Устройство для измерения давления Советский патент 1993 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сед.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьшения температурного ухода частоты.

Структурная схема датчика давления приведена на чертеже.

Датчик давления содержит основание 1, кожух 2, монокристаллическую кремниевую пластину 3 с плоскостью кристаллографической ориентации (100), в которой методом анизотропного травления выполнены одинаковые по размерам первая 4 и вторая 5 квадратные мембраны, первый 6 и второй 7 пластинчатые резонаторы, преобразователь 8 частота-напряжение, регулирующий

усилитель 9 и первый 10 и второй 11 оптико- электронные преобразователи, каждый из которых состоит из первого 12 и второго 1.3 источников излучения с различными длинами волн излучения, приемника 14 излучения, модулятора 15, оптического фильтра 16, спектрального мультиплексора 17, раз- ветвителя 18 и шести световодов 19 - 24.

В каждом из оптико-электронных преобразователей 10 или 11 спектральный мультиплексор 17 через первый световод 19 оптически связан с первым источником 12 излучения, через второй световод 20, разветвитель 18, третий световод 21 - со вторым источником 13 излучения, через второй световод 20, разветвитель 18, четвертый световод 22, оптический фильтр 16 и пятый световод 23-с приемником 14 излучения, а

00

к

о о

через шестой световод 24 - с первым 6 или вторым 7 резонатором.

В каждом из оптико-электронных преобразователей 10 или 11 приемник 14 излучения электрически связан с выходом 25 данного преобразователя и входом 26 обратной связи модулятора 15, управляющий вход 27 которого соединен со входом 28 преобразоватепя, а выход - со входом первого источника 12 излучения.

Вход 28 оптико-электронного преобразователя 10 соединен с выходом регулирующего усилителя 9, вход которого подключен к выходу преобразователя 8 частота-напряжение, вход которого соединен с выходом 25 оптико-электронного преобразователя 11. Вход 28 оптико-электронного преобразователя 11 заземлен. .

Кремниевая пластина 3 расположена под кожухом 2 на основании 1, которое выполнено из материала с температурным коэффициентом линейного расширения, близким температурному коэффициенту линейного расширения пластины 3. При этом полость между основанием 1 и кожухом 2 вакуумирована через штуцер 29, который после откачки воздуха запаивается.

Резонаторы 6 и 7 одним концом закреплены на опорном буртике .30, а другим концом через стойки 31 соединены ерответствегжо с мембранами 4 и 5.

Полости под мембранами 4 и 5 изолированы друг от друга, причем полость под мембраной 5 через штуцер 32 заполнена инертным газом, например, осушенным азотом, под давлением, которое при изме- ненении температуры окружающей среды изменяется в пределах диапазона измерения давлений датчика. После заполнения полости газом штуц ер 32 запаивается. Через штуцер 33 в полость под мембраной 4 подводится газ или жидкость, давление которых подлежит измерению.

Оптические разветвители 18 могут быть выполнены, например, в виде 3 дБ волоконно-оптических разветвителей типа Y с коэффициентом разделения между каналами порядка 50-60 дБ..

Преобразователь 9 частота-напряжение может быть реализован, например, на основе микросхемы КР1108ПП1.

Устройство работает следующим образом.

При тарировочной температуре (равной, как правило, 293 К) в оптико-электронных . преобразователях10,11 модулированное по интенсивности модуляторами 15 световые излучения источников 12 с длиной волны AI через световоды 19, спектральные мультиплексоры 17, световоды 24 подводятся соответственно к резонаторам 6 и 7. Большая часть световых излучений поглощается материалом резонаторов и выделяется в виде тепловой энергии, создающей переменный градиент температуры по длине и толщине резонатора. При этом за счет термоупругих напряжений возникает переменный по величине изгибающий момент, который вызывает изгибные колебания резонаторов 6 и 7.

Одновременно в оптико-электронных преобразователях 10,11 от источников 13 непрерывные излучения с длиной волны А 2 через световоды 21, разветвители 18, световоды 20, спектральные мультиплексоры 17 и световоды 24 подводятся соответственно к резонаторам 6 и 7, Поскольку промежутки между торцами световодов 24 и резонаторами 6 и 7 меняются по гармоническому закону с частотой изгибных колебаний резонаторов то непрерывные излучения, отраженные от поверхности резонаторбв 6 и 7, оказываются промодулированными с той же частотой. Последние через световоды 24, спектральные мультиплексоры 17, световоды 20, разветвители 18, световоды 22, фильтры 16. световоды 23 поступают на соответствующие приемники 14 излучения. При этом мультиплексоры 17 обеспечивают спектральную развязку световых излучений по длинам волн Ai и Аа, а оптические фильтры 16 являются непрозрачными для свеговых излучений с длиной волны AI и прозрачными для световых излучений с длиной волны Аа. В приёмниках 14 промодулированные световые излучения с длиной врлныАа преобразуютсяв° электрический сигнал и усиливаются, причем с выхода приемника 14 оптико-электронного преобразователя 11 снимается сигнал, изменение частоты которого пропорционально температуре окружающей среды, а с выхода приемника 14 оптико-электронного преобразователя 10 - сигнал, изменение частоты которого пропорционально измеряемому давлению. С 5 выхода приемника 14 оптико-электронного преобразователя 10 сигнал поступает на выход 25 данного преобразователя и на вход 26 обратной связи соответствующего модулятора 15 для оптического возбуждения и поддержании изгибных автоколебаний резонатора 6. С выхода приемника 14 оптико- электронного преобразователя 11 сигнал поступает на выход 25 данного преобразователя и на вход 26 обратной связи соответствующего модулятора 15 для оптического возбуждения и поддержания изгибных автоколебаний резонатора 7. .

Выделяемая на резонаторах 6,7 тепловая энергия приводит к тому, что их температу0

5

0

5

0

5

0

0

5

pa будет выше окружающей, вследствие чего резонаторы будут стремиться изменить свою длину. Однако изменению длины резонаторов 6,7 препятствуют опорный буртик 30 и стойки 31, температура которых соответствует температуре окружающей среды. В результате резонаторы 6,7 оказываются сжатыми со стороны обоих заделок продольными термоупругими силами. Под действием сжимающих усилий изгибная жесткость резонаторов 6,7 уменьшится, что. в свою очередь, приводит к уменьшению резонансной частоты. При этом на долю оптических систем возбуждения колебаний, составной частью которых являются источники 12 излучения, приходится порядка 75- 80% выделяемого на резонаторах 6,7 тепла, а на долю оптических систем съема колебаний, составной частью которых являются источники 13 излучений, - порядка 20-24%. Созданное таким образом в основном за счет системы возбуждения предварительное сжатие придает резонаторам 6,7 новую, уменьшенную по сравнению с исходным состоянием изгибную жесткость (исходное состояние резонаторов 6,7 характеризуется отсутствием сжатия за счет оптического нагрева).

Температурная коррекция осуществляется следующим образом. При изменении температуры окружающей среды, например, при ее повышении, чартота резонаторов 6,7 уменьшится вследствие температурной зависимости модуля упругости материала резонаторов (для монокри- сталлического кремния с плоскостью ориентации (100)температурный коэффициент модуля упругости отрицателен и равен -5 Ф10 1(К). С повышением температуры окружающей среды увеличивается давление газа в полости под мембраной 5, что вызывает соответствующий прогиб последней и угловое смещение стойки 31 .приводящее к еще большему сжатию резонатора 7. Частота резонатора 7 при этом уменьшится и на выходе приемника 14 оптико-электрон- . кого преобразователя 11 появится сигнал, уменьшение частоты которого пропорционально повышению температуры окружающей среды. Этот сигнал поступает на вход преобразователя 8 частота-напряжение, который преобразует уменьшение частоты в пропорциональное умен-.шение постоянного напряжения на своем выходе. Данный сигнал усиливается в усилителе 9 и подается на управляющий вход 27 модулятора 15 оптико-электронного преобразователя 10, что, в свою очередь, приводит к уменьшению тока накачки соответствующего источника 12, а следовательно, к уменьшению мощности его излучения. В результате уменьшится выделяемая в резонаторе 6 теплотя, а следовательно, уменьшатся сжимающие резонатор 6 усилия со стороны заделок. 5 Уменьшение сжимающих усилий приводит к увеличению изгибной жесткости резонатора 6 и соответственно к такому увеличению частоты резонатора 6, которое позволяет практически полностью устранить первона0 чальныйуход частоты резонатора 6, вызванный воздействием температуры окружающей среды.

Использование предложенного технического решения позволит повысить точ5 ность измерения давления за счет уменьшения температурного ухода частоты до (2-3) 1 /К по сравнению с (8-9) 1/Ку известных.

Формула изоб ретени я

0 Устройство для измерения давления, содержащее, кожух, основание, первую и вторую мембраны с установленными на них, соответственно первым и вторым резонаторами, подключенными соответственно к

5 первому и второму блокам обработки сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, каждый блок обработки сигнала выполнен в виде оптико-электронного преобразователя, а в устройство

0 дополнительно введены монокристаллическая кремниевая пластина с выполненными на ней первой и второй мембранами преобразователь частоты в напряжение, регулирующий усилитель и первый и второй

5 световоды, при этом каждый оптико-электронный преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных спектрального мультиплексора, четвертого световода, разветвителя, оптического фильтра, седьмо0. го световода, приемника излучения, модулятора, первого источника излучения, третьего световода, соединенного также со спектральным мультиплексором и второго источника излучения, соединенного также

5 через пятый световод с разветвителем, причем выход приемника излучения второго оптико-электронного преобразователя подключен также к входу преобразователя частоты в напряжение, выход которого сое0 динен с входом регулирующего усилителя, выход которого подключен к второму входу . модулятора первого оптико-электронного преобразователя, спектральные мультиплексоры первого и второго оптико-элект5 ронных преобразователей соединены соответственно через первый и второй световоды с соответствующими резонаторами, а полость между основанием и второй мембраной заполнена газом.

Сущность изобретения: устройство содержит основание, кожух, 1 монокриеталли- ческую кремниевую пластину, 2 мембраны, 2 резонатора, преобразователь частота-напряжение, регулирующий усилитель, 2 опти- ко-электронных преобразователя, 2 световода. Каждый оптико-электронный преобразователь содержит: 2 источника излучения, приемник излучения, модулятор, оптический фильтр, спектральный мультиплексор, разветвитель 5 световодов 18-13. Выход регулирующего усилителя подключен ко второму входу модулятора второго оптико-электронного преобразователя. Пластина расположена на основании под кожухом. Каждый резонатор установлен на соответствующей мембране. Обе мембраны выполне- ны на пластине путем анизотропного- травления. 1 ил. ел