RU2743633C1 - Piezoelectric pressure sensor - Google Patents
Piezoelectric pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743633C1 RU2743633C1 RU2020120298A RU2020120298A RU2743633C1 RU 2743633 C1 RU2743633 C1 RU 2743633C1 RU 2020120298 A RU2020120298 A RU 2020120298A RU 2020120298 A RU2020120298 A RU 2020120298A RU 2743633 C1 RU2743633 C1 RU 2743633C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric
- sensitive element
- glass
- current collector
- piezoelectric element
- Prior art date
Links
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 24
- 230000035939 shock Effects 0.000 abstract description 9
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229920001342 Bakelite® Polymers 0.000 description 1
- 206010011878 Deafness Diseases 0.000 description 1
- 239000004637 bakelite Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
Abstract
Description
Заявленное устройство относится к приборостроению, в частности к измерителям динамического давления в широких диапазонах давлений и скоростей их изменений. При моделировании аэродинамических процессов в аэродинамических и ударных трубах требуется минимизация датчиков давления. Минимизация размеров датчиков без ущерба их функциональности позволяет максимально разместить их на поверхностях моделей для идентификации поля давления. Датчики должны иметь минимальное время отклика для регистрации давления в высокоскоростных воздушных потоках.The claimed device relates to instrumentation, in particular to measuring dynamic pressure in a wide range of pressures and rates of change. When simulating aerodynamic processes in wind tunnels and shock tunnels, it is required to minimize pressure sensors. Minimizing the size of the sensors without compromising their functionality allows them to be maximally placed on the surfaces of the models to identify the pressure field. Sensors must have the shortest response time to register pressure in high speed air streams.
Известен «Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления» (Патент на изобретение РФ №2489694, МПК G01L 9/08, опубл. 20.08.2013, которым изготавливают датчик, содержащий не менее двух пьезоэлементов, поджатых корпусом с мембраной, которую выполняют с жестким центром, осуществляют герметичное соединение корпуса с основанием, после чего нагружают мембрану избыточным давлением, величина которого больше верхней границы измеряемого диапазона, до пластической деформации части мембраны. Отношение диаметра жесткого центра к диаметру мембраны выбирают из диапазона больше 0,65, но меньше 1. The known "Method of manufacturing a piezoelectric pressure sensor" (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2489694, IPC G01L 9/08, publ. 08/20/2013, which produces a sensor containing at least two piezoelectric elements, compressed by a body with a membrane, which is performed with a rigid center, is carried out tight connection of the body to the base, after which the membrane is loaded with excess pressure, the value of which is greater than the upper limit of the measured range, until plastic deformation of the part of the membrane.The ratio of the diameter of the rigid center to the diameter of the membrane is selected from the range greater than 0.65, but less than 1.
Недостаток устройства – в наличии мембраны между источником давления и чувствительным пьезоэлементом. Мембрана с жестким центром увеличивает инерционность устройства, что не позволяет использовать устройство для регистрации динамического давления высоко- и гиперзвуковых потоков. Наличие двух чувствительных пьезоэлементов, при неидентичности структур пьезоэлементов может привести к погрешности коэффициента передач датчика давления.The disadvantage of the device is the presence of a membrane between the pressure source and the sensitive piezoelectric element. A membrane with a rigid center increases the inertia of the device, which does not allow the device to be used for recording the dynamic pressure of high- and hypersonic flows. The presence of two sensitive piezoelectric elements, if the structures of the piezoelectric elements are not identical, may lead to an error in the transmission ratio of the pressure sensor.
Известен «Способ изготовления пьезоэлектрического датчика давления» (патент на изобретение РФ № 2339013, МПК G01L 9/08, опубл. 20.11.2008) которым изготавливают датчик для измерения быстропеременных и акустических давлений. При изготовлении пьезоэлектрического датчика давления пьезоэлементы с электродами, изоляторами, тонкостенным кожухом и силопередающим элементом, его устанавливают на основание, а затем закрепляют в технологическом корпусе. Все детали сборки чувствительного элемента с рассчитанным усилием стягивают в тонкостенном кожухе, сопрягающемся по периметру с одного торца с силопередающим элементом, а с другого - с основанием. Сопряжения в нижней части технологического корпуса выполнены с пазами. Чувствительный элемент устанавливают в корпус датчика и производят герметизацию внутренней полости датчика с помощью сварки корпуса с основанием. Known "Method of manufacturing a piezoelectric pressure sensor" (patent for invention of the Russian Federation No. 2339013, IPC G01L 9/08, publ. 20.11.2008) which produces a sensor for measuring rapidly changing and acoustic pressures. In the manufacture of a piezoelectric pressure sensor, piezoelectric elements with electrodes, insulators, a thin-walled casing and a force-transmitting element are installed on the base and then fixed in the technological case. All parts of the assembly of the sensing element are pulled together with a calculated force in a thin-walled casing, which is mated along the perimeter from one end to the force-transmitting element, and from the other to the base. Mates in the lower part of the technological body are made with grooves. The sensing element is installed in the sensor body and the internal cavity of the sensor is sealed by welding the body to the base.
Недостаток устройства – в инерционности устройства, содержащем силопередающий элемент, выполняющий роль утолщенной мембраны. The disadvantage of the device is the inertia of the device, which contains a force-transmitting element that acts as a thickened membrane.
Содержание не одного, а трех чувствительных пьезоэлементов, из-за не идентичности структур пьезоэлементов, может привести к погрешность коэффициента передач датчика давления.The content of not one, but three sensitive piezoelectric elements, due to the non-identity of the structures of the piezoelectric elements, can lead to an error in the transmission ratio of the pressure sensor.
Наиболее близким техническим решением является «Пьезоэлектрический датчик давления» (Патент на изобретение № 2523091, МПК G01L 9/08 опубл. 27.02.2014), содержащий корпус с мембраной, в котором расположен чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлементов, токосъемника, расположенного между пьезоэлементами, и основания. Тонкостенный стакан закрывает чувствительный элемент и поджимает его к основанию датчика с усилием, равным суммарному усилию от максимально возможного воздействия на мембрану статического и динамического давлений. Размеры стакана определены согласно математическому выражению: h=(0,16…0,3)*D/2. Здесь: h - высота стакана; D - внешний диаметр стакана. Дно стакана выполнено толщиной, обусловленной исключением прогиба мембраны в центральной части стакана.The closest technical solution is the "Piezoelectric pressure sensor" (Patent for invention No. 2523091, IPC G01L 9/08 publ. 02/27/2014), containing a housing with a membrane, in which a sensitive element is located, consisting of piezoelectric elements, a current collector located between the piezoelectric elements, and foundations. A thin-walled glass covers the sensitive element and presses it to the base of the sensor with a force equal to the total force from the maximum possible effect on the membrane of static and dynamic pressures. The dimensions of the glass are determined according to the mathematical expression: h = (0.16 ... 0.3) * D / 2. Here: h - glass height; D is the outer diameter of the glass. The bottom of the glass is made with a thickness due to the exclusion of membrane deflection in the central part of the glass.
Недостаток устройства – в наличии глухой, утолщенной мембраны между источником давления и чувствительным пьезоэлементом. Этот факт увеличивает инерционность устройства, что снижает быстродействие устройства при измерении давления высоко- и гиперзвуковых потоков.The disadvantage of the device is the presence of a deaf, thickened membrane between the pressure source and the sensitive piezoelectric element. This fact increases the inertia of the device, which reduces the speed of the device when measuring the pressure of high- and hypersonic flows.
Устройство содержит не один, а два чувствительных пьезоэлемента, однако из-за не идентичности структур пьезоэлементов возможна погрешность коэффициента передач датчика давления.The device contains not one, but two sensitive piezoelectric elements, however, due to the non-identical structures of the piezoelectric elements, an error in the transmission ratio of the pressure sensor is possible.
Технический результат заявленного устройства направлен на минимизацию инерционности датчика и повышение точности измерения.The technical result of the claimed device is aimed at minimizing the inertia of the sensor and increasing the measurement accuracy.
Технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике давления, содержащем корпус, стакан, в котором расположен чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлемента и токосъемника, стакан закрывает чувствительный элемент и поджимает его к основанию датчика с усилием, равным суммарному усилию от максимально возможного воздействия на чувствительный элемент статического и динамического давлений, стакан выполнен из диэлектрика и закрывает боковую поверхность чувствительного элемента по скользящей посадке, в корпус введена крышка с множественной перфорацией, а передний торец пьезоэлемента введен второй токосъемник, связанный с электрическим возбудителем обратного пьезоэффекта с малой амплитудой и частотой, близкой к частоте собственных колебаний пьезоэлемента.The technical result is achieved by the fact that in a piezoelectric pressure sensor containing a housing, a glass in which a sensitive element is located, consisting of a piezoelectric element and a current collector, the glass closes the sensitive element and presses it to the base of the sensor with a force equal to the total force from the maximum possible impact on the sensitive element of static and dynamic pressure, the glass is made of dielectric and closes the lateral surface of the sensitive element along a sliding fit, a cover with multiple perforations is introduced into the housing, and a second current collector is introduced into the front end of the piezoelectric element, connected to an electric exciter of the reverse piezoelectric effect with a small amplitude and frequency close to frequency of natural vibrations of the piezoelectric element.
Кроме того, скользящая посадка стакана выполнена в виде колец, а остальное соединение боковой поверхности стакана с чувствительным элементом выполнено по свободной посадке.In addition, the sliding fit of the glass is made in the form of rings, and the rest of the connection of the side surface of the glass with the sensitive element is made in a loose fit.
Пьезоэлектрический датчик давления представлен на фиг.1, а вариант пьезоэлектрического датчика давления с кольцами показан на фиг.2. A piezoelectric pressure sensor is shown in FIG. 1, and an embodiment of a piezoelectric pressure sensor with rings is shown in FIG. 2.
На фигурах: 1- пьезоэлемент, 2- второй токосъемник (металлизация переднего торца пьезоэлемента), 3 - первый токосъемник (металлизация заднего торца пьезоэлемента), 4 - стакан, 5 - корпус, 6 – крышка с множественной перфорацией.In the figures: 1 - piezoelectric element, 2 - second current collector (metallization of the front end of the piezoelectric element), 3 - first current collector (metallization of the rear end of the piezoelectric element), 4 - glass, 5 - body, 6 - cover with multiple perforations.
Пьезоэлектрический датчик давления имеет пьезоэлемент 1 с токосъемниками 2 и 3 , выполненных в виде металлизации передней и задней кромок, с припаянными к ним проводниками. Пьезоэлемент 1 установлен в стакан 4, монтируемый в корпус 5 , который закрывается крышкой 6 с множественной перфорацией. Стакан 4 выполнен из изоляционного материала, например, из бакелита или карболита. Он закрывает боковую поверхность чувствительного элемента по скользящей посадке (фиг.1) . Скользящая посадка стакана 4 может быть выполнена в виде колец, а остальное соединение боковой поверхности стакана с чувствительным элементом выполнено по свободной посадке (фиг.2.). Проводник от первого токосъемника 3 соединен с регистрирующей аппаратурой. Второй токосъемник 2 соединен с источником возбуждения обратного пьезоэффекта пьезоэлемента с малой амплитудой и частотой, близкой к собственной частоте пьезоэлемента. При изготовлении вытачивают стакан 4 по плотной посадке, далее внутри шлифовальной коронкой стакан стачивается и внутренняя поверхность стакана 4 становится гладкой как на фиг.1., или с зубцами, Потом под давлением вставляют пьезокристал. Перед эксплуатацией устройство нагружают на минимальное и максимальное давление, регулируют жесткую посадку чувствительного элемента в стакане 4, а последнего – в корпусе 5. При этом фиксируют соответствующие выходные сигналы. По сигналам, соответствующим минимальному и максимальному давлению определяют коэффициент передачи заявленного устройства и максимальную погрешность. Достаточность перфораций в крышке 6 определяется по максимальному выходному сигналу.The piezoelectric pressure sensor has a
Вибрация переднего торца пьезоэлемента 1 от обратного пьезоэффекта позволяет понизить порог трогания. Время отклика пъезоэлектрического датчика давления определяется лишь самим пьезоэлементом 1 за счет отсутствия мембраны. Крышка с множественной перфорацией 6 корпуса 5 защищает пъезоэлектрического датчика давления от осколков мембран при инициировании ударной волны, и позволяет контактировать давлению ударной волны с передним торцом пьезодатчика. Vibration of the front end of the
Работает устройство следующим образом. Собранное и проградуированное устройство устанавливается в объект. Например, в стенку ударной трубы кратковременного действия или в модель перед гиперзвуковым соплом [1]. Весь корпус датчика находится в толще экспериментальной установки, поэтому за короткое время прохождения ударной волны, влияния колебания корпуса практически не происходит из-за разницы скоростей ударной волны в вакуумном канале и волны в металле массивного корпуса установки. На поверхности канала ударной трубы, заподлицо выставляется крышка с множественной перфорацией 6 датчика. Второй токосъемник 2 на переднем торце датчика, подключен к источнику, вызывающего колебания пьезоэлемента с малой амплитудой и частотой, близкой к частоте собственных колебаний пьезоэлемента.The device works as follows. The assembled and graduated device is installed in the object. For example, into the wall of a short-term shock tube or into a model in front of a hypersonic nozzle [1]. The entire body of the sensor is located in the thickness of the experimental setup, therefore, for a short time of passage of the shock wave, the effect of vibration of the housing practically does not occur due to the difference in the velocities of the shock wave in the vacuum channel and the wave in the metal of the massive body of the setup. On the surface of the channel of the shock tube, a cover with
При прохождении фронта ударной волны, с заднего торца 3 датчика снимается сигнал, пропорциональный давлению. When the front of the shock wave passes, a signal proportional to the pressure is removed from the
Пьезоэлемент имеет высокую собственную частоту колебания
где
изменение линейных размеров пьезоэлемента:changing the linear dimensions of the piezoelectric element:
будет определяться, в основном, вторым слагаемым. Амплитудно-частотная характеристика определится выражением:will be determined mainly by the second term. The frequency response is determined by the expression:
Чувствительность пьезоэлемента повышается при приближении
где добротность where is the quality factor
пьезоэлемента известна до установки его в устройство. The piezoelectric element is known prior to its installation in the device.
Амплитуда вынужденных колебаний регулируется напряженностью Е электрического поля. При этом пьезомодуль обратного пьезоэффекта, также как и добротность пьезоэлемента известны до установки пьезоэлемента в устройство.The amplitude of the forced oscillations is regulated by the strength E of the electric field. In this case, the piezoelectric module of the inverse piezoelectric effect, as well as the figure of merit of the piezoelectric element, are known before the piezoelectric element is installed in the device.
Таким образом, чувствительность заявленного устройства повышается, пьезоэлемент и его передняя кромка как бы вибрируют около своего нового нуля, чувствительность повышается. Кроме того, отсутствие жесткой инерционной мембраны, увеличивающей параметры
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020120298A RU2743633C1 (en) | 2020-06-18 | 2020-06-18 | Piezoelectric pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020120298A RU2743633C1 (en) | 2020-06-18 | 2020-06-18 | Piezoelectric pressure sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2743633C1 true RU2743633C1 (en) | 2021-02-20 |
Family
ID=74666130
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020120298A RU2743633C1 (en) | 2020-06-18 | 2020-06-18 | Piezoelectric pressure sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2743633C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1080043A1 (en) * | 1982-12-24 | 1984-03-15 | Харьковский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Н.Е.Жуковского | Piezoelectric pressure pickup (its versions) |
US4441044A (en) * | 1981-05-20 | 1984-04-03 | Hans List | Transducer with a piezoelectric sensor element |
SU1283558A1 (en) * | 1984-11-10 | 1987-01-15 | Проектно-конструкторское бюро электрогидравлики АН УССР | Pressure transducer |
SU1760413A1 (en) * | 1990-09-24 | 1992-09-07 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Pressure transducer |
RU2339013C1 (en) * | 2007-04-20 | 2008-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of piezoelectric pressure transducer production |
RU2489694C2 (en) * | 2011-07-13 | 2013-08-10 | ООО "ГлобалТест" | Manufacturing method of piezoelectric pressure sensor |
RU2523091C2 (en) * | 2012-08-23 | 2014-07-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Piezoelectric pressure transducer |
-
2020
- 2020-06-18 RU RU2020120298A patent/RU2743633C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4441044A (en) * | 1981-05-20 | 1984-04-03 | Hans List | Transducer with a piezoelectric sensor element |
SU1080043A1 (en) * | 1982-12-24 | 1984-03-15 | Харьковский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Н.Е.Жуковского | Piezoelectric pressure pickup (its versions) |
SU1283558A1 (en) * | 1984-11-10 | 1987-01-15 | Проектно-конструкторское бюро электрогидравлики АН УССР | Pressure transducer |
SU1760413A1 (en) * | 1990-09-24 | 1992-09-07 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Pressure transducer |
RU2339013C1 (en) * | 2007-04-20 | 2008-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of piezoelectric pressure transducer production |
RU2489694C2 (en) * | 2011-07-13 | 2013-08-10 | ООО "ГлобалТест" | Manufacturing method of piezoelectric pressure sensor |
RU2523091C2 (en) * | 2012-08-23 | 2014-07-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Piezoelectric pressure transducer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Scheeper et al. | A new measurement microphone based on MEMS technology | |
US4098133A (en) | Vibrating diaphragm fluid pressure sensor device | |
GB2125213A (en) | Piezoelectric transducer notably for pressure measurement | |
US4085349A (en) | Piezo electric transducer for measuring instantaneous vibration velocity | |
JP2008232886A (en) | Pressure sensor | |
CN105158507A (en) | Fiber grating acceleration sensor and manufacturing method thereof | |
Rahaman et al. | Effect of torsional beam length on acoustic functionalities of bio-inspired piezoelectric MEMS directional microphone | |
RU2743633C1 (en) | Piezoelectric pressure sensor | |
US10935679B2 (en) | Coupling evaluation geophone and method for eliminating ground-geophone coupling effect | |
US9140619B2 (en) | Piezoelectric vacuum gauge and measuring method thereof | |
Kälvesten et al. | Small piezoresistive silicon microphones specially designed for the characterization of turbulent gas flows | |
US7380459B1 (en) | Absolute pressure sensor | |
Löfdahl et al. | Small silicon based pressure transducers for measurements in turbulent boundary layers | |
Willmarth | Unsteady force and pressure measurements | |
RU2815862C1 (en) | Piezoelectric shock wave pressure sensor | |
SU1270593A1 (en) | Piezoelectric pressure transducer | |
RU2776043C1 (en) | Ultrasonic piezoelectric transducer | |
SU888045A1 (en) | Acceleration sensor | |
CN115183741B (en) | Optical fiber grating inclination sensor | |
RU2043610C1 (en) | Acoustic pressure transducer | |
CA1106638A (en) | Vibrating diaphragm fluid pressure sensor device | |
CN117870844A (en) | Resonance high-sensitivity detection acoustic vector hydrophone realized by utilizing resonance characteristic of second-order inertial system, and design method and working method thereof | |
CA1106639A (en) | Vibrating diaphragm fluid pressure sensor device | |
SU1157462A1 (en) | Accelerometer | |
JPH05118933A (en) | Strain sensor |