RU2098783C1

RU2098783C1 - Pressure pickup

Info

Publication number: RU2098783C1
Application number: RU96101243A
Authority: RU
Inventors: Федор Федорович Колпаков; Григорий Леонидович Хильченко; Сергей Константинович Пидченко
Original assignee: Федор Федорович Колпаков; Григорий Леонидович Хильченко; Сергей Константинович Пидченко
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1997-12-10

Abstract

FIELD: medicine; examination of cardiovascular system functioning. SUBSTANCE: pressure pickup has body 1, base 2, membrane 10, flat disc piezo-element 3 positioned on surface of crystal holder 6 is parallel to membrane. Pickup has also two circular electrodes. First electrode is membrane 10, while second is applied on piezo-element surface. In addition, pickup has metal supporting ring 8, rivet 4 with cylindrical head, flexible element 5 with hole in its center, and adjusting screw 9 with spherical end. This allows practically complete removal of hysteresis phenomenon, increase in stability of conversion characteristic and optimal selection of initial clearance. EFFECT: higher accuracy and resolution. 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам избыточного давления с частотным выходом, и может быть использовано в медицине для измерения избыточного давления воздуха в манжете при определении артериального давления человека любым из известных методов измерения частоты пульса, а также других исследований функционирования сердечно-сосудистой системы. The invention relates to a control and measuring technique, in particular to piezoresonant overpressure sensors with a frequency output, and can be used in medicine to measure excess air pressure in a cuff when determining a person’s blood pressure using any of the known methods for measuring heart rate, as well as other functioning studies of cardio-vascular system.

Известен пьезорезонансный датчик давления (Вильщук В.А. Фроловский С.И. Пьезорезонансные датчики с переменным зазором // Пьезо- и акустоэлектронные устройства. Омск: ОМПИ, 1981, с.102-105), содержащий корпус с металлической мембраной и дисковый кварцевый пьезоэлемент АТ-среза, установленный параллельно мембране с образованием зазора и снабженный электродом на поверхности, противоположной мембране. Known piezoresonance pressure sensor (Vilshchuk V.A. Frolovsky S.I. Piezoresonance sensors with a variable gap // Piezoelectric and acoustoelectronic devices. Omsk: OMPI, 1981, p.102-105), containing a housing with a metal membrane and a disk quartz piezoelectric element An AT slice mounted parallel to the membrane to form a gap and provided with an electrode on the surface opposite the membrane.

Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная гистерезисом датчика из-за несовершенства крепления металлической мембраны к корпусу, а также высокой погрешностью установки начального зазора между мембраной и кварцевым пьезоэлементом. The disadvantage of this device is the low accuracy due to the hysteresis of the sensor due to the imperfection of the fastening of the metal membrane to the housing, as well as the high error in setting the initial gap between the membrane and the quartz piezoelectric element.

Также известен пьезорезонансный датчик давления (а.с. СССР N 1425488 G 01 L 9/8. Датчик давления / В.Г.Касьян, Е.С.Колесник, В.П.Сорокопут, А.И.Черепков. Опубл. в Б.И. N 35, 1988), который содержит корпус, соединенную с ним с образованием замкнутой полости мембрану, дисковый кварцевый пьезоэлемент, расположенный в полости, и электроды, причем в полости в корпусе выполнена кольцевая проточка, соответствующая диаметру кварцевого пьезоэлемента, с четырьмя посадочными выступами, одна из пар которых расположена диаметрально противоположно другой, а каждый выступ пары отстоит относительно другого на 60^o. Кварцевый пьезоэлемент установлен параллельно мембране с образованием зазора и закреплен на выступах. Ось кварцевого пьезоэлемента расположена симметрично между выступами пары, а корпус и мембрана выполнены из монокристаллического кремния n-типа проводимости одинакового среза. В мембране и корпусе соосно с кварцевым пьезоэлементом выполнена область p-типа проводимости с диаметром в центре, равным половине диаметра кварцевого пьезоэлемента, соединенная радиальным участком с электродом, расположенным соответственно в периферийной части мембраны и корпуса, а кристаллографические оси мембраны и корпуса совпадают.Also known is a piezoresonant pressure sensor (AS USSR N 1425488 G 01 L 9/8. Pressure sensor / V. G. Kasyan, E. S. Kolesnik, V. P. Sorokoput, A. I. Cherepkov. Publ. In B. I. N 35, 1988), which contains a housing connected to it to form a closed cavity, a membrane, a disk quartz piezoelectric element located in the cavity, and electrodes, moreover, an annular groove corresponding to the diameter of the quartz piezoelectric element is made in the cavity in the body, with four landing ledges, one of the pairs of which is located diametrically opposite to the other, and each is aligned a pair of spaced relative to each other at 60 ^o. A quartz piezoelectric element is installed parallel to the membrane with the formation of a gap and is fixed on the protrusions. The axis of the quartz piezoelectric element is located symmetrically between the protrusions of the pair, and the body and membrane are made of n-type single-crystal silicon of the same conductivity. A p-type conduction region with a diameter in the center equal to half the diameter of the quartz piezoelectric element connected to the radial section with an electrode located respectively in the peripheral part of the membrane and the housing is made coaxially with the quartz piezoelectric element in the membrane and the housing, and the crystallographic axes of the membrane and the housing coincide.

Основным недостатком этого устройства является низкая точность измерения, обусловленная неизбежной погрешностью установки кварцевого пьезоэлемента относительно мембраны для задания начального зазора. The main disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, due to the inevitable error of the installation of the quartz piezoelectric element relative to the membrane to set the initial clearance.

В качестве прототипа выбран датчик давления (а.с. СССР N 1326921 G 01 L 11/00, 9/8. Пьезорезонансный датчик давления / Ю.С.Шмалий и др. Опубл. в Б. И. N 28, 1987), содержащий корпус, плоскую или гофрированную мембрану с жестким центром, выполненную из электропроводного материала, и дисковый плосковыпуклый кварцевый пьезоэлемент АТ-среза, обращенный плоской поверхностью к плоскости мембраны и снабженный электродом на выпуклой поверхности. The pressure sensor was selected as a prototype (A.S. USSR N 1326921 G 01 L 11/00, 9/8. Piezoresonant pressure sensor / Yu.S. Shmaly et al. Published in B. I. N 28, 1987), comprising a housing, a flat or corrugated membrane with a rigid center, made of electrically conductive material, and a disk plane-convex quartz piezoelectric element of the AT-cut, facing a flat surface to the membrane plane and equipped with an electrode on a convex surface.

Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность, обусловленная погрешностью установки начального зазора, а также сложностью установки плосковыпуклого кварцевого пьезоэлемента параллельно мембране. Кроме того, чувствительность датчика при использовании в нем плосковыпуклого кварцевого пьезоэлемента весьма мала за счет того, что емкостное отношение последнего m на первой механической гармонике в 2.3-3.2 раза меньше, чем у плоского (Пьезоэлектрические резонаторы /Справочник/ В.Г.Андросова, Е.Г. Бронникова, А. М. Васильев и др. М. Радио и связь, 1992, с.178), причем это снижение тем больше, чем больше кривизна сферы линзы. Следовательно, его информативная девиация частоты во столько же раз меньше, чем в датчике с плоским кварцевым пьезоэлементом (Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генераторов. М. Связь, 1975, с.17). В силу малости информационной девиации частоты сильно возрастает вклад дополнительных погрешностей в полную погрешность измерения. The disadvantage of this prototype device is the low accuracy due to the error in setting the initial clearance, as well as the difficulty of installing a flat-convex quartz piezoelectric element parallel to the membrane. In addition, the sensitivity of the sensor when using a plane-convex quartz piezoelectric element is very small due to the fact that the capacitive ratio of the last m at the first mechanical harmonic is 2.3-3.2 times lower than that of the plane (Piezoelectric resonators / Reference / V.G. Androsova, E . G. Bronnikova, A. M. Vasiliev and others M. Radio and communications, 1992, p. 178), and this decrease is greater, the greater the curvature of the lens sphere. Consequently, its informative frequency deviation is as many times smaller than in a sensor with a flat quartz piezoelectric element (Altshuller G.B. Frequency control of quartz oscillators. M. Svyaz, 1975, p.17). Due to the smallness of the information frequency deviation, the contribution of additional errors to the total measurement error greatly increases.

Для объяснения факторов, ограничивающих точность измерения избыточного давления с помощью устройства-прототипа, определим характеристики пьезорезонансных датчиков давления, построенных по принципу модуляции межэлектродного зазора. To explain the factors limiting the accuracy of measuring excess pressure using the prototype device, we define the characteristics of piezoresonant pressure sensors built on the principle of modulation of the interelectrode gap.

В соответствии с (Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генераторов. М. Связь, 1975, с.28) частота кварцевого резонатора f(x), возбуждаемого в межэлектродном зазоре, равна

где X, X₀, X_м текущий и начальный зазор между мембраной и кварцевым пьезоэлементом, а также ход мембраны под действием измеряемого давления соответственно; f₀ номинальная частота кварцевого пьезоэлемента при Х 0; m, h_пэ, ε_пэ емкостное отношение, толщина и электрическая проницаемость кварцевого пьезоэлемента соответственно. Из (1) найдем относительную информативную девиацию частоты измерительного сигнала

а также крутизну S_F характеристики δ_F(X) датчика, для чего продифференцируем выражение (3) по x:
S_F 0.5 ma/(Х + a)². (4)
Здесь
a = h_пэ/ε_пэ = N/(f_oε_пэ) - (5)
параметр кварцевого пьезоэлемента; N его частотный коэффициент.In accordance with (Altshuller GB, Frequency control of crystal oscillators. M. Svyaz, 1975, p. 28), the frequency of the crystal resonator f (x) excited in the interelectrode gap is

where X, X ₀ , X _{m the} current and initial gap between the membrane and the quartz piezoelectric element, as well as the course of the membrane under the influence of the measured pressure, respectively; f _{0 the} nominal frequency of the quartz piezoelectric element at X 0; m, h _pe , ε _pe capacitance ratio, thickness and electrical permeability of the quartz piezoelectric element, respectively. From (1) we find the relative informative deviation of the frequency of the measuring signal

and also the slope S _{F of the} characteristic δ _F (X) of the sensor, for which we differentiate expression (3) with respect to x:
S _F 0.5 ma / (X + a) ² . (4)
Here
a = h _pe / ε _pe = N / (f _o ε _pe ) - (5)
parameter of a quartz piezoelectric element; N is its frequency coefficient.

Величины параметров m, N, ε_пэ определяются типом среза кварцевого пьезоэлемента (Ballato Arthur. Doubly rotated thickness mode vibrator // Physical Acoustics. Principles and Merhods. 1977. V.13, p.139,168). Поэтому из (3),(4) следует, что δ_F и S_F зависят лишь от величины текущего зазора x, изменяющегося под действием измеряемого давления, и значения рабочей частоты f₀. Для увеличения информативной девиации частоты в датчиках необходимо использовать резонаторы АТ-среза, у которых емкостное отношение m максимально (Ballato Arthur. Doubly rotated thickness mode vibrator // Physical Acoustics. Principles and Merhods. 1977. V.13, p.168). Диапазон рабочих частот должен составлять 1-30 МГц, в пределах которого резонаторы АТ-среза работают на первой механической гармонике. На частотах же выше 30 МГц в качестве рабочих используются третья и более высокие механические гармоники кварцевого пьезоэлемента, для которых величина емкостного отношения уменьшается пропорционально квадрату номера гармоники (Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник /В. Г. Андросова, Е.Г. Бронникова, А.М. Васильев и др. - М. Радио и связь, 1992, с.178).The values of the parameters m, N, ε _{pe are} determined by the cutoff type of the quartz piezoelectric element (Ballato Arthur. Doubly rotated thickness mode vibrator // Physical Acoustics. Principles and Merhods. 1977. V.13, p.139,168). Therefore, from (3), (4) it follows that δ _F and S _F depend only on the size of the current gap x, which changes under the influence of the measured pressure, and the value of the operating frequency f ₀ . To increase the informative frequency deviation in the sensors, it is necessary to use AT-cut resonators, in which the capacitive ratio m is maximum (Ballato Arthur. Doubly rotated thickness mode vibrator // Physical Acoustics. Principles and Merhods. 1977. V.13, p.168). The operating frequency range should be 1-30 MHz, within which the AT-cut resonators operate at the first mechanical harmonic. At frequencies above 30 MHz, the third and higher mechanical harmonics of a quartz piezoelectric element are used as workers, for which the value of the capacitive ratio decreases in proportion to the square of the harmonic number (Piezoelectric resonators: Reference book / V. G. Androsova, E.G. Bronnikova, A.M. . Vasiliev et al. - M. Radio and Communications, 1992, p. 178).

Рассчитанные по формулам (3),(4),(5) значения δ_F и S_F при использовании в датчиках плоских пьезоэлементов АТ-среза с параметрами m 6.29•10^-3, N 1661 кГц/мм, ε_пэ 4.5 (Ballato Arthur. Doubly rotated thicknessmode vibrator // Phycal Acoustics. Principles and Methods. 1977. V.13, p.115-181) для различных частот f₀ сведены в таблицу.The values of δ _F and S _F calculated by formulas (3), (4), (5) when using AT piezoelectric piezoelectric elements in sensors with parameters m 6.29 • 10 ^-3 , N 1661 kHz / mm, ε _pe 4.5 (Ballato Arthur Doubly rotated thicknessmode vibrator // Phycal Acoustics. Principles and Methods. 1977. V.13, p. 115-181) for different frequencies f ₀ are tabulated.

Из данных таблицы видно, что крутизна характеристики преобразования перемещения мембраны в частоту датчика S_F максимальная при x 0 и прямо пропорциональна рабочей частоте f₀, а с увеличением зазора крутизна уменьшается. Для каждого значения рабочей частоты f₀ можно выделить область значений межэлектродного зазора x, в пределах которой режим работы датчика будет наиболее эффективным. Критерием верхней границы этой области является достижение величины информативной девиации частоты датчика значения, равного δ_F = 0,5δ_Fmax где δ_Fmax 0.5m предельная девиация частоты пьезорезонансного датчика с вариацией межэлектродного зазора при действии измеряемого давления, которая может быть достигнута при x ∞ (3). Строго говоря, формулы (3), (4) неприемлемы при x 8 и справедливы до некоторой критической величины x_кр. Для резонаторов с пьезоэлементами АТ-среза эта величина в десятки-сотни раз превышает толщину пьезоэлемента h_пэ и область изменения x составляет 0 ≅ X <X_кр. Учитывая же необходимость на практике согласовать противоречивые требования получения максимальной девиации частоты при сохранении достаточной активности кварцевого резонатора и возможно меньшей нелинейности градуировочной характеристики датчика, целесообразно ограничить величину X_max <X_кр так, чтобы в рабочей области крутизна этой характеристики изменялась бы не более чем в четыре раза. Так, для датчиков, в которых используются плоские пьезоэлементы с частотой f₀ вблизи 1 МГц, эффективная область рабочих значений зазора составляет 0-370 мкм. Подобные датчики характеризуются низкой крутизной преобразования, поэтому их использование нерационально. Для плоских пьезоэлементов с частотой f₀ вблизи 5,10 и 30 МГц рабочая область значений зазора составляет 0-74, 0-37 и 0-12 мкм соответственно. Как видно, использование датчиков, не содержащих органов механической подстройки величины зазора, технологически затруднено в связи с необходимостью установки и контроля с высокой точностью малого начального зазора.It can be seen from the table that the slope of the conversion characteristic of the membrane displacement to the sensor frequency S _{F is} maximum at x 0 and is directly proportional to the operating frequency f ₀ , and the steepness decreases with increasing gap. For each value of the operating frequency f _0, it is possible to select the range of values of the interelectrode gap x, within which the sensor operation mode will be most effective. The criterion for the upper boundary of this field is to achieve the informative value of frequency deviation sensor value equal to δ _F = 0,5δ _Fmax where δ _Fmax 0.5m piezoresonance limit frequency deviation detector with the variation of the interelectrode gap under the action of the measured pressure which may be achieved with x ∞ (3 ) Strictly speaking, formulas (3), (4) are unacceptable for x 8 and are valid up to some critical value x _cr . For resonators with piezoelectric elements of the AT-cut, this value is tens to hundreds of times greater than the thickness of the piezoelectric element h _pe and the range of x is 0 ≅ X <X _cr . Given the need in practice to agree on conflicting requirements for obtaining maximum frequency deviation while maintaining sufficient activity of the quartz resonator and possibly the least nonlinearity of the calibration characteristics of the sensor, it is advisable to limit the value of X _max <X _cr so that in the working area the slope of this characteristic would change by no more than four times. So, for sensors that use flat piezoelectric elements with a frequency f ₀ near 1 MHz, the effective range of the operating values of the gap is 0-370 μm. Such sensors are characterized by a low steepness of conversion, so their use is irrational. For flat piezoelectric elements with a frequency f ₀ near 5.10 and 30 MHz, the working range of the gap values is 0-74, 0-37, and 0-12 μm, respectively. As you can see, the use of sensors that do not contain bodies for mechanical adjustment of the gap is technologically difficult due to the need to install and control with high accuracy a small initial gap.

Таким образом, в датчиках с модулированным межэлектродным зазором для обеспечения высокой точности измерений за счет повышения крутизны характеристики преобразования и уменьшения хода мембраны (снижение погрешности гистерезиса и нелинейности мембраны) необходимо применять кварцевые плоские пьезоэлементы АТ-среза, работающие на частотах 5 МГц <f₀ <30 МГц. При этом эффективная область рабочих значений зазора соответствует x x₀ - x_м 0-50 мкм. Если известна величина максимального хода мембраны x_Mmax под действием измеряемого давления, то величину начального зазора x₀ необходимо выбирать из условия
X_o- X_Mmax = Δ, (6)
где Δ величина, которая в идеале должна быть равна нулю, а на практике составляет 1-2 мкм.Thus, in sensors with a modulated interelectrode gap, to ensure high measurement accuracy by increasing the slope of the conversion characteristics and decreasing the membrane course (reducing the hysteresis error and nonlinearity of the membrane), it is necessary to use quartz flat piezoelectric elements of the AT-cut operating at frequencies of 5 MHz <f ₀ < 30 MHz In this case, the effective range of the working values of the gap corresponds to xx ₀ - x _m 0-50 μm. If the value of the maximum membrane travel x _Mmax under the influence of the measured pressure is known, then the value of the initial clearance x ₀ must be selected from the condition
X _o - X _Mmax = Δ, (6)
where Δ is a value that ideally should be zero, but in practice is 1-2 microns.

В устройстве-прототипе с линзовым пьезоэлементом для получения приемлемой информационной девиации частоты и обеспечения тем самым требуемой точности необходимо в 2-3 уменьшить величину x₀, одновременно увеличивая x_Mmax в пределах, допускаемых выражением (6). Очевидно, что тогда это устройство, не содержащее узла механической подстройки и фиксирующее кварцедержателем пьезоэлемент по сферической поверхности, становится практически неработоспособным.In the prototype device with a lens piezoelectric element, in order to obtain an acceptable information frequency deviation and thereby ensure the required accuracy, it is necessary to decrease x _{0 by} 2-3, while increasing x _Mmax within the limits allowed by expression (6). Obviously, then this device, which does not contain a mechanical adjustment unit and secures the piezoelectric element with a quartz holder on a spherical surface, becomes practically inoperative.

В основу изобретения поставлена задача повышения точности измерений. Предложенные в заявляемом устройстве жесткое крепление кварцедержателя с плоским пьезоэлементом в центре дополнительно введенного упругого элемента, например в виде плоской круглой пружины прорезной шайбы, с помощью заклепки с цилиндрической головкой, плоская поверхность которой находится в точечном механическом контакте со сферическим концом дополнительно введенного регулировочного винта, установленного в резьбовом отверстии в донной части основания соосно с ним, а также одновременное жесткое защемление по периметру упомянутого упругого элемента и мембраны с помощью дополнительно введенного опорного кольца и прижимной гайки, являются существенным отличием, так как такие признаки отсутствуют в известных технических решениях и позволяют получить положительный эффект, заключающийся в повышении точности измерений без усложнения конструкции датчика и при обеспечении его серийной пригодности в процессе производства даже на предприятиях с невысоким уровнем технической оснащенности. The basis of the invention is the task of improving the accuracy of measurements. The rigid holder of a quartz holder with a flat piezoelectric element proposed in the claimed device in the center of an additionally introduced elastic element, for example, in the form of a flat round spring of a slotted washer, by means of a rivet with a cylindrical head, the flat surface of which is in point mechanical contact with the spherical end of the additionally introduced adjusting screw installed in a threaded hole in the bottom of the base coaxially with it, as well as simultaneous rigid jamming around the perimeter of the aforementioned an elastic element and a membrane with the help of an additionally introduced support ring and a clamping nut, are a significant difference, since such signs are absent in the known technical solutions and allow to obtain a positive effect, which consists in increasing the accuracy of measurements without complicating the design of the sensor and ensuring its serial suitability in the process production even at enterprises with a low level of technical equipment.

Достижение положительного эффекта стало возможным по следующим причинам. Achieving a positive effect was made possible for the following reasons.

1. Вращением регулировочного винта за счет точечного механического контакта его сферического конца с плоской поверхностью заклепки обеспечивается подпружиненное плоскопараллельное перемещение кварцедержателя и вместе с ним плоского дискового пьезоэлемента, возможна установка сколь угодно малого и контролируемого по величине с весьма высокой точностью начального зазора между центральной частью мембраны и верхней поверхностью пьезоэлемента. Процедура контроля весьма проста и заключается во включении датчика в схему автогенератора и наблюдении частоты генерируемого сигнала с помощью стандартного частотомера. 1. By rotating the adjusting screw due to the point mechanical contact of its spherical end with the flat surface of the rivet, a spring-loaded plane-parallel movement of the quartz holder and with it a flat disk piezoelectric element is ensured, it is possible to set an initial clearance arbitrarily small and controlled with very high accuracy between the central part of the membrane and the top surface of the piezoelectric element. The control procedure is very simple and consists in including the sensor in the oscillator circuit and observing the frequency of the generated signal using a standard frequency meter.

Высокая разрешающая способность операции контроля установки начального зазора гарантируется большой величиной S_F (см. таблицу). Например, при f₀ 10 МГц, x₀ 40 мкм величина S_F 196 Гц/мкм. Это означает, что при относительной кратковременной нестабильности автогенератора датчика Df /f₀ 10^-7 и времени осреднения частотомера 1 с разрешающая способность операции контроля составит r 1/196 5•1^-3 мкм.The high resolution of the control operation of the initial clearance setting is guaranteed by a large S _F value (see table). For example, at f ₀ 10 MHz, x ₀ 40 μm, the value of S _{F is} 196 Hz / μm. This means that at a relative short-term instability of the oscillator sensor Df / f ₀ 10 ^-7 and 1 time averaging of the frequency with resolution control operation amount r 1/196 5 • 1 ^-3 microns.

Точность установки x₀ определяется шагом резьбы регулировочного винта, который в предлагаемом варианте конструкции составляет 0.1 мм. Упругий элемент, жестко закрепленный по периметру между выступом основания и верхней поверхностью опорного кольца, обеспечивает параллельность поверхности центральной части мембраны и свободной поверхности центральной части мембраны и свободной нижней поверхности пьезоэлемента. Эта параллельность сохраняется в процессе настройки благодаря точечному механическому контакту регулировочного винта с системой одинарного упругого подвеса кварцедержателя. Наличие реакции упругого элемента на регулировочный винт обеспечивает выбор люфта в резьбовом его соединении с основанием и контровку, которая после окончания настройки дополняется нанесением на резьбовую пару контровочной краски.The installation accuracy x ₀ is determined by the thread pitch of the adjusting screw, which in the proposed design option is 0.1 mm. The elastic element, rigidly fixed around the perimeter between the protrusion of the base and the upper surface of the support ring, ensures parallelism of the surface of the Central part of the membrane and the free surface of the Central part of the membrane and the free lower surface of the piezoelectric element. This parallelism is maintained during the adjustment process due to the point mechanical contact of the adjusting screw with the single elastic suspension of the quartz holder. The presence of the reaction of the elastic element to the adjusting screw provides a choice of play in its threaded connection with the base and adjustment, which, after finishing the adjustment, is supplemented by applying a locking paint to the threaded pair.

Таким образом, достижение высокой точности датчика давления с модуляцией зазора как, с точки зрения преобразования "давление перемещение мембраны", так и, с точки зрения преобразования "перемещение мембраны частота", требует установления весьма малого начального зазора величиной порядка десятков долей микрометров, что практически нереализуемо в устройстве-прототипе, а также в других известных технических решениях, и реализуется в заявляемом устройстве введением дополнительных элементов и связей. Благодаря этому снижается как основная, так и дополнительная температурная погрешность измерения. Thus, the achievement of high accuracy of a pressure sensor with a modulation of the gap, both from the point of view of converting the “pressure of the membrane moving” and from the point of view of converting the “moving the membrane frequency”, requires the establishment of a very small initial gap of the order of tens of fractions of micrometers, which is practically unrealizable in the prototype device, as well as in other known technical solutions, and is implemented in the inventive device by the introduction of additional elements and relationships. Due to this, both the main and the additional temperature measurement error are reduced.

2. Введение дополнительных элементов и связей, обеспечивающих механическую подстройку датчика, позволяет существенно сузить область рассеивания индивидуальных градуировочных характеристик от образца к образцу. Благодаря этому повышается точность измерения при использовании осредненной характеристики, типичного для серийного и массового производства. 2. The introduction of additional elements and connections that provide mechanical adjustment of the sensor, can significantly narrow the dispersion region of individual calibration characteristics from sample to sample. Due to this, the measurement accuracy is increased when using the averaged characteristics typical of mass and mass production.

Поставленная задача повышения точности решается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, металлическую круглую мембрану, дисковый кварцевый пьезоэлемент, установленный на поверхность кварцедержателя параллельно мембране с образованием зазора между ним и мембраной, при этом центры дискового пьезоэлемента и мембраны совпадают с продольной осью кварцедержателя, и круглый электрод, нанесенный на поверхность пьезоэлемента в центральной его части, согласно предлагаемому изобретению в него дополнительно введены металлическое основание с донной частью, внутренним выступом и внутренней проточкой, металлическое опорное кольцо, наружный диаметр которого равен наружному диаметру мембраны, заклепка с цилиндрической плоской головкой, упругий плоский элемент с отверстием в центре, через которое пропущена заклепка, и регулировочный винт со сферическим концом, причем регулировочный винт установлен в резьбовое отверстие в центре донной части металлического основания соосно с ним и контактирует сферическим концом с плоской поверхностью головки заклепки, образующей неразъемное соединение кварцедержателя с упругим элементом, жестко защемленным по периметру между внутренним выступом основания и верхней поверхностью опорного кольца, нижняя поверхность которого является опорой металлической мембраны, опорное кольцо своей наружной цилиндрической поверхностью соединено по ходовой посадке с поверхностью внутренней проточки в основании, ограниченной по глубине у донной части последнего внутренним выступом, а верхняя и нижняя поверхности опорного кольца и поверхность выступа основания параллельны поверхности кварцедержателя, при этом дисковый кварцевый пьезоэлемент выполнен плоским, а круглый электрод расположен на поверхности пьезоэлемента, противоположной мембране. The task of increasing accuracy is solved by the fact that in the pressure sensor containing a housing, a metal round membrane, a disk quartz piezoelectric element mounted on the surface of the quartz holder parallel to the membrane with the formation of a gap between it and the membrane, while the centers of the disk piezoelectric element and membrane coincide with the longitudinal axis of the quartz holder, and a round electrode deposited on the surface of the piezoelectric element in its central part, according to the invention, a metal base is additionally introduced into it with a bottom part, an inner protrusion and an inner groove, a metal support ring, the outer diameter of which is equal to the outer diameter of the membrane, a rivet with a cylindrical flat head, an elastic flat element with a hole in the center through which the rivet is passed, and an adjusting screw with a spherical end, and the adjusting screw is installed in a threaded hole in the center of the bottom of the metal base coaxially with it and is in contact with the spherical end with the flat surface of the rivet head forming a nera removable connection of the quartz holder with an elastic element rigidly clamped around the perimeter between the inner protrusion of the base and the upper surface of the support ring, the lower surface of which is the support of the metal membrane, the support ring is connected by its outer cylindrical surface to the surface of the groove in the base, limited in depth at the bottom of the latter with an inner protrusion, and the upper and lower surfaces of the support ring and the surface of the protrusion of the base are parallel to NOSTA kvartsederzhatelya, the piezo crystal disc is flat, but a round electrode is disposed on the surface of piezoelectric element opposite to the membrane.

На чертеже изображен датчик давления. The drawing shows a pressure sensor.

Предложенный датчик давления состоит из полистиролового корпуса 1, содержащего штуцер и шесть установочных штырей, обеспечивающих механическое закрепление датчика на монтажной плите. С помощью клея корпус 1 соединен с металлическим (для металлических деталей использован материал Д16 с хроматно-фосфатным покрытием) основанием 2. The proposed pressure sensor consists of a polystyrene housing 1, containing a fitting and six mounting pins, providing mechanical fastening of the sensor to the mounting plate. Using glue, the housing 1 is connected to a metal base (metal material D16 with a chromate-phosphate coating was used) for base 2.

Между верхней проточкой основания 2 и прижимной гайкой 11 установлено уплотнительное кольцо 12. На выступ основания 2 у донной его части установлен узел кварцедержателя, содержащий соосно соединяемые заклепку с цилиндрической головкой 4, упругий элемент в виде плоской круглой пружины прорезной шайбы 5, кварцедержатель 6. Элементы 4-6 жестко соединены развальцовкой оконечной части закрепки 4. Упругий элемент 5 выполнен из сплава 36НХТЮ. На рабочую поверхность кварцедержателя 6 с помощью клея соосно с кварцедержателем установлен плоский дисковый пьезоэлемент 3 среза АТ, на поверхность, обращенную к кварцедержателю 6 которого напылен круглый электрод, соединенный электрически потенциальным выводом датчика 7, выполненным из провода ПЭЛШО 0.25 и выведенным наружу датчика в отверстие в донной части основания 2 через отверстия к кварцедержателе 6 и упругом элементе 5. A sealing ring 12 is installed between the upper groove of the base 2 and the clamping nut 11. A quartz holder assembly is mounted on the protrusion of the base 2 at its bottom, comprising a coaxially connected rivet with a cylindrical head 4, an elastic element in the form of a flat round spring of a slotted washer 5, a quartz holder 6. Elements 4-6 are rigidly connected by flaring the end of the fastener 4. The elastic element 5 is made of alloy 36NHTY. A flat disk piezoelectric element 3 of cut АТ is mounted on the working surface of the quartz holder 6 with the help of glue coaxially with the quartz holder, on the surface facing the quartz holder 6 a circular electrode is sprayed, connected electrically by the potential output of the sensor 7, made of PELSHO 0.25 wire and brought out of the sensor into the hole in the bottom of the base 2 through the holes to the quartz holder 6 and the elastic element 5.

Упругий элемент 5 защемлен по контуру между выступом основания 2 и металлическим опорным кольцом 8 усилием, создаваемым прижимной гайкой 11 и осуществляющим одновременно защемление по контуру и мембраны 10. Опорное кольцо 8 выполнено с соблюдением требования параллельности опорных плоскостей, своей наружной цилиндрической поверхностью соединено по ходовой посадке с поверхностью внутренней проточки в основании 2. Усилие защемления как упругого элемента 5, так и мембраны 10, образуется при перемещении прижимной гайки 11 по ее резьбовому соединению с основанием 2 и передается на мембрану 10
опорное кольцо 8 упругий элемент 5 основание 2 поверхностью выступа прижимной гайки 11. В этой гайке имеется сквозное отверстие для передачи воздуха в камеру давления, а также два глухих отверстия под торцевой ключ. Такая система жесткой фиксации узла кварцедержателя и мембраны 10 обеспечивает параллельность поверхности ее центральной части свободной поверхности пьезоэлемента 3 и их соосность при минимуме деталей датчика и без применения сварочных операций. Величина начального зазора между этими поверхностями устанавливается регулировочным винтом 9, механически контактирующим своей сферической оконечной частью с плоской частью головки заклепки 4 и установленным в резьбовое отверстие в центре донной части основания 2. Толщина опорного кольца 8 такова, что величина начального зазора между кварцевым пьезоэлементом 3 и мембраной 10 достигает требуемого значения (41-42 мкм для f₀ 1- МГц) лишь при наличии прогиба упругого элемента 5 под действием поджатия последнего регулировочным винтом 9. Наличие точечного контакта между оконечной сферической частью этого винта с поверхностью головки заклепки 4 обеспечивает плоскопараллельное перемещение пьезоэлемента 3 даже при реально имеющем место отклонении продольной оси регулировочного винта 9 от оси датчика, а также устраняет образование закручивающего момента относительно оси вращения винта 9, действующего на узел кварцедержателя в процессе настройки.The elastic element 5 is clamped along the contour between the protrusion of the base 2 and the metal support ring 8 by the force created by the clamping nut 11 and simultaneously clamping along the contour and the membrane 10. The support ring 8 is made in compliance with the parallelism of the support planes, its outer cylindrical surface is connected along the landing fit with the surface of the inner groove in the base 2. The pinching force of both the elastic element 5 and the membrane 10 is formed when the clamping nut 11 is moved along its threaded joint eniyu base 2, and is transmitted to the diaphragm 10
support ring 8 elastic element 5 base 2 by the surface of the protrusion of the clamping nut 11. This nut has a through hole for transmitting air to the pressure chamber, as well as two blind holes for the socket wrench. Such a rigid fixation system of the quartz holder assembly and the membrane 10 ensures parallelism of the surface of its central part of the free surface of the piezoelectric element 3 and their alignment with a minimum of sensor parts and without the use of welding operations. The size of the initial gap between these surfaces is set by the adjusting screw 9, mechanically in contact with its spherical end part with the flat part of the rivet head 4 and installed in the threaded hole in the center of the bottom of the base 2. The thickness of the support ring 8 is such that the size of the initial gap between the quartz piezoelectric element 3 and membrane 10 reaches the desired value (41-42 microns for f ₀ 1 MHz) only if there is a deflection of the elastic element 5 under the action of preloading the latter with the adjusting screw 9. The presence of contact between the end spherical part of this screw and the surface of the rivet head 4 ensures a plane-parallel movement of the piezoelectric element 3 even when the longitudinal axis of the adjusting screw 9 deviates from the axis of the sensor, and also eliminates the formation of torque relative to the axis of rotation of the screw 9 acting on the quartz holder assembly in setup process.

Реакция деформированного упругого элемента 5 на настроечный винт 9 выбирает люфты резьбового соединения последнего с основанием 2, обеспечивая постоянство установленного начального зазора между мембраной 10 и свободной поверхностью пьезоэлемента 3 в процессе эксплуатации датчика. The reaction of the deformed elastic element 5 to the adjusting screw 9 selects the backlash of the threaded connection of the latter with the base 2, ensuring the constancy of the established initial clearance between the membrane 10 and the free surface of the piezoelectric element 3 during operation of the sensor.

В донной части основания 2 имеются два технологических глухих отверстия с резьбой, предназначенной для фиксации основания в процессе сборки датчика. In the bottom of the base 2 there are two blind blind holes with threads designed to fix the base during the assembly of the sensor.

Собранный датчик устанавливается в отверстие в печатной плате прибора: большое по диаметру основания 2 и шесть малых по диаметру крепежных штырей. Поверхность наружного выступа основания 2 выполняет роль корпусного электрода датчика и контактирует с корпусной шиной на печатной монтажной плате прибора. The assembled sensor is installed in the hole in the instrument circuit board: large in diameter of the base 2 and six small in diameter mounting pins. The surface of the outer protrusion of the base 2 acts as a housing electrode of the sensor and is in contact with the housing bus on the printed circuit board of the device.

Заявляемый датчик избыточного воздушного давления работает следующим образом. The inventive excess air pressure sensor operates as follows.

При отсутствии избыточного по отношению к атмосферному давления воздуха в манжете, присоединенной трубкой к штуцерной части корпуса 1, деформация мембраны 10 отсутствует, так как внутренний объем основания 2 не герметизирован и давление на мембрану 10 с обеих ее сторон одинаково. Кварцевый резонатор, образованный пьезоэлементом 3 и металлической мембраной 10 и включенный в схему автогенератора первичного измерительного преобразователя (не показан) потенциальным выводом 7 и корпусным общим выводом датчика поверхностью наружного выступа основания 2, возбуждается на частоте, соответствующей нулевому избыточному давлению. С выхода автогенератора снимается информационный сигнал, частота которого соответствует началу градуировочной характеристики датчика. При давлении в манжете, превышающем атмосферное, происходит прогиб мембраны 10, в результате чего величина зазора между свободной поверхностью пьезоэлемента 3 и поверхностью центральной части этой мембраны уменьшается. Это приводит к снижению резонансной частоты кварцевого резонатора с переменным зазором и снижению по сравнению с предыдущей ситуацией частоты информационного сигнала, снимаемого с выхода автогенератора и поступающего на вход вторичного измерительного преобразователя, либо непосредственно регистрируемого частотомером. In the absence of excess air relative to atmospheric pressure in the cuff connected by a tube to the fitting part of the housing 1, there is no deformation of the membrane 10, since the internal volume of the base 2 is not sealed and the pressure on the membrane 10 from both sides is the same. A quartz resonator formed by a piezoelectric element 3 and a metal membrane 10 and included in the oscillator circuit of the primary measuring transducer (not shown) by the potential terminal 7 and the housing common terminal of the sensor by the surface of the outer protrusion of the base 2 is excited at a frequency corresponding to zero overpressure. An information signal is taken from the output of the oscillator, the frequency of which corresponds to the beginning of the calibration characteristic of the sensor. When the pressure in the cuff exceeds atmospheric, the membrane 10 deflects, as a result of which the gap between the free surface of the piezoelectric element 3 and the surface of the central part of this membrane decreases. This leads to a decrease in the resonant frequency of the quartz resonator with a variable gap and a decrease in comparison with the previous situation of the frequency of the information signal taken from the output of the oscillator and fed to the input of the secondary measuring transducer, or directly recorded by the frequency meter.

Величина перемещения центральной части мембраны 10 с высокой степенью точности прямо пропорциональна избыточному давлению, а преобразование этого перемещения в частоту определяется формулой (1). Практически полное отсутствие гистерезиса, стабильность характеристик обоих преобразований и возможность оптимального выбора начального зазора обеспечивают достижение повышения почти на порядок точности и разрешающей способности заявляемого датчика по сравнению с известными. The magnitude of the displacement of the central part of the membrane 10 with a high degree of accuracy is directly proportional to the excess pressure, and the conversion of this displacement into frequency is determined by the formula (1). The almost complete absence of hysteresis, the stability of the characteristics of both transformations, and the possibility of an optimal choice of the initial gap provide an increase in the accuracy and resolution of the claimed sensor by almost an order of magnitude in comparison with the known ones.

Claims

A pressure sensor comprising a housing, a circular metal membrane, a quartz disk piezoelectric element mounted on the surface of the quartz holder parallel to the membrane with a gap between it and the membrane, the centers of the disk piezoelectric element and membrane coincide with the longitudinal axis of the quartz holder, and a round electrode deposited on the surface of the piezoelectric element in its central part, characterized in that it additionally introduced a metal base with a bottom part, an internal protrusion and an internal groove, metallic a support ring with an outer diameter equal to the outer diameter of the membrane, a rivet with a cylindrical flat head, an elastic flat element with a hole in the center through which the rivet is passed, and an adjusting screw with a spherical end, the adjusting screw being installed in a threaded hole in the center of the bottom of the metal the base coaxially with it and is in contact with the spherical end with the flat surface of the rivet head, forming an inseparable connection of the quartz holder with an elastic element, are rigidly pinched along the perimeter between the inner protrusion of the base and the upper surface of the support ring, the lower surface of which is the support of the metal membrane, the support ring is connected by its outer cylindrical surface along the landing fit with the surface of the inner groove in the base, limited in depth at the bottom of the latter by the inner protrusion, and the upper and the lower surface of the support ring and the surface of the protrusion of the base are parallel to the surface of the quartz holder, while the disk quartz piezoelectric element is made flat, and a round electrode is located on the surface of the piezoelectric element opposite the membrane.