UA71213A - Пристрій на поверхневих акустичних хвилях для вимірювання тиску - Google Patents

Abstract

Пристрій на поверхневих акустичних хвилях для вимірювання тиску містить мембрану і п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані зустрічно-штирові перетворювачі поверхневих акустичних хвиль, з'єднані з підсилювачем електричних коливань. Мембрана розташована над поверхнею п'єзоелектричного звукопроводу на відстані, сумірній з довжиною поверхневої акустичної хвилі.

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до пристроїв акустоелектроніки і може бути використаний у вимірювальній техніці. 2 Відомий пристрій на поверхневих акустичних хвилях (ПАХ) для вимірювання тиску |1), що містить п'єзоелектричний звукопровід, на одній грані якого розміщені два зустрічно-штирьові перетворювачі ПАХ, з'єднані з підсилювачем електричних коливань, а на протилежній грані виконано циліндричне заглиблення, що утворює плоску, круглу мембрану, яка чутлива до тиску.

Недоліком таких датчиків є вузький діапазон вимірюваного тиску, обумовлений тим, що у круглій жорстко 70 защемленій мембрані (з низьким коефіцієнтом защемлення) мають місце області з протилежними за знаком деформаціями, що призводить до компенсації реакції мембрани на зовнішній вплив, а також низька надійність внаслідок можливого руйнування мембрани через крихкість п'єзоелектричного звукопроводу при перевантаженнях та складність виготовлення мембрани.

Найбільш близьким до винаходу є пристрій на ПАХ для вимірювання тиску, що містить п'єзоелектричний 12 звукопровод на одній грані якого розміщені два зустрічно-штирьові пертворювачі ПАХ, з'єднані з підсилювачем електричних коливань, а на іншій грані виконано заглиблення з поперечним перерізом у формі трикутника, глибина якого є сталою по апертурі акустичного каналу і монотонно змінюється у напрямку, перпендикулярному електродам зустрічно-штирьових перетворювачів ПАХ, зменшуючись від центральної області заглиблення до його периферії (21. 20 Недоліком пристрою є низька надійність внаслідок можливого руйнування пластини при перевантаженнях через крихкість п'єзоелектричного звукопроводу, а також складність виконання мембрани.

Задача винаходу - підвищення надійності та технологічності.

Вирішення поставленої задачі досягається тим, що у пристрої на ПАХ для вимірювання тиску, який містить мембрану та п'єзоелектричний звукопровід, на поверхні якого розташовані зустрічно-штирьові перетворювачі 29 ПАХ, з'єднані з підсилювачем електричних коливань. Новим є те, що мембрана розташована над поверхнею « п'єзоелектричного звукопроводу на відстані, сумірній з довжиною поверхневої акустичної хвилі.

На фіг.1 зображено датчик тиску на ПАХ; на фіг.2 - розріз А-А по фіг.1.

Пристрій для вимірювання тиску на ПАХ (фіг.1) містить п'єзоелектричний звукопровід 1, на поверхні якого розташовані поглиначі поверхневих акустичних хвиль 2 і 3, зустрічно-штирьові перетворювачі ПАХ 4 і 5, о 30 з'єднані з підсилювачем електричних коливань б, вихід якого з'єднаний з коаксіальним роз'ємом 7. Усі ці «- елементи утворюють автогенератор із частотнозадаючим елементом, виконаним у вигляді п'єзоелектричного звукопроводу із зустрічно-штирьовими перетворювачами, і розташовані у корпусі 8, який герметично закритий с мембраною 9, котра виконана з пружного матеріалу (наприклад, бронза, сталь тощо) та розташована над че поверхнею п'єзоелектричного звукопроводу на відстані, сумірній з довжиною поверхневої акустичної хвилі. Таке

Зо розташування мембрани обумовлено тим, що для ефективного впливу її на параметри хвилі, яка поширюється - по звукопроводу, необхідно забезпечити переміщення мембрани в електричному полі ПАХ, електричний потенціал якого зменшується при віддаленні від поверхні звукопроводу за експоненційним законом.

Пристрій на ПАХ для вимірювання тиску працює таким чином. «

Виникнення генерації електричних коливань в автогенераторі на ПАХ можливе при виконанні двох умов: З 50 балансу амплітуд та балансу фаз |З). З урахуванням поставленої задачі - вимірювання тиску, який діє на с мембрану, наведені вище умови можна подати у вигляді:

Із» Умова балансу амплітуд оку, 0 45 де Д. - повні втрати у колі автогенератора, які мають бути компенсовані підсиленням сигналу у підсилювачі - 6; ко Кк, - коефіцієнт підсилення підсилювача. -к 70 Умова балансу фаз с» Фо ру у у - опо (2) де цу - повний фазовий зсув у колі автогенератора; з» Фу сумарний фазовий зсув у колі підсилювача, зустрічно-штирьових перетворювачах і узгоджуючих елементах;

Тр - фазовий зсув у звукопроводі за відсутності зовнішніх впливів, що дорівнює бо Йо - глід / Мо - ск 8)

Хо де м, во, »- фазова швидкість, довжина ПАХ та частота генерованих коливань за відсутності зовнішніх впливів; бо Г - відстань між зустрічно-штирьовими перетворювачами;

Ж, - додатковий фазовий зсув у звукопроводі, викликаний дисперсією фазової швидкості ПАХ на ділянці звукопроводу | внаслідок розташування мембрани 9 в електричному полі поверхневої акустичної хвилі на відстані Х від поверхні звукопроводу, який можна подати формулою: т не ж, - лм буд х 76 де 1 еЯЇХ(Р)| - крутість дисперсійної характеристики;

З -

Уа вах «ІхР)| - фазова швидкість ПАХ при розташуванні мембрани в електричному полі хвилі на відстані Х(Р) від поверхні п'єзоелектричного звукопроводу, яка змінюється під впливом тиску оточуючого середовища Р; 75 М -17Жод - число довжин поверхневих акустичних хвиль на збудженій ділянці звукопроводу |, що дорівнює активній довжині мембрани; 2- ціле, що визначає моду коливань, як правило, п -150...250.

Із співвідношень (2) та (3) випливає, що частота генерованих коливань визначається співвідношенням: 20

Фу око мис)

Т-(пп--- А КВ ух их чи зв Як правило, в автогенераторах на ПАХ фазовий нахил у звукопроводі а(Жо я Ж аї значно більше, ніж фазовий нахил ач га для інших компонентів. «

У цьому випадку сх» р (роу« 2 ) і фазове набігання у звукопроводі переважає, тобто буде керувати стабільністю та частотою автогенератора, яку можна подати у вигляді с 30 геп Яку ма «- 2 1 сч

Приріст частоти автогенератора з урахуванням співвідношень (4) та (6) визначається співвідношенням: - 35 і - х х (7)

Ми 2 Ма г--- Ї Вч --2- Гб

Х, Пп х, « 20 Із співвідношення (7) видно, що приріст частоти автогенератора визначається дисперсією фазової швидкості з с ПАХ, що викликана прогинанням мембрани під впливом тиску. Тому вимірювання частоти автогенератора дозволяє визначати як абсолютне значення, так і перепад тиску, що діє на мембрану. :з» Експериментальні дослідження, проведені авторами показали, що ефективний вплив мембрани на фазову швидкість ПАХ відбувається при значенні відносного зазору між мембраною та поверхнею звукопроводу п хіхв 5015, на цій ділянці дисперсійна характеристика має характер, близький до лінійного, та крутість -І її складає (наприклад, для звукопроводу з ніобату літію) величину порядку 55,0. 100 улим о. Слід - відзначити, що крутість характеристики визначається експериментально для конкретної конструкції, оскільки є юю складною функцією конструктивних параметрів звукопроводу, мембрани та величини зазору хХ!7,. Як правило, го У вимірювальних перетворювачах на ПАХ ху -10...10Омкм, Що відповідає частоті ї - З00..30М ГІ, тому для - лінійності вихідної характеристики пристрою прогинання мембрани має знаходитися від хі-о0 до сю» ха Хлах З 015АдД -195..15МмМКкмМ.

Залежність прогинання мембрани Х від тиску Р визначається типом мембрани та її конструктивними параметрами.

Для кількісних розрахунків розглянемо мембрану з жорстким центром (фіг.1, 2), прогинання якої залежно від

Р тиску визначається співвідношенням |4): к-К.Р (8) 60 де дові 9) к--В

Е-З б5 з.а-рнау ст-1- асо

Ар -Е---- 5 5-2 2 2535 5 5 53 5 - л тя 16 сії с Кт; Ві кю - робочий радіус мембрани та радіус її жорсткого центру;

КЕ - коефіцієнт Пуассона та модуль пружності матеріалу мембрани;

Р -перепад тиску; 70 п- товщина мембрани (для малих прогинань Х/п--1).

Тоді співвідношення (7) можна також подати у вигляді

Шк: от: (т р- Мо Пет - Мо Ве

Гн п

Р. в де 8-1 М кв ча ЗР

Рі в кік ; Ра ка Кк.

Чутливість пристрою визначається співвідношенням: в ЗЕ ОО Момозеро Мою ер (2) вт «

Приймаємо такі конструктивні параметри: - фазова швидкість ПАХ му - 3488 м/с (для звукопроводу з ніобату літію У72 - зрізу); со - довжина незбуреної хвилі ху -85.107м (7-59, иБМ Гц); «- - відстань між зустрічно-штирьовими перетворювачами І -ПО5 м; - Число ПАХ на незбуреній ділянці М- 200; см - робочий радіус мембрани КЕ -0П2м; - - радіус жорсткого центру мембрани го У ОЛИ м; - - товщина мембрани п -0001їм ; - матеріал мембрани - сталь; « - модуль пружності матеріалу мембрани є-22.10НІме ; - коефіцієнт Пуассона я - 028; - с Визначаємо: и ' -2 . » к-т лот Мр А ЛОТ й 1

Нік

Се2Й;хуеРІНО; ХУ Хдх У ТБ 10. це. Із співвідношення (8) визначаємо граничне значення вимірюваного тиску на лінійній ділянці дисперсійної - характеристики юю Ві лах 7 ЯК. 244 1ОбНІМЕ ЗОМ т. ст. -шо 70 Максимальний приріст частоти автогенератора (приймаємо у співвідношенні (11) крутість 5.» - сопе на с» лінійній ділянці дисперсійної характеристики)

В так пак - Ім Ї ро - М. Ма КО. би Ріяк -

Га Г -2 з 00. 3409 30, 107100. 244107

Р» по15 й щ 34837 ГЦ 34, ВАК.

Чутливість вимірювання тиску таким пристроєм дорівнює бо е- Я, тах - НВ нн ма Гц - 190 Гц .

ЯР Бдяко 244.10 Нім" мм рт. ст.

При роздільній здатності промислових частотомірів (наприклад Ч3-54) і-10Г4 потенційна роздільна здатність пристрою складає

АТ 10 2 бо АР ----- - 2 ПОбемММм рт.ст. - 6,9 Н/м з 190 ' щі '

Зміна конструктивних параметрів звукопроводу, зустрічно-штирьових перетворювачів, мембрани використання диференційної схеми включення, в якій здійснюється віднімання сигналів двох автогенераторів на

ПАХ, дозволяє керувати чутливістю пристрою, діапазоном вимірюваного тиску, знизити вплив дестабілізуючих акторів залежно від тактико-технічних характеристик вимірювальних пристроїв, що вимагаються.

Кк . . . . Кк . .

Таким чином, пристрій, на відміну від прототипу, дозволяє підвищити надійність, оскільки мембрана може бути виготовлена з міцного матеріалу, а більш висока технологічність виготовлення призведе до більш високого відсотку виходу придатних виробів при масовому виробництві.

Додатковою перевагою запропонованого пристрою для вимірювання тиску, є можливість уніфікації при 7/0 бтворенні пристроїв на різні динамічні діапазони, оскільки при цьому вимагається лише зміна конструкції первинного перетворювача, а вторинний перетворювач (звукопровод із зустрічно-штирьовими перетворювачами та підсилювач) залишається незмінним.

Джерела інформації: 1. Речицкий В.И. Акустозлектроннье радиокомпоненть. -М.: Сов.радио, 1980. -С.216-218. 2. Авторское свидетельство СССР Мо1131024 НОЗНО/ОО // 5011 11/00, 1984. 3. Речицкий В.Й. Акустозлектроннье радиокомпоненть. -М.: Сов.радио, 1980. -С.199-218. 4. Пономарев С.Д., Андреєва Л.Е. Расчет упругих злементов машин и приборов. -М.: Машиностроение, 1980. -6б.242. 9 рі і ? у шли 0-2 й

АЇ 0-3 С ГА

Лдиишинний Що ч

СУ а о ї 7 - б | 8

Фіг. 1 с

А-А Ш і - 4 9 ов. 5

І 2 - - - 2 - - -х

ЩО ікрі Й З «

ШУ жаних з т0 їх и з;

І

4оо-К Ще: ч - ря ють сиру Ст» ; " рот

Ї ПИ «красот ств - Фіг. 7 - ко

Claims (1)

1. Формула винаходу

   Пристрій на поверхневих акустичних хвилях для вимірювання тиску, що містить мембрану і п'єзоелектричний сю звукопровід, на поверхні якого розташовані зустрічно-штирові перетворювачі поверхневих акустичних хвиль, з'єднані з підсилювачем електричних коливань, який відрізняється тим, що мембрана розташована над поверхнею п'єзоелектричного звукопроводу на відстані, сумірній з довжиною поверхневої акустичної хвилі.

   р Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних мікросхем", 2004, М 11, 15.11.2004. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України. 60 б5