SU1177696A1 - Датчик давления - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических величин .

Целью изобретения является расши- 5 рение рабочего диапазона и повышение чувствительности датчика.

На фиг. 1 представлена схема датчика давления; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - блоксхема обработки сигнала датчика; на фиг. 4 - схема принципа работы датчика.

Датчик давления содержит корпус 1, в котором размещены основной 2 '5

и дополнительный 3 деформируемые упругие элементы. Основной деформируемый упругий элемент 2 выполнен в монолитном кристалле 4 из пьезоэлектрического материала в виде мемб-ίθ раны, на поверхности которой размещены излучающий 5 и приемный 6 преобразователи поверхностных акустических волн (ПАВ) встречно-штыревого типа. Параллельно плоскости пьезо- ^5 электрической мембраны 2 на расстоянии, равном длине ПАВ, между излучающим 5 и приемным 6 встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) в корпусе 1 закреплен по периметру 30 дополнительный деформируемый упругий элемент 3, выполненный в виде тонкой металлической мембраны, электрически соединенной с земляной точкой датчика. Между активной поверхностью 35 7 пьезоэлектрической мембраны 2, внутренней поверхностью металлической мембраны 3 и внутренней поверхностью корпуса 1 образована герметизированная рабочая полость 8. На 40 внутренней поверхности корпуса 1 выполнена кольцевая выемка 9, расположенная над ВШП 5 и ВШП 6, которые соединены соответственно с контактными площадками 10 и 11, размещенны- 45 ми на диаметрально противоположных краях пьезоэлектрической мембраны 2. Между корпусом 1 и контактными площадками 10 и И размещена упругая диэлектрическая кольцевая прокладка 50 12, изолирующая контактные площадки 10 и 11 от корпуса 1 и герметизирую* щая рабочую полость 8, в которой, в зависимости от диапазона измерений, при сборке датчика через откачной 55. штенгель 13 с герметичным припойным уплотнением 14 создается требуемое давление. Контакт поверхностей мембран 2 и 3 с окружающей средой осуществляется через входные отверстия 15 и 16 соответственно. Жесткость металлической мембраны 3 выбирается по крайней мере на порядок меньше жесткости пьезоэлектрической мембраны 2. Для обработки сигнала датчика может быть использована схема, содержащая генератор 17 импульсов, один из выходов которого подключен к контактным площадкам 10 ВШП 5, а другой, через схему 18 задержки - к второму входу устройства 19 измерения интервалов времени, первый вход которого соединен с контактными площадками 11 ВШП 6, а выход - с входом 'блока 20 индикации.

Датчик давления работает"следующим образом.

Принцип действия датчика заключается в измерении времени задержки ПАВ между излучающим 5 и приемным 6 ВШП. Импульсный сигнал с первого выхода генератора 17 импульсов подается через контактные площадки 10, изолированные от корпуса 1 датчика кольцевой диэлектрической прокладкой 12, на излучающий ВШП 5, который за счет обратного пьезоэффекта преобразует электрический сигнал в ПАВ, распространяющуюся по активной поверхности 7 пьезоэлектрической мембраны 2, изолированной в рабочей полости 8 от влияния внешней окружающей среды герметизирующим корпусом 1. Время прохождения ПАВ от ВШП 5 до ВШП 6 изменяется в зависимости от величины деформации пьезоэлектрической 2 и металлической 3 мембран, взаимодействующих с окружающей средой внешними поверхностями через вы- полненные в корпусе 1 входные отверстия 15 и 16 соответственно. Для определения величины изменений времени прохождения ПАВ с второго выхода генератора 17 импульсов через схему 18 задержки на второй вход устройства 19 измерения интервалов времени подаются опорные синхронные импульсы. При этом на первый вход устройства 19, подключенный к контактным площадкам 11, поступает сигнал с приемного ВШП 6, куда через определенное время задержки поступает ПАВ, преобразующаяся за счет прямого пьезоэффекта в электрический сигнал. Время задержки импульсов воспроизводится с помощью блока 20

3

индикации, градуированного в единицах давления.

Для измерения внешнего давления, окружающей среды Р_в в рабочей полости 8 датчика, увеличенной за счет выполнения кольцевой выемки 9, предварительно создается давление Р_о , величина которого меньше Р.

Создание давления Р_о в рабочей полости 8 осуществляется при сборке датчика через откатный штенгель 13, после чего рабочая полость 8 герметизируется припойным уплотнителем 14. Выполнение условия необходимо для болёе полного использования

диапазона измеряемых давлений окружающей среды Р, поскольку точная и достоверная информация о внешних давлениях поступает с датчика тогда, когда пьезоэлектрическая 2 и металлическая 3 мембраны расположены в пределах зон А и В, показанных на фиг. 4 штриховкой. Эти зоны ограничены двумя крайними положениями ί\κρ ^{и Р}2кр мембран 2 и 3, где Р_7кр положение, в котором мембраны 2 и 3 параллельны между собой; Р₂«р ~ положение, в котором между мембранами 2 и 3 возникает точечный контакт.

При измерении внешнего давления Р в диапазоне Р₁ -Р₂ имеет место деформация пьезоэлектрической 2 и металлической 3 мембран. Деформация пьезоэлектрической мембраны 2 приводит к увеличению длины пути Е распространения ПАВ и, следовательно, к увеличению времени задержки. Кроме того, в результате прогиба мембран 2 и 3 уменьшается расстояние между активной поверхностью 7 мембраны 2 и внутренней поверхностью металлической мембраны 3, вследствие чего увеличивается электрическое нагружение поверхности распространения ПАВ и за счет этого уменьшается скорость распространения ПАВ, что также приводит к увеличению времени задержки. За счет увеличения времени

1177696 4

задержки распространения ПАВ вследствие электрического нагружения активной поверхности 7 мембраны 2 металлической мембраной 3, имеющей 5 жёсткость, как минимум, на порядок меньшую, чем жесткость мембраны 2, значительно увеличивается чувствительность датчика механических величин. Наличие дополнительной металЮ лической мембраны 3 позволяет расширить диапазон измерения минимальных давлений при увеличении механической прочности пьезоэлектрической мембраны 2, толщина которой может быть 15 увеличена вплоть до использования монолитной пьезоэлектрической подложки. В этом случае чувствительным элементом датчика является металлическая мембрана 3, толщина которой 20 может быть сколь угодно малой без ущерба для механической прочности ' датчика. Температурная компенсация датчика обеспечивается соответствующим выбором материалов пьезоэлектри25 ческой 2 и металлической 3 мембран. При этом необходимо учесть, что изменение времени задержки ПАВ, обусловленное деформацией пьезоэлектрической мембраны 2 вследствие теплового 30 расширения материала подложки, должно быть противоположно величине изменения времени задержки ПАВ, обусловленного увеличением скорости распространения ПАВ вследствие уменьшения электрического нагружения поверхности распространения ПАВ за счет увеличения расстояния между, мембранами 2 и 3 при сжатии материала мембраны 3 в процессе нагревания. 40 Таким свойством обладает, например, биметаллическая мембрана. При наличии металлической мембраны 3, средний коэффициент объемного расширения которой является положительным, ма45 териал Пьезоэлектрической мембраны 2 должен иметь отрицательный температурный коэффициент задержки.

1177696

А-А

фиг.З

1177696

Фиг

Claims (2)

1. ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, Содержащий корпус с установленной в нем монокристаллической мембраной, на внеш• ней поверхности которой размещены излучающий и приемный встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн и заземленный металлический электрод, размещенный

   симметрично между излучающим и приемным преобразователями параллельно плоскости мембраны на расстоянии, равном длине поверхностной акустической волны, и патрубок для подвода давления в подмембранную камеру, отличающийся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона и повышения чувствительности, металлический электрод выполнен в виде упругой мембраны, закрепленной по периметру ее окружности в корпусе, при этом между упругой мембраной и стенками корпуса образована дополнительная камера, к которой подсоедийены дополнительный патрубок для подвода измеряемого давления, а в корпусе выполнена кольцевая камера, расположенная концентрично упругой мембране над встречно-штыревыми преобразователями, причем подмембранная и дополнительная камеры осесимметричны.

   5и ,1177696

   Фиг. I

   1

   177696
2. 2