Датчик давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля давления газообразных и жидких сред,Целью изобретения является повы 5шение точности измерения давления.На фиг. 1 изображен датчик давления, разрез; на фиг, 2 - разрез А-Ана фиг. 1 на фиг. 3 - дифференциально-частотная схема измерения.Датчик содержит чувствительныйэлемент 1, выполненный в .виде монокристаллической колпачковой мембраны с утолщенной периферийной частью,которая посредством штока 2 соединена с пьезоэлектрическим диском 3,расположенным внутри глухого торцового отверстия 4 пьезоэлектрическойпластины 5. Глухое торцовое отверстие 204 выполнено по оси симметрии пластины 5 диаметром, превышающим толщинупластины 5, Это условие являетсяобязательным для работы предлагаемого датчика, В то же время диаметр 25нельзя увеличивать бесконечно, поскольку при этом поверхностная акустическая волна (ПАВ), проходящая попьезоэлектрическому диску 3, диаметркоторого равен диаметру отверстия, 30может иметь искажения, Для исключенияпогрешностей, связанных с распространением ПАВ по диску 3, допустимым является превышение диаметра по сравнению с толщиной пластины 5 в пределах 10Пьезоэлектрический диск 3имеет толщину не более 1,5 мм и диаметр отверстия пластины. Он расположен так, что может перемещаться вдольотверстия 4, Работоспособность датчика определяется контактом между пластиной и пьезоэлектрическим диском внаправлении распространения ПАВ, ауказанные погрешности объясняютсясилой трения (коэффициентом трения).Нагрузка на чувствительный элементопределяется приложенным усилием,направленным противоположно силе,создаваемой в чувствительном элементе измеряемым давлением. Следователь"но, в данном случае повышение точносОти измерения давления происходиттолько за счет наличия акустическогоконтакта. Поэтому осуществить требуемую точность можно путем выборасоответствующего диска, имеющего кон.такт с пластиной, но не обладающегобольшими усилиями этого контакта,Пластина 5 закреплена отверстием вниз на переходном диске 6 корпуса 7датчика, Шток 2 является связующимзвеном между пьезоэлектрическим диском 3 и чувствительным элементомдатчика. Неподвижность крепленияпластины 5 обеспечивают держатели 8,На монокристалпической колпачковоймембране 1 выполнена линия задержки(Л 3-1), состоящая из пары встречноштыревых преобразователей (ВШП) ПАВ 9,а на пьезоэлектрической пластине 5линия задержки (Л 3-2), состоящая издругой пары ВШП ПАВ 10 и периодических отражательных решеток 11. Отверстие 12 выполнено в корпусе 7 датчика с целью обеспечения вывода проводников к вторичной аппаратуре,Датчик работает следующим образом.При отсутствии измеряемого давления (фиг. 1) пьезоэлектрическийдиск 3 находится в глухом торцовомотверстии 4 пьезоэлектрической пластины 5.в определенном положении (например, соответствующем атмосферномудавлению). Диск 3 соединен с чувствительным элементом (ЧЭ) датчика, выполненным в виде монокристаллическойколпачковой мембраны 1, посредствомштока 2, а пластина 5 закреплена отверстием вниз на переходном диске 6корпуса 7 датчика с помощью держателей 8. При подаче напряжения литаниячерез выводные контакты, расположенные в отверстии 12, на входные ВШП 9и 10 оно преобразуется в частоту Г, .ПАВ, проходящая по монокристаллической колпачковой мембране 1, не изменяя своей траектории, доходит до выходного ВШП 9, обеспечивая устойчивую генерацию сигнала на частоте Г.Другая же ПАВ, распространяясь по поверхности пластины 5, достигает периодических отражательных решеток 11,В том месте дисперсионной структуры,где расстояние между соседними периодическими отражательными решеткамидостигает интервала в половину длины волны, происходит отражение ПАВ,которая пройдя через пьезоэлектрический диск 3, достигает аналогичнойобласти периодических отражательныхрешеток 11. Здесь волна отражаетсяот решеток и изменяет свою траекторию по направлению к выходному ВШП 10,. Таким образом, обеспечивается генерация сигнала частотой Г в Л 3-2, 1384983ЧПричем начальное значение Го где Ч - скорость распространенияПАВ; 1, - пространственный шаг периодических отражательных решеток, выбирается исходя из величины 3 находящейся на линии, проходящей через пьезоэлектрический диск 3 и периодические отражательные решетки 11.Эта линия соответствует направлениюакустического луча ПАВ,Возникновение генерации автогенератора на другой частоте невозможно,поскольку акустический луч, отраженных ПАВ, сместился бы относительнодиска 3 и ПАВ перешла бы на другуюсторону пластины 5, не достигнув выходного ВШП. Начальная частота Г,автогенератора, образованного усилителем 13 (фиг, 3) и ВШП, расположенными на звукопроводе 14 ЧЭ, выбирается равной частоте другого автогенератора, образованного усилителем 15,ВШП и периодическими отражательнымирешетками, расположенными на звукопроводе 16 пьезоэлектрической пластины, При этом используется дифференциально-частотная схема включенияобеих ЛЗ, в которой производится 30сравнение (вычитание) выходных сигналов двух ПАВ генератороа ЛЗиЛЗв смесителе 17 и выделение сигнала разностной частоты с помощьюфильтра нижних частот (ФНЧ) 18 на регистрирующем устройстве 19,При подаче измеряемого давленияк датчику происходит деформация ЧЭ,что в свою очередь приводит к перемещению пьезоэлектрического диска 3 40(фиг. 1) вдоль оси глухого торцового отверстия 4 пластины 5, что соответствует смещению акустическоготракта для распространения ПАВ. Приэтом оба автогенератора изменяют 45свою частоту колебаний, В первомавтогенераторе, образованном усилителе 13 и ВШП, расположенными назвукопроводе 14 ЧЭ, частота уменьшается, Это обусловлено деформациейзвукопровода 14, Во втором автогенераторе устанавливаются колебания счастотой, соответствующей пространственному шагу периодических отражательных решеток 11 (Фиг. 1) по линии, перпендикулярной оси глухоготорцового отверстия 4 пьезоэлектрической пластины 5 и проходящей черездиск 3. Изменение пространственного шага периодических отражательных решеток 11 задается их топологией таким образом, что при помещении диска 3 1, уменьшается Следовательно,частота автогенератора увеличивается,На смесителе 17 (фиг. 4) выделяетсяразность частот обоих автогенераторов я Г, которая, пройдя через ФНЧ18, фиксируется на регистрирующемустройстве 19.Возможны и другие примеры выполнения датчика с использованием материалов ЧЭ, обладающих высокими коэффициентами электромеханической связи, легкостью изготовления и возможностью применения групповой технологии ЕИеО, ВСеО а также использование в качестве пьезоэлектрической пластины с глухим торцовымотверстием непьезоэлектриков с напыленной на их поверхность пьезоэлектрической пленкой 2 пО, или СаЯ, Кроме этого, в качестве пьезоэлектрической пластины возможно использованиематричного отражательного коррелятора из Е 1 ИеО с периодическими отражательными вытравленными непосредственно на У-Е поверхности материала, сама решеткаизготавливаетсяобычно методом ионно-лучевого травления. Благодаря варьированию специально ориентированных срезов иликристаллов монокристаллического пьезоэлектрика (кварца и др,), а такжеблагодаря дифференциальной схемевключения ЛЗи Л 3-2, температурнаясоставляющая погрешности датчика может быть практически уменьшена донуля,Повышение точности измерения давления происходит за счет того, чтоблагодаря выбранной конструкции датчика можно с большей степенью точности измерить изменение частоты, пропорциональное измеряемому давлению,Чувствительность к изменению давлевния может быть выражена Я = -- . Вдротличие от существующих устройств, в которых относительная деформация () прямо пропорциональная относи ВГтельной чувствительности-- ) сУувеличением Г увеличивается дй/Г, в предлагаемом устройстве ДГ/Г определяется как изменением Г, так и изменением й, обусловленным то 1384983пологией периодических отражательных решеток, входящих в состав Л 3-2. Причем юГ=Г.-Г где Г, - уменьшается, а Г - увеличивается.Таким образом, за счет использования конструкций пьезоэлектрической пластины и мембраны, нежесткой связи между ними, изменения топологии периодических отражательных решеток, использования различных срезов пьезоэлектрических материалов, обладающих высокими коэффициентами термостабилизации, а также дифференциального включения ЛЗи ЛЗдля исключения15 температурных погрешностей, составляющих единицы процентов на 10 С, можно добиться повышения соотношеИния -- , т,е, в предлагаемом датчи Оке возможна регистрация меньшего приращения входной величины, что приводит к уменьшению эоны нечувстви-тельности при измерении давления и соответственно повышению точности,Формула и з о б р е т е н и яДатчик давления, содержащий чув 30 ствительный элемент в виде закрепленной в корпусе монокристаллическойА-А мембраны и входной и выходной встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн, размещенные на внешней поверхности мембраны,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности измерениядавления, в него введена консольнозакрепленная в корпусе пьезоэлектрическая пластина с дополнительнымивходным и выходным встречно-штыревыми преобразователями поверхностныхакустических волн и периодическимиотражательными решетками, размещенными на ней, которые симметрично расположены по обе стороны от глухогоотверстия, выполненного в пластинепо оси ее симметрии со стороны торцовой части, обращенной к мембране,при этом гребенчатые электродывстречно-штыревых преобразователейперпендикулярны оси глухого отверстия, а периодические отражательныеорешетки расположены под углом 45 коси глухого отверстия, при этом мембрана снабжена соединенным с ней штоком, на котором закреплен пьезоэлектрический диск, расположенный в отверстии пластины с возможностью перемещения вдоль него, причем диаметрй отверстия пластины удовлетворяетследующему соотношению: 1, 1 Ь 3 й ) Ь,где Ь - толщина пластины,1384983 Составитель Н,Матрохиктор Н.Слободяник Техред Л.Олийнык Корректор В,Бутя аказ 1405/ Тираж 847 Государственного ам изобретений и Москва, Ж, РПодписиСР б., д. Проектная, 4 роизводственно-полиграфическое предприятие,горо ВНИИПИ по де11303 комитета открытий ушская н