Датчик давления

) СО 1. 10 Й КОМИТЕТ СССР РЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙГОСУДАРСТВЕННПС ДЕЛАМ ИЗ НИЯ д БРЕ ТОРСНОМУ СВ ЕЛЬСТВУ ного пьезокристал ориентиров котором дп ления выпо рого ориен кристаллогр кольца в на тензочувств лоскостях ти- ли ОПИСАНИЕ(71) Рязанский радиотехнический институт ". (56) 1, Патент США .У 4.265.125, кл. О 01 Т. 9/00, 1979.2. Авторское свидетельство СССР В 830166, кл. 6 01 Ь 11/00, 13/02, 1982.(прототип).(54) (57) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий две мембраны, выполненные из . . пьезокристалла одинакового среза, при этом на мембранах сформированы встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн и измерительный прибор, о т л и ч а - ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности в широком диапазоне температур, в него дополнительно введены первый и второйсмесители частоты н сумматор частоты, а мембраны ориентированы так, что их кристаллографические оси параллельны и жестко закреплены на торцах цилиндрического кольца, вы 801164565 лненного из такого же и так же репления и подачи дав но отверстие, ось кот рована относительнофических осей мембранравлении минимальнойтельности, а на внешнихаждой из мембран сформи рованы по два встречно-штыревыхпреобразователя поверхностно-акусческих волн, причем преобразоватена первой мембране ориентированыв направлении максимальной положительной тензочувствительности, ана второй - в направлении максимальной отрицательной тензочувствитель"ности, каждая пара преобразователейрасположена на мембране так, что одиннаходится в центре мембраны, а другой на ее периферии, преобразователи.первой мембраны подключены к пер.вому смесителю частот, преобразователи второй мембраны в .ко второму,выходы обоих, смесителей подключены квходам сумматора частот, выход .ко"торого подсоединен к измерительномуприбору.10 15 20 30 ка. 40 50 Изобретение относится к техннике измерения давления жидких и газообразных сред в широком температурном диапазоне, в частности к датчикам давления, и может быть использовано как составная часть многоканальной информационно-измерительной системы с частотной формой обрабатываемых сигналов. Датчик осуществляет непосредственное преобразование давления в частотный выходной сигнал.Известен датчик давления, состоящий из пьезоэлектрической мембраны, на которой нанесены встречно-штыревые преобразователи поверхностно- акустических волн (ПАВ), образующих две линии задержки. Мембранный тензопреобразователь установлен в корпусе 1 11.Однако из-.за различия коэффициентов линейного расширения мембраны и корпуса, жестко связанного с мембраной, происходит значительный дрейф з начальной частоты ПАВ-генератора, который трудно рассчитать и полностью скомпенсировать.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик разности давлений, содержащий две параллельно установленные в корпусе пьезокристаллические мембраны, на внутренних поверхностях которых размещены преобразователи ПАВ 121.Недостатки этого датчика - температурная зависимость резонансной частоты ПАВ-резонаторов и невысокая чувствительность датчика давления.Цель изобретения - увеличение . чувствительности в широком диапазоне температур.Цель достигается тем, что в датчик давления, содержащий две мембраны, выполненные из пьезокристалла одинакового среза, при этом на мембранах сформированы встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн и измерительный прибор, введены первый и второй смесители частоты и сумматор частоты, а мембраны ориентированы так, что их кристаллографические оси параллельны и жестко закреплены на торцах цилиндрического кольца, выполненного из такого же и так же ориентированно го пьезокристапла, в котором для крепления и подачи давления выполнено отверстие, ось которого ориентирована относительно кристаллографических осей мембран и кольца внаправлении минимальной тензочувствительности, а на внешних плоскостях каждой из мембран сформированыпо два встречно-штыревых преобразователя поверхностно-акустическихволн, причем преобразователи напервой мембране ориентированы внаправлении максимальной положительной тензочувствительности, ана второй - в направлении максимапьной отрицательной тенэочувствительности, каждая пара преобразователейрасположена на мембране так, что одиннаходится в центре мембраны, а другойна ее периферии, преобразователипервой мембраны подключены к первомусмесителю частот, преобразователи второй мембраны - ко второму, выходы обоих смесителей подключены к входам сумматора частот, выход которого подсоединен к измерительному прибору. На фиг. 1 представлен разрез датчика давления плоскостью, перпендикулярной поверхности мембран, (разрез Г-Г на фиг. 2); на фиг. 2 - разрез датчика плоскостью, параллельной поверхности мембран, (разрез А-А на фиг. 1); на фиг. Э - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид В на фиг, 1; нафиг. 5 - взаимное положение кристаллографических осей мембран и кольца;на фиг, 6 - структурная схема датчиДатчик давления состоит из мембранной коробки, образованной плоскими пьезоэлектрическими мембранами 1 и 2, жестко связанными с промежуточным кольцом 3, Ориентация основных плоскостей мембран и кольца относительно кристаллофизических осей кристалла одинакова и выбрана таким .образом, чтобы тензочувствительностьфазовой скорости ПАВ хотя бы к одной компоненте механических деформаций в поверхностном слое мембраны принимала в зависимости от направления распространения ПАВ как положительные, так и отрицательные значения, например плоскость ХОЕпьезокварца 1.1 1./-45 -среза.Соединение мембран и кольца осуществляется, например, методом спекания в вакууме легкоплавким стекломВ стенке кольца по радиусу в направлении минимальной тензочувствительности выполнено отверстие, в которое установлена тонкостенная труб3 1164565 ка 4, предназначенная для подачи дав- с ления среды в полость мембранной кот робки и механического крепления коробки в основании 5 корпуса. Темпе- . б ратурный коэффициент расширения ма и териала трубки и кольца близки пов значению, При заметном их расхожде- ге .нии используется промежуточное элас- ко тичное связующее вещество. В целяхдополнительного снижения влияния 10 эо основания корпуса на тепловую дефор- мо мацию мембран толщина стенок трубки и 4 и ее внешний диаметр выбраны минимально допустимыми из соображенийге предела прочности и значительно меньтр шими, чем высота кольца 3, Длина пл свободного участка трубки 4 превы-ге шает ее внешний диаметр. 1 ваНа внешней поверхности мембраныкр 1 сформирована топологическая струк из тура из основного 6 и опорного 7ПАВ-резонаторов, ориентированных в об направлении максимальной отрицательной "тензочувствительности фаэовоймо скорости ПАВ к суммарному воэдей- . 25 за ствию продольных, поперечных и вер- ме тикальных деформаций, например вдоль оси Х, Резонатор 6 расположен в ре центре, его размеры выбираются ге исходя из условия максимального от- ЗО реэ рицательного изменения частоты при т.е нагружении мембраны избыточным дав- чув лением. Резонатор 7 смещен паралдел лельно основному к периферии мембра-, из ны на некоторое расстояние, при ко- ку35 тором происходит противоположное по нап знаку изменение частоты относительно Для изменения частоты резонатора 6 .п На внешней поверхности мембраны 2 размещена топологическая структура, состоящая иэ дополнительного 8 и вспомогательного 9 ПАВ-резонаторов ориентированных в направлении мак.симальной положительной тенэочувствительности фазовой скорости ПАВ к суммарному воздействию продольных, поперечных и вертикальных относительно вектора скорости волны компонент деформации. Резонатор 8 расположен в центре мембраны, его размеры выбраны исходя из условия максимального положительного изменения частоты . при нагружении избыточным давлением. Резонатор 9 смещен к периферии мембраны на некоторое расстояние, при котором происходит изменение его резонансной частоты в противоположную торону относительно изменения часоты резонатора 8.Для защиты электродов резонаторов -9 от повреждения, воздействия влагиизменений присоединенной массы оздушной среды мембранная коробкарметизируется в объеме с помощьюжуха 1 О.Для электрического соединения ренаторов с внешними цепями предустрены контактные площадки 11-134-16 на поверхности мембран 1 и 2.В основании корпуса установленырмовводы 17-19 и 20-22 дпя элекической коммутации с контактнымиощадками резонаторов. Сигнальныермовводы 17, 19 и 20, 22 изолироны от корпуса. В основании 5 эаеплен патрубок 23 для подключениямеряемого давления.Устройство работает следукнцимразом.При воздействии давления измеряей среды в поверхностном слое жесткощемленных мембран 1 и 2 возникаютханические деформации.Тензочувствительность частоты ПАВэонатора имеет две составляющие -ометрическую, т.е. изменение длиныонансной полости, и акустическую,изменение скорости ПАВ . Тензоствительность скорости ПАВ к.от"ьным компонентам деформации можноменять в широких пределах и по знаи по величине, выбирая срез иравление распространения волны.мембран одинакового среза, наример УХ/-45-среза пьеэоквМрца, изменение скорости ПАВ от деформации можеч быть противоположно по знаку, если направление распространения ПАВ (ориентация электродов ПАВ-резонатора) на первой мембране выбрано под некоторым углом, например 45 относительно направления распространения ПАВ на второй мембране, например вдоль оси ОХ.Таким образом, частота резонатора 6 при воздействии давления. принимает значение Й -М, а резонатора 7 - значение Г .йЕ 2 при воздействии разных по знаку и величине деформаций в центре мембраны и на периферии. Раэностная частота резонаторов 6 и 7 ЙЯ 1 -ЙЙ 1 + Г . Аналогично для резонаторов второй мембраны при воздействии давления частота резонатора 8 равна й+ай, а резонатора 9 равнай-,ай,. Разность частот резонаторов 8 и 9 принимает значение 4 Г з щ й Кз + Л Г,1, При дифференциальйо"мостовом включении резонаторов, как показано на фиг. 6, осуществляет ся вычитание частот резонаторов 6,7и 8,9 соответственно и сложение разностных частот дЯи айэ, В результате разностно-суммарной обработки выходной сигнал датчика, фиксируемый измерительным прибором 24,выра" жается формулой12ЗФ 1 2 9 +фДеформация поверхностного слоя мембраны из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения мембран и кольца минимальна, так как мембраны и кольцо выполнены из материала одинакового среза и теп 20 ловая деформация связана лишь свлиянием тонкого связующего слоя -легкоплавного стекла. Однако и этавеличина компенсируется при дифференциальном включении пары ПАВ-резонаторов,Влияние основания 5 корпуса компенсируется путем ориентации отверстия в стенке кольца 3 в направлении минимальной тензочувствительности, например под углом 30 к оси Ох пьезокварца УХ 1./-45-среза.Технико-экономическая эффективнесть данного датчика давления состоит в повышении чувствительности и уменьшении температурной погрешности в широком температурном интервале..Н дписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,аказ 4178/38 Тираж 89 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, РаувА. Зосимове Корректор Л. Пилипен омитета СССРи открытийкая наб., д. 4/5