Устройство для измерения давления

)9) П ) 111/00 51)5 ТЕ ИЗОБ И ИСАНИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Опытно-конструкторское бюро микроэлектроники и информационно-измеритель ной техники при Башкирскомгосударственном университете им.40-летияОктября(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВ- ЛЕНИЯ Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сед,Цель изобретения - повышсти измерения засчетуменьше р турного ухода частоты.Структурная схема датчика давления приведена на чертеже,Датчик давления содержит основание 1, кожух 2, монокристаллическую кремниевую пластину 3 с плоскостью кристаллографической ориентации (100), в которой методом анизотропного травления выполнены одинаковые по размерам первая 4 и вторая 5 квадратные мембраны, первый 6 и второй 7 пластинчатые резонаторы, преобразователь 8 частота-напряжение, регулирующий 7) Сущность изобретения: устройство с ержит основание, кожух, 1 монокристалл ческую кремниевую пластину, 2 мембраны, 2 резонатора, преобразователь частота-напрякение, регулирующий усилитель, 2 оптико-электронных преобразователя, 2 световода. Каждый оптико-электронный преобразователь содержит: 2 источника излучения, приемник излучения, модулятор, оптический фильтр, спектральный мультиплексор, разветвитель 5 световодов 18-13. Выход регулирующего усилителя подключен ко второму входу модулятора второго оптико-электронного преобразователя. Пластина расположена на основании под кожухом. Каждый резонатор установлен на соответствук)щей мембране, Обе мембраны выполнены на пластине путем анизотропного. травления, 1 ил. усилитель 9 и первый 10 и второй 11 оптико- электронные преобразователи, каждый из которых состоит из первого 12 и второго 13 источников излучения с различными длинами волн излучения, приемни)а 14 излучения, модулятора 15, оптического фильтра 16, спектрального мультиплексора 17, разветвителя 18 и шести световодов 19 - 24.В каждом из оптико-электронных преобразователей 10 или 11 спектральный мультиплексор 17 через первый световод 19 оптически связан с первым источником 12 излучения, через второй световод 20, разветвитель 18, третий световод 21 - со вторым источником 13 излучения, через второй световод 20, разветвитель 18, четвертый световод 22, оптический фильтр 16 и пятый световод 23-с приемником 14 излучения, ачерез шестой световод 24 - с первым 6 иливторым 7 резонатором.В каждом из оптико-электронных преобразователей 10 или 11 приемник 14 излучения электрически связан с выходом 25данного преобразователя и входом 26 обратной связи модулятора 15, управляющийвход 27 которого соединен со входом 28преобразователя, а выход - со входом первого источника 12 излучения,Вход 28 оптико-электронного преобразователя 10 соединен с выходом регулирующего усилителя 9, вход которого подключенк выходу преобразователя 8 частота-напряжение, вход которого соединен с выходом25 оптико-электронного преобразователя11, Вход 28 оптико-электронного преобразователя 11 эаэемлен.Кремниевая пластина 3 расположенапод кожухом 2 на основании 1; которое выполнено из материала с температурнь 1 м коэффициентом линейного расширения,. близким температурному коэффициенту линейного расширения пластины 3, При этомполость между основанием 1 и кожухом 2вакуумирована через штуцер 29, которыйпосле откачки воздуха запаиваетсяРезонаторы 6 и 7 одним концом закреплены на опорном буртике 30, а другим концом через стойки 31 соединенысоответственно с мембранами 4 и 5.Полости под мембранами 4 и 5 изолированы друг от друга, причем полость под мембраной 5 через штуцер 32 заполненаинертным газом, например, Осушеннымазотом, под давлением, которое при измененении температуры окружающей средыизменяется в пределах диапазона измерения давлений датчика. После заполненияполости газом штуцер 32 запаивается. Через штуцер 33 в полость под мембраной 4подводится газ или жидкость, давление которых подлежит измерению,Оптические разветвители 18 могут бытьвыполнены, например, в виде 3 дБ волоконно-оптических разветвителей типа У с коэффициентом разделения между каналамипорядка 50-60 дБ,Преобразователь 9 "частота-напряжение" может быть реализован, например, наоснове микросхемы КР 1108 ПП 1.Устройство работает следующим образом.При тарировочной температуре (равной, как правило, 293 К) в оптико-электронных преобразователях 10,11модулированное по интенсивности модуляторами 15 световые излучения источников12 с длиной волны Л 1 через световоды 19,спектральные мультиплексоры 17, световоды 24 подводятся соответственно к резонаторам 6 и 7. Большая часть световых излучений поглощается материалом резонаторови выделяется в виде тепловой энергии, со 5 эдающей переменный градиент температуры по длине и толщине резонатора. Приэтом за счет термоупругих напряжений возникает переменный по величине изгибающий момент, который вызывает изгибные10 колебания резонаторов 6 и 7.Одновременно в оптико-электронныхпреобразователях 10,11 от источников 13непрерывные излучения с длиной волны А 2через световоды 21, разветвители 18, свето 15 воды 20, спектральные мультиплексоры 17и световоды 24 подводятся соответственнок резонаторам 6 и 7, Поскольку промежуткимежду торцами световодов 24 и резонаторами 6 и 7 меняются по гармоническому закону20 с частотой изгибных колебаний резонаторовто непрерывные излучения, отраженные отповерхности резонаторов 6 и 7, оказываются промодулированными с той же частотой.Последние через световоды 24, спектраль 25 ные мультиплексоры 17, световоды 20, разветвители 18, световоды 22, фильтры 16,. световоды 23 поступают на соответствующие приемники 14 излучения. При этоммультиплексоры 17 обеспечивают спектральную развязку световцх излучений подлинам волн Й и Й, а оптические Фильтры16 являются "непрозрачными" для световыхизлучений с длиной волны Л 1 и прозрачными" для световых излучений с длиной волныХ. В приемниках 14 промодулированныесветовые излучения с длиной волны А 2 преобрзэуются И электрический сигнал иусиливаются, причем с выхода приемника14 оптико-электронного преобразователя11 снимается сигнал, изменение частоты ко 40 торого пропорционапьно температуре Окружающей среды, а с выхода приемника 14оптико-электронного преобразователя 10 -сигнал, изменение частоты которого пропорционально измеряемому давлению. С45 выхода приемника И оптико-электронногопреобразователя 10 сигнал поступает на выход 25 данного преобразователя и на вход26 обратной связи соответствующего модулятора 15 для оптического возбуждения и50 поддержания изгибных автоколебаний резонатора б, С выхода приемника 14 оптикоэлектронного преобразователя 11 сигналпос гупает на выход 25 данного преобразователя и на вход 26 обратной связи соответст 55 вующего модулятора 15 для оптическоговозбуждения и поддержания изгибных автоколебаний резонатора 7,Выделяемая на резонаторах 6,7 тепловая энергия приводит к тому, что их температуа б ет выше окружающей, вследствие че- сти его излучения, В результате уменьшитра удет выго резонаторы будут стремиться изменить ся выделяемая в р . реньшатся сжимающие ресвою длину. д. О нако изменению длины резо- следовательно, уменьша ся со сто оны заделок, наторов , ив 6 7 препятствуют опорный буртик зонатор 6 усилия со ст р30 йки 31 температура которых соот Уменьшение сжимающихус р дх силийп иводиткибной жесткости резонатоветств ет температуре окружающей среды, увеличению изгибнои жестк тветствует т иВ езультате резонаторы 6,7 оказываются ра 6 и соответственно к т у унно к таком величению сжатыми со стороны обоих заделок про- частоты резона ор, рт а 6 кото ое позволяет дольными термоупругими силами. Под дей- практически полностью устранить первонасжимающих усилий изгибная 10 чальныйуходчастоты резонатора 6, вызванжесткость резонаторов 6 7 уменьшится, что, н ы й во здеи стви ем р у р в свою очередь, приводит к уменьшению окружающей среды.езонансной частоты, При этом на долю оп- . Использование предложенного технитических систем возбуждения колебаний, ческого решения . позволит повысить точн я авления за счет составной частью которых являются источ ность измере и дники 12 излучения, приходится порядка 75- уменьшения температурного ухода частоты 80 овыделяемого на резонаторах 6,7 тепла, до (2-3) 10 1/К по сравнению с (8-9) 10 а на долю оптических систем съема колеба/К у известных.ний, составной частью которых являются Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я источники 13 излучений, - порядка 20-24;6. 20 Устройство для измерения давления, Созданное таким образом в основном за содержащее. кожух, основание, первую и счет системы возбуждения предваритель- вторую мембраны с установленными на них, ное сжатие придает резонаторам 6,7 новую, соответственно первым и вторым резонатоуменьшенную по сравнению с исходным со- рами, подключенными соответственно к стоянием изгибную жесткость (исходное со первому и второму блокам обработки сигнастояние резонаторов 6,7 характеризуется лов, отличающееся тем, что, с целью отсутствием сжатия за счет оптического на- повышения точности, каждый блок обработгрева). ки сигнала выполнен в виде оптико-электТемпературная коррекция осуществля- ронного преобразователя, а в устроиство ется следующим образом, При изменении 30 дополнительно введены монокристалличетемпературы окружаощей среды, напри- ская кремниевая пластина с выполненными мер, при ее повышении, частота резонато- на ней первой и второй мембранами преоов 6,7 уменьшится вследствие разователь частоты в напряжение, регулировтемпературной зависимости модуля упруго- рующий усилитель и перв р сти материала резонаторов (для монокри световоды, при этом каждый оптико-электсталлического кремния с плоскостью ронный преобразователь выполнен в виде ориентации(100)температурныйкозффици- последовательно соединенных спектральент мо уля упругости отрицателен и равен ного мультиплексора, четвертого световода, -5 10 1(К). С повышением температуры разветвителя, оптического фильтра, седьмоокружающей среды увеличивается давле госветовода,приемникаизлучения,модуляние газа в полости под мембраной 5, что тора, первого источника излучения, вызывает соответствующий прогиб послед- третьего световода, соединенного также со нейиугловоесмещениестойки 31,приводя- спектральным мультиплексором и в орого щее к еще большему сжатию резонатора 7 источника излучения, соединенного также Частота резонатора 7 при этом уменьшится 45 через пятый световод с разветвителем, прии иа выходе приемника 14 оптико-электрон- чем выход приемника излучейия второго опного преобразователя 11 появится сигнал, тико-электронного преобразователя уменьшение частоты которого пропорцио- подключен также к входу преобразователя нально повышению температуры окружаю- частоты в напряжение, выход которого соещей среды. Этот сигнал поступает на вход 50 динен с входом регулирующего усилителя, преобразователя 8 частота-напряжение, ко- выход которого подключен к второму входу . торый преобразует уменьшение частоты в модулятора первого оптико-электронного пропорциональноеумен шениепостоянно- преобразователя, спектральные мультиго напряжения на своем выходе. Данный плексоры первого и второго оптико-электсигналусиливается вусилителе 9 и подается 55 ронных преобразователей соединены на и авляющий вход 27 модулятора 15 оп- соответственно через первый и второй светико-электронного преобразователя 10, что, товоды с соответствующими резона рн то ами в свою очередь, приводит к уменьшению а полость между основанием и второй мемтока накачки соответствующего источника браной заполнена газом.12, а следовательно, к уменьшению мощно1812466 оставитель Джанибахчиева кред М,Маргентал Корректшедакт Заказ 1572 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5венно.издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Га.-арина, 101