NO800668L - Trykkoppfanger for elastiske overflateboelger - Google Patents

Description

i I Den foreliggende oppfinnelse vedrører en trykkføler for elastis!k<e>overflatebølger.

Det er kjent å bruke elastiske overflatebølger som forplantes mellan to transduktorer med innbyrdes forskjøvede kammer i et piezoelektrisk substrat for å måle akselerasjoner, krefter og trykk som.utøves på et fortynnet parti av substratet. For dette formål er den forsinkelseslinje som dannes mellom de to transduktorer koplet tilbake på seg selv ved hjelp av en forsterker, og utgjør en oscillator hvis frekvens varierer som funksjon av sammentrek-ningsvariasjonene i materialet, idet disse forårsaker variasjon av overflatebølgenes forplantningstid. For å kompensere virkningen av temperaturderiverte som også influerer på oscillasjons-frekvensen, er det også kjent å realisere to like oscillatorer som henholdsvis omfatter to forsinkelseslinjer anbragt på samme substrat og slik lokalisert på dette at en temperaturvariasjon i hvér linje frembringer en variasjon av forplantningstiden i samme retning, mens en variasjon av den kraft som anvendes på

det fortynnede parti av substratet frembringer variasjoner i motsatt retning. Ved å påtrykke utgangssignalene fra de to oscillatorene til en blander, får" man et signal i hvilket den frekvensvariasjon som skyldes kraften er summen av frekvens-variasjonene i hver oscillator, mens virkningen av temperatur-variasjonene blir. sterkt redusert om ikke opphevet.

En anordning av denne type er fi.eks. beskrevet i amerikansk

patent nr. 4.100.811. Ifølge dette oatent er de to forsinkelseslinjene anbragt på overflaten av et piezoelektrisk substrat som

i sitt senter er hulet ut for å danne et tynt sirkelformet område i hvilket elektriske og elastiske energier kan utveksles..

Oppfinnelsen foreslår å bruke de kjente resultater til å utføre undertrykksmålinger i forhold til atmosfæretrykket. Oppfinnelsen kan spesielt brukes til styring av fortenningen i en bilmotor. Anordningen ifølge oppfinnelsen omfattet en tynn piezoelektrisk plate med jevn tykkelse hvorav den ene flate påvirkes av trykket p i en væske og som langs omkretsen er solid festet til en holder hvis utvidelseskoeffisient er slik at det ikke dannes noen termisk sammentrekning inne i platen. Selv er holderen

i

\festet til et lukket rom som kommuniserer med. den manometerledning som inneholder væsken, slik at man unngår en hver kontakt mellom væsken og platens andre flate, idet denne er en polert flate på hvilken de transduktorer som danner de to forsinkelseslinjer er anbragt. Platens andre flate kan påvirkes av det omgivende lufttrykk pQ. Platen er forbundet til en trykt krets som inneholder alle de nødvendige elektroniske kretser.

Det hele er anbragt i et lukket rom som tillater at atmosfæretrykket, som platens polerte flate påvirkes av, holder seg konstant. Man kan forutsette ekstra midler for å unngå forurensning av den polerte flate.

Andre trekk ved oppfinnelsen vil gå bedre frem av nedenstående ikke begrensende beskrivelse og vedlagte figurer der:

Fig. 1 og 2 viser virkemåten av føleren ifølge oppfinnelsen.

Fig. 3 og 4 viser to mulige utformninger av transduktorene.

Fig. 5 vier en føler ifølge oppfinnelsen.

Fig.. 6 og 7 viser varianter av oppfinnelsen.

Fig. 1 og 2. viser henholdsvis sett ovenfra og'.i snitt en trykk-føler for elastiske overflatebølger. Føleren omfatter et piezoelektrisk substrat, f.eks. av kvarts, som utgjør en tynn plate 1 av hvilken som helst form, f.eks. firkantet, hvis kanter (de fire kantene dersom platen er firkantet) ved hjelp av et hårdt eller mykt lim er limet solid til en holder 6 bestående av et materiale forskjellig fra materialet i platen og hvis utvidelseskoeffisient er slik at det ikke dannes noen. termisk sammentrekning som kan forfalske måleresultatet. Formen av denne holderen lar det bli igjen en sentral sirkelformet ut-hulnihg hvis projeksjon C på platen er vist stiplet på fig. 1.

Den indre flaten av denne sirkelen utgjør det nyttige parti

av platen 1. For å tillate forplantning av elastiske overflate-bølger på øvre flate ^av platen vist på fig. 1, det vil si den motsatte flaten av den hvis kanter er limet til holderen, er denne flaten polert. I det nyttige område er det realisert to forsinkelseslinjer, den ene med akse X gjennom sentrum i sirkelen

\ j og dannet mellom to t- ransduktorer 2a og 3' a'■ , de• n andre dannet<1>i mellom to transduktorer 2b og 3b med akse parallell med X anbragt nær periferien av det nyttige området,slik a-t virkningene av en trykkforskjell mellom, de to flater på de sammentrekninger som påtrykkes de tilsvarende områder på platen, og dermed på bølgenes forplantningstid, får motsatte retninger for de to linjene.. Transduktorene dannes f. eks. av aluminiiimsf ingre påført med fotogravyre. Man realiserer to uavhengige oscillatorer ved å sammenkople linjene gjennom forsterkerkretser: Sa og Sb har frekvensene Fa og Fb som varierer i motsatt retning når trykkforskjellen varierer. Disse signaler blandes i en blander 5 som avgir et utgangssignal S med frekvens Fa - Fb.

De frekvensvariasjoner i de to linjene som skyldes undertrykket, og som har motsatte fortegn, blir således addert, mens de som skyldtes termiske deriverte og som har samme fortegn, blir sub-trahert.

Transduktorene mellom hvilke forsinkelseslinjene er dannet, består av innbyrdes forskjøvede kammer som kan realiseres ifølge<y>anliqe foto-litografiske prosesser. En vanlig transduktorutformning er vist på fig. 3. Kamfingrene 100 og 200 består av ekvidistante metallbånd av konstant lengde. Avstanden mellom to påfølgende bånd fordeler seg omtrent likt mellom det metalliserté parti og det ikke metalliserté mellomrom, og er lik der 9L er bølge-lengden av de bølger som forplantes på overflaten av det piezoelektriske substrat. Fig. 4 viser en variantutformning. Ifølge denne varianten består hver kamfinger 100 og 200 av to metall-3?l

bånd med bredde — q adskilt med mellomrom som også har en

bredde pa 0 , liksom avstanden mellom to påfølgende fingre

3%

er q . Således er de bølgene som koples ved hjelp av denne transduktoren harmoniske av 3.orden. Denne utformning oppviser prinsipielle fordeler frem for den foregående: Den unngår av refleksjoner på tennene fordi de bølger som reflekteres av de suksessive bånd, i stedet for å befinne seg. i fase, er i motfase og opphever hverandre. Videre er metallbådene brederer og derfor lettere å realisere. For oppfinnelsen blir derfor den andre utformningen foretrukket frem for den første, enten for en av transduktorene i hver linje, eller for begge.

i i

JFig. 5 viser et snitt av en trykkføler ifølge oppfinnelsen.Hoved-elementet i denne føleren er. en piezoelektrisk plate av den tidligere beskrevne type. De forskjellige elementer i føleren inneholdes i et lukket rom som avgrenses av to hetter 9 og 19 som man setter på etter å ha ført inn de forskjellige elementer. Kantene på platen 1 er limet på en holder 6. Holderen 6 er selv véd hjelp av et hårdt eller mykt lim limet til basis på hetten 9.

Det rom som avgrenses av hetten 9, holderen 6 og platen 1 kommuniserer med en manometerledning 101 som inneholder en væske

hvis trykk p en ønsker å måle, enten absolutt eller differensielt i.forhold til f.eks. atmosfæretrykket. Holderen 6 er festet

til hetten 9 slik at en oppnår fullkommen tetning mellom inn-holdet i ledningen 10 og det lukkede rom som defineres av rom-met mellom hettene 9 og 19 over. platen 1. Den væske som inneholdes i ledningen 10 befinner seg i kontakt med den flate på platen 1 som er motsatt den polerte flate YL som bærer transduktorene

hvis baner 2 og 3 er synlige på figuren og danner dé tidligere beskrevne forsinkelseslinjer. I det lukkede rom er det også' anbragt en trykt krets 13 som langs kantene er festet mellom to flenser på hettene 9 og 19. Disse er forbundet med pakninger 14 som sikrer god tetning, og eventuelt andre sammenføynings-midler 16. Den trykte krets 13 bærer de forskjellige elektroniske kretser, f.eks. forsterkerne 4a og 4b og blanderen 5

som er vist på fig. 1. Den trykte krets 13 må da være elektrisk forbundet til inngangs- og utgangstransduktorene for forsinkelseslinjene. Denne forbindelse, kan utføres gjennom kontakter 11 og 12 anbragt på holderen 6 ved siden av platen 1. Virkemåten av føleren fremgår av det som er beskrevet ovenfor.

Fra manometerledningen 10 utøves det et trykk p på nedre flate

av platen. 1. På den andre f laten ^utøves det f. eks. et trykk p^Trykkforskjellen p - pQ medfører deformasjoner av platen i motsatte retninger for de to linjene, og bevirker frékvensvariasjoner A Fa oq^Fb med motsatte fortegn. Utgangssignalet S, som man

tar ut fra blanderen 5, har frekvensen Fa-Fb + A Fa-AFb. Man kan filtrere dette signalet slik at man bare slipper gjennom frekvensen A Fa- A Fb. Man bestemmer således trykkdifferansen p - pQ. For å bestemme den nøyaktige verdi av p må man kjenne trykket p Den*anordning som fig. 5 viser, omfatter en lukket hette 19,

i

! likesom det luftvolum som inneholdes over platen 1 varierer når platen 1 blir deformert. Herav følger en variasjon av trykket p . Anordningen på fig. 5 kan bare brukes i det tilfelle da man bevirker vakuum i det-lukkede rom mellom hettene 9 og 19.

Man har da et mål for det absolutte trykk p.

I det mest kurante tilfellet, der man ønsker å måle et undertrykk

i forhold til atmosfæretrykket, må man i hetten 19 lage en luft-tilførsel slik at det trykk som flaten^ på platen 1 undergis

blir lik det omgivende lufttrykk. Den oppnådde anordning er vist på fig. 6. Den er lik anordningen på fig. 5 unntatt føl-gende punkter: I hetten 19 er det tatt ut en trykkutjevnings- . åpning 17, og den.trykte kretsen har et f.eks. sentralt hull 18. I dette tilfellet oppstår det et problem når den omgivende luft

er befengt med støv eller andre former for forurensning. Støv som slår seg ned på den polerte flate 5^ på platen 1 kan nemlig bevirke destruksjon av de oppnådde signaler. Man må da på en eller annen.måte isolere flaten ^ fra enhver form for forurensning, enten ved å filtrere den-luften som når denne flaten, eller ved å plassere et materiale over flaten som upåvirket over-fører trykket p , men hindrer at støvet når flaten En av dé mulige løsninger er vist på fig. 6. Det er et luftfilter i form av en slange 22 hvis ene åpning kommuniserer med hullet 18 i den trykte krets 13 og hvis andre åpning kommuniserer med

øvre parti av det lukkede rom. Det støv som luften inneholder slår seg ned på veggene i slangen, og den luften som kommer inn i nedre parti av det lukkede rom, det vil si i kontakt med flaten , blir befridd for alt støy. Anordningen på fig. 6 er realisert med en kvartsplate i Y-snitt anbragt på en holder 6 av rustfritt stål eller keramisk aluminiumsoksyd med et nyttig parti med diameter 1 cm. Platen har en tykkelse på 250 mikron. Hettene 9 og 19 er av plast likesom ledningen 10, som også

kan være av drevet blikk. Den trykte krets 13 er en keramisk plate. De elektroniske kretsene som er plassert der, er in-tegrerte kretser av kurant, type. Man justerer oscillatorenes midtfrekvens til omtrent 105 MHz. Denne justering kan gjøres ved en liten variasjon av lengden av den ene oscillatorsløyfen eller begge. Man har oppnådd en følsomhet på 40kHz/bar. Frekvensen av utgangssignalet fra føleren er noen dekader av kllz for

i

i et maksimalt målt dif f erensialtrykk på 2 bar for å oppnå god |I linearitet i målingen.

Fig. 7 viser en annen måte til å unngå forurensningsproblemene. Den består i at man over den trykte krets 13 plasserer et mykt membran 20 som f.eks. er festet til hetten 9 og hindrer all kommunisering av luft mellom partiet under og partiet over membranet. For å unngå at trykkvariasjonene mellom de to par-tier bevirker for stor deformering av membranet, er det å fore-trekke at det luftvolum som inneholdes under membranet er minst mulig. For dette formål er det mulig å fylle dette volum med . et 'fyllstoff 21 med unntagelse av at man lar det bli et fritt rom over flaten^] og passasjer for forbindelsene mellom transduktorene og den trykte krets 13.

Føleren ifølge oppfinnelsen finner spesielt anvendelse i auto-mobilområdet. Spesielt kan den brukes til å regulere styringen av fortenningen i en bilmotor. I dette tilfellet er det fluidum som kommer inn-igjennom ledningen 10 luft under trykk.

De beskrevne utformninger er bare gitt eksempelvis uten begrensende virkning, og andre varianter er også mulige innenfor rammen av oppfinnelsen.

Claims (12)

1. Trykkføler for elastiske overflatebølger av den type somI omfatter et piezoelektrisk substrat, to. forsinkelsesliner sombruker innbyrdes forskjøvede kammer og er realisert på en første flate på steder der trykkvariasjoner mellom de to flater bevirker deformasjoner med motsatte fortegn, og henholdsvis utgjør en del av to oscillatorer hvis utgangssignaler blir blandet for å oppnå differansefrékvensen mellom signalene, karakterisert vedat substratet består av en plate med jevn tykkelse og hvis kanter holdes solid festet til en holder som omfatter en sentral uthulning og er laget av et materiale hvis utvidelseskoeffisient er slik at det ikke dannes termisk sammen trekning i midten av platen.

2. Trykkføler som angitt i krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter en hette i to deler hvorav en første del er forbundet til en manometerledning som inneholder en væske hvis trykk skal måles, idet holderen er festet til denne første del slik at sammenstillingen hoider-plate -utgjør en klokke som er tett overfor væsken og at denne utøver et trykk på platens andre flate, idet en trykt krets som bærer for-sterkermidler og blandermidler er satt inn mellom de to deler av.hetten og er elektrisk forbundet til forsinkelseslinjene slik at det avgis et signal som funksjon av det trykk som skal måles.

3. Trykkføler som angitt i krav 1, karakterisert ved at det er tatt ut en trykkutjevningsåpning i den andre delen av hetten slik at føleren virker som undertrykksmåler.

4. Trykkføler som angitt i krav 3, karakterisert ved at den ytterligere omfatter beskyttelsesmidler som tjener til å unngå forurensning av platens første flate.

5.. Trykkføler som angitt i krav 4, karakterisert ved at beskyttelsesmidlene omfatter en slange som kommuniserer med et hull boret i den trykte krets slik at det dannes et klareringskammer for- at den luft som er i kontakt med den første flaten på platen blir støvfri. I . I

6. Trykkføler som angitt i krav 4, karakterisert | 1 1 ved at beskyttelsésmidlene omfatter en myk membran som danner en tett vegg mellom utjevningsåpningen og platens første flate og i sin helhet overfører det trykk som utøves på flatene.

7. Trykkføler som angitt i krav 2, karakterisert , ved at man danner vakuum inne i hetten slik at utgangsig-nalet blir en funksjon av væsketrykket.

8. Trykkføler som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 7, karakterisert ved at holderen er av rustfritt stål.

9. Trykkføler som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 7, karakterisert ved at holderen er av keramisk alumihiumsoksyd.

10. Trykkføler som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 9, karakterisert ved at platen er av kvarts.

11. Trykkføler som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 10, karakterisert ved at tennene på kammene dannes . ved pålegg av aluminiumbånd på platen.

12. Trykkføler som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til . 11, karakterisert ved at hver tann på kammene i minst én av transduktorene i hver linje består av to metall-371. bånd med bredde lik —5—3 , Ai.det to påfølgende bånd er adskilt med et mellomrom av bredde q , idet er bølgelengden av en grunn-svingning som kan forplantes i det piezoelektriske substrat.