемные

световоды обоих ВОП установлены соосно по разные стороны пластинчатого упругого элемента перпендикулярно его поверхностям, при этом мембранный чувствительный элемент, корпус и пластинчатый упругий элемент выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом теплового расширения.