Пьезоэлектрический датчик давления

ДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ГОС ЗОБРЕТЕНИЯТЕЛЬСТВО". Г РСКОМУ СВ е Соломониксследова"ут альныенногавленый усащенельноешеткент уолненановлднуомныхеля,окосьий элен содним аника вей. М.;во СССР1978(54)(57) П ЕЗОЗЛЕКТРИЧЕСК одержащий корп стью, сообщеннм компенсирующ ещенные в корп брану, установ лусферическими й с ДАВЛЕНИЯ, ренней пол с источник ния, и раз тельную ме ду двумя и и канал го давл се разд енную м решетка ис тор. /,ели-.:,;нежми,вствительный пьезоэлемент и токо" мники, о т л и ч а ю щ и й с я м, что, с целью расширения функциох возможностей путем одноврео измерения скорости измененияия, он снабжен сильфоном, кото"тановлен в полости корпуса, об"своим дном в сторону разделий мембраны и контактирует сой, а чувствительный пьезоэлестановлен внутри сильфона и выв,виде набора вертикально усенных пьезопластин, поджатыхсильфона, образующих два автопьезоэлектрических преобразова"подключенных к соответствующимемникам, причем центральный об"ектрод преобразователей соеди-.корпусом, а между корпусом ииз токосъемников включен рез1 1040Изобретение относится к контроль-но-измерительной технике и можетбыть использовано для измерения дав.ления и его первой производной, т.е.скорости изменения давления (дР/д 2)при испытании поршневых машин, напри"мер двигателей внутреннего сгорания.Известны пьезоэлектрические датчики давления для регистрации быстроменяющихся давлений в цилиндрах пораневых машин И . Для измерения скорости измерения давления между датчиком давления и выходным узлом измерительного устройства включают активные дифференциаторы. 5Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрИ.ческий датчик для измерения пульси-,рующих давлений, содержащий разде- , 20лительную мембрану, пьезоэлемент,токосъемники и корпус, имеющий внутреннюю полость 23 .Однако известный датчик не обеспе"чивает одновременно с измерением дав ления возможности измерения скоростиизменения давления,Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей датчикапутем одновременного измерения скорости изменения давления,Поставленная цель достигается тем,что пьезоэлектрический датчик давления, содержащий корпус с внутренней полостью, сообщенной каналом с35источником компенсирующего давления,и размещенные в корпусе разделительную мембрану, установленную между двумя полусферическими решетками, чувст"вительный пьезоэлемент и токосъемники, снабжен сильфоном, который установлен в полости корпуса, обращенсвоим дном в сторону разделительноймембраны и контактирует с решеткой,а чувствительный пьезоэлемент установлен внутри сильфона и выполненв виде набора вертикально установленных пьезопластин, поджатых к дну сильфона, образующих два автономных пьезоэлектрических преобразователя, подключенных к соответствующим токо 50съемникам, причем центральный общийэлектрод преобразователей соединенс корпусом, а между корпусом и однимиз токосъемников включен резистор,На чертеже представлен пьезозлект рический датчик давления, общий вид,Датчик содержит корпус 1, внутрикоторого размещена разделительная мембрана 2, зажатая между решетками 3 и 4, сильфон 5, соединенный с верхней решеткой 4 и опорой 6, зажимное кольцо 7 и чувствительнцй элемент, состоящий из корпуса 8, центрирующей гильзы 9, четырех пьезокварцевых пластин 10 и медных прокладок 11 с припаянными к ним токосъемниками 12, причем средняя прокладка, расположенная между второй и третьей пьезокварцевыми пластинами, соединена с корпусом датчика. Корпус 8 чувствительного элемента ввернут в опору 6 так, что изолирующая гильза 9 с пьезопластинами 10 через проставку 13 прижимается к верхней решетке 4 и растягивает сильфон 5 до упора в решетку 4. Этим обеспечивается предварительный натяг пьезокварцевых пластин, Компенсирующее давление воздуха от внешнего источника подводится через серьгу 14, прижатую гайкой 15 к опоре 6,имеющей каналы для подачи воздуха в компенсирующую полость между мембраной 2 и сильфоном 5Датчик давления работает следующим образом.Измеряемое быстроменяющееся давление через нижнюю решетку 3 воздействует на разделительную мембрану 2, которая передает приложенную к ней силу на верхнюю решетку 4, Последняя через проставку 13 и,изолирующую гильзу 9 передает усилие пьезокварцевым пластинкам 10. При этом происходит их сжатие, в результате чего на боковых гранях пьезокварцевыхпластин, обладающих поперечным пьезоэффектом (т.е. поляризованных в направлениисреза), образуется электрический заряд, пропорциональный приложенной силе или подводимому давлению. Кварцевые пластины вложены в изолйрующую гильзу 9 так, что на токосъемниках 12 относительно корпуса датчика образуются заряды противоположной полярности.Отрицательный заряд О по соответствующему токосъемнику подается к выходу датчика, к которому может быть подключен измерительный усилитель (не показан), Этим обеспечивается возможность измерения и регистрации мгновенных значений давления, быстроменяющегося во времени, т.е.аС= ,(Р) = (,)Положительный заряд Ц 1 по другому токосъемнику подается к выходу датчика, к которому может быть под3 104035 ключен такой же измерительный усили- , тель, причем между этим токосъемником и корпусом датчика включен ре" зистор утечки (не показан), осуществляющий совместно с емкостью пьезопластин дифференцирование по времени заряда Оф 1 . Этим обеспечи-,- вается возможность измерения и регистрации мгновенных значений скорости изменения быстроменяющегося давления, т.е.30а 1 = ИЮю)Таким; образом, пьезоэлектрический датчик давления обеспечивает возмож"" ность одновременного измерения быстроменяющегося давления и скорости 15 его нарастания. Если на пути заряда С+1 дифференцирующий резистор не установлен (таковым может быть внеш" ний регулятор в цепи нагрузки много- : функционального датчика), то 0 1 = Я(ф = Г(Р), т,е. в этом случае дат" чик превращается в преобразователь давления с двуполярным выходным сигналом. Такой преобразователь по двух-, Мостовой схеме может быть подключен :25 к дифференциальному измерительному усилителю, выходной сигнал которогоф пропорционален разности входных сиг-:- налов, При этом вдвое повышается чувствительность, резко снижается , влияние аддитивных помех, т,е. повышается точность измерения давления,Компенсирующая полость, образован-;, ная пространством между разделитель-ной мембраной и сильфоном обеспечи 35 вает воэможность проведения калибров". ки (градуировки) датчика по давлениюнепосредственно на объекте установки . датчика и, что существенно, в проце:се выполнения измерений, т,е, осу-. ществлять процедуры измерения и гра" дуировки при одном и том же тепловом и механическом состоянии объекта (например,. поршневой машины).Это также способствует повышению точности измерений,Компенсирующее давление воздуха от внешнего источника через серьгу 14 и отверстия в кольце 3 и в опоре б, воздействуя на сильфон 5, сжи" мает его, вызывая .появление на боко- вых гранях пьезопластин заряда Ц 1-1 50 пропорционального компенсирующему давлению, Одновременно компенсирующее давление через верхнюю решетку В ;отжимает резделительную мембрану 2,; разгружая ее от действия измеряемого давления на величину, равную компен 5 4сирующему давлению, Таким образом,чувствительный элемент датчика в этомслучае воспринимает не полное измеряемое давление Р , подводимое к нижней решетке 3, а только его часть, аименноРх = РЬ Ркгде Р - величина компенсирующегодавления;Р - величина потери давления,определяемая жесткостью разделительной мембраны 2,Используя мембрану, выполненнуюиз материала с модулем упругостиблизким к нулю, можно создать условия,паи,которых Ь Р - 0, так как разделительная мембрана, зажатая между решетками 3 и 4,прогиба практически не имеет,Для устранения фазовой погрешнос"ти между сигналами давления и сигналом скорости изменения давления (т,е,между1 и 0) возможно осуществпение одновременной калибровки датчика в динамическом. режиме и по давле"нию, и по скорости нарастания давления, С этой целью датчик подвергает"ся действию переменного давления,изменяющегося по синусоидапьному закону, а выходы1 и 01 через со"ответствующие усилители подсоединяются к двухлучевому осциллографу. Калибровка в этом случае сводится кустановке таких значений коэффициентов усиления усилителей и резистора утечки (или эквивалентного емувнешнего регулятора), при которыхсигналы, пропорциональные О и (,.во всем диапазоне частот переменныхдавлений равны по амплитуде и сдви"нуты по фазе на угол 90.Технико-экономическая эффективность от использования пьезоэлектрического датчика давления выражаетсяв том, что он обеспечивает возмож.ность одновременного измерения быстроменяющегося давления и скоростиего изменения, что сокращает времяпроведения экспериментов при испытаниях поршневых машин и благодаряустранению необходимости примененияметодов дифференцирования снижаеттрудоемкость испытаний, Кроме того,такой датчик позволяет осуществлятьградуировку и калибровку измеритель,ного тракта непосредственно на объекте в ходе проведения измерений, чтоповышает их точность и достоверность.11040355 оставитель О. Полеехред И.Костик орректор В. ктор А. Ог Заказ 6919/4 б Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектг Тираж 873 ВНИИПИ Государственного ко по делам изобретений и о 3035, Москва, Ж, Рауаск