Пьезорезонансный датчик давления

(19) 9 0 1)5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТЕЛЬС ВТОРСКОМУ Сил. ю ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Ереванский политехнический институт им, К.Маркса(56) Авторское свидетельство СССР М 1642285, кл. 0 019/08, 05.12.88. (54) ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезорезонансным датчикам, и может быть использовано для измерения абсолютного давления. Целью изобретения является повышение чувствительности и термостабильности. Для этого в датчике силопередающая система состоит из двух мембран 2 и 10 с жестким центром,1 выполненных заодно с корпусом 1, и силопередающей 3 и компенсационной 11 балок. Одними концами балки соединены с мембранами, а другими - с основанием корпуса через упругие шарниры 4 и 12. Равноплечее коромысло 7 также выполнено за одно целое через упругие шарниры 6 и 14 с балками, Центр коромысла 7 через упругий шарнир 8 соединен со стержнем 9 основания корпуса, где со смещением от центра этой опоры с ее обеих сторон установлены два идентичных пьезоэлемента 15 и 16, которые включены в схемы автогенераторов. Работа датчика основана на преобразовании давления в деформацию пьезоэлементов, один из которых работает на сжатие, а другой - на растяжение, и преобразовании деформации пьезоэлементов в частотный выходной сигнал в виде разности двух часИзобретение относится к контрольноизмерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения абсолютного давления,Целью изобретения является повышение чувствительности и термостабильности.На фиг. 1 изображен пьезорезонансный датчик, разрез; на фиг, 2 - блок-схема измерения.Корпус 1 пьезорезонансного датчика (фиг. 1) имеет форму прямоугольной призмы-коробки и содержит узлы, выполненные за одно целое с ним. Силопередающая система состоит из первой мембраны 2 с жестким центром, силопередающей балки 3, которая через упругий шарнир 4 соединена со стойкой 5, опирающейся на основание корпуса 1. Балка 3 через упругий шарнир б соединена с концом равноплечего коромысла 7, опирающегося через упругий шарнир 8 на стержень 9, выполненный в основании корпуса. Аналогично с силопередающей системой изготавливается компенсационная силоуравновешивающая система, состоящая из изготовленных за одно целое с корпусом второй мембраны 10 с жестким центром, компенсационной балки 11, одним концом выполненной за одно целое с мембраной 10. Второй конец балки 11 через упругий шарнир 12 соединен с жесткой стойкой 13, опирающейся на основание корпуса 1. Балка 11 через упругий шарнир 14 соединена с вторым концом равноплечего коромысла 7, Рядом со стержнем 9 левее и правее оси шарнира 8 с одинаковым смещением прикреплены два одинаковых пьезоэлемента 15 и 16, опирающиеся на основание корпуса, и коромысло 7. Пьезоэлементы 15 и 16 к корпусу и коромыслу прикреплены черезкварцевые бруски 17-24. Для получения термоизоляции с основанием корпуса с зазором закрепляется (сваривается) крышка 25. Давление к мембране 2 передается через штуцер крышки 26. Для исключения влияния давления на вторую мембрану 10 применена наглухо закрытая крышка 27. Внутри корпуса 1 закреплена шпилька 28 - 31 (другие не показаны), на которые прикреплены две печатные платы 32 и 33, на которых собирается схема измерения. Передние и задние стенки корпуса 1 закрываются дополнительными крышками и после окончательной настройки схемы измерения по периметрам свариваются с ним, Через штуцер гермовода (не показан) внутри датчика создается вакуум величиной 10 + 10мм рт,ст. для повышения термостабильности. Для этой цели создан вакуум в полости между крышкой 27 и мембраной 10. Пьезоэлементы 15 и 16 входят в схемуавтогенераторов 34 и 35 (фиг. 2), Для ещебольшего увеличения чувствительностивключены умножители 36 и 37 частоты, вы 5 ходные сигналы которых с частотами 11 и т 2подаются к смесителю 38. На выходе смесителя сигнал имеет частоту 11 - 12.Датчик работает следующим образом.Действие давления Р через мембрану 210 с жестком центром в виде усилия через си лопередающую балку 3 и через конец коромысла 7 передается пьезоэлементам 15 и16. Если из-за деформации пьезоэлемент 15сжимается, уменьшая свою частоту на вели 15 чину-Ю, то пьезоэлемент 16, растягиваясь,увеличивает свою частоту на величину-г Ю,После умножителей 36 и 37 частоты автогенераторов становятся п(1 о - Ь ) и п(0++Ю) (было принято, что частоты автогенера 20 торов равны 1 о), где п - коэффициент умножения. После смесителя 38 частотавыходного сигнала будетпЯЮ.Для получения возможности измерениякак давления, так и разряжения первона 25 чальные частоты автогенераторов должнынесколько отличаться друг от друга,Замена крышки 27 (фиг, ) крышкой соштуцером (как это выполнено для крышки26) превращает датчик в датчик разности30 давлений.В предлагаемом датчике чувствительность увеличивается по двойному эффектуусиления передачи усилий к пьезоэлементам 15 и 16. Коэффициент трансформацииКтр входного сигнала Р, приложенного кконцу балки 3 через жесткий центр мембраны 2 к пьезоэлементу 15 или 16 в виде Грезкогда в передаче участвуют плечи 1, 10, балки и плечи 12, 102, коромысла определяется из40Ктр. = Ктрл Ктр.2 --Г ез 11 12где 1, 10 и 12, 1 о 2 - длины, показанные на фиг.1.Коэффициент трансформации в среднем можно взять равным 25 - 36 (5 - 6 для Ктрл, и 5 - 6 для Ктр,2), сохраняя приемлемые габариты датчика,В предлагаемом датчике значительновыше термостабил ьность. Это обуславливается тем, что при изменении температуры за счет монолитности конструкции и его полной симметрии по отношению к опоре коромысла пьезоэлементы одинаково изменяют свою частоту и на выходе не возникает ложный сигнал разностной частоты, Дополнительному повышению термостабильности способствуют также получение термоизоляционной рубашки, полученной между силоаз 529 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 передающей, компенсационной системой содной стороны и корпусом,Выполнение монолитно с корпусом силопередающей и компенсационной системысимметрично по отношению к пьезоэлементам, закрепленным на одинаковом расстоянии от центра опоры коромысла, позволяетполучить высокую виброударную устойчивость. Из-за симметричности конструкции исключается появление ложных выходных 10сигналов при ударных нагрузках.Выполнение механической части датчика из одного куска металла позволяет исключить взаимно сдвигаемые элементыконструкции, т;е. созданная монолитная 15конструкция позволяет значительно уменьшить возможный гистерезис. Кроме того,монолитная конструкция датчика с применением силоумножительной системы позволяетполучить достаточно высокую чувствительность, 20поэтому необходимость деформации мембран сжестким центром незначительна и не превышает десятка микрон и, следовательно, возникающий гистерезис небольшой и им практическиможно пренебречь. Деформация пьезоэлементов значительно меньшая деформации мембран,В предлагаемой конструкции отсугствие несдвигаемых деталей и незначительной деформациипьезоэлементов из-за незначительного гистерезиса обеспечивает малые погрешности измерения.Формула изобретенияПьезорезонансный датчик давления,содержащий вакуумируемый корпус с первой и второй мембранами и оенованием, равноплечее коромысло, снабженное упругой опорой, связанной с корпусом, два пьезоэлемента, закрепленные симметрично с двух сторон упругой опоры параллельно ее оси между коромыслом и основанием корпуса, и крышку со штуцером, закрывающую вторую мембрану, причем корпус, коромысло, упругая опора и мембраны выполнены за одно целое, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и термостабильности, он снабжен силопередающей и компенсационной балками, двумя стойками, четырьмя упругими шарнирами и прикрепленной к корпусу с зазором,со стороны основания крышкой, при этом силопередающая балка одним концом связана с первой мембраной, вторым через первый упругий шарнир соединена с первой стойкой, связанной с основанием корпуса, и через второй упругий шарнир, смещенный в сторону мембраны, соединена с одним из концов коромысла, а компенсационная балка одним концом связана с второй мембраной, вторым через третий упругий шарнир соединена с второй стойкой, связанной с основанием корпуса, и через четвертый упругий шарнир, смещенный в сторону второй мембраны, соединена с вторым концом коромысла, при этом силопередающая и компенсационная балки, упругие шарниры и стойки выполнены за одно целое с мембранами, коромыслом и корпусом,