Датчик тиску

1 Датчик тиску, який містить основу, кришку зі штуцером з різьбою і плоский круглий п'єзоелемент АТ-зрізу з електродом на його поверхні, оберненої до основи, защемлений між кришкою і основою, який відрізняється тим, що в нього додат кова введені обойма, яка містить СПІВВІСНІ внутрішню проточку і наскрізний отвір, поперечні бокові вибірки, що утворюють дві пари діаметрально протилежних опорних виступів, причому кожен виступ пари зміщений відносно іншого на 60°, кришка, яка містить циліндричний виступ зі сторони, оберненої до п'єзоелемента, а згадані обойма, кришка і основа з'єднані між собою легкопресовою посадкою 2 Датчик тиску по п 1, який відрізняється тим, що в нього додатково введена гайка налагодження, яка має різьбове з'єднання зі штуцерною частиною кришки, а основа штуцерної частини містить кільцеву проточку Запропонований винахід відноситься до контрольно-вимірювальної техніки, зокрема до п'єзорезонансних датчиків тиску з частотним виходом, і може бути використаний в медицині для вимірювання тиску пульсової хвилі (динамічного тиску) під час проведення сфігмографічних досліджень серцево-судинної системи людини Відомий п'єзорезонансний датчик тиску, який містить корпус з металевою мембраною та дисковий кварцовий п'єзоелемент АТ-зрізу, що встановлений паралельно мембрані з утворенням зазору і доповнений електродом на поверхні, яка протилежна мембрані [1] Недоліком цього пристрою є низька точність, яка обумовлена гістерезисом датчику із-за недосконалості кріплення металевої мембрани до корпусу, а також високою похибкою встановлення початкового зазору між мембраною і кварцовим п'єзоєлементом Відомий датчик тиску, що містить корпус, плоску чи гофровану мембрану з жорстким центром з електропровідного матеріалу і дисковий плоско випуклий кварцовий п'єзоелемент АТ-зрізу, який звернений плоскою поверхнею до плоскості мембрани і доповнений електродом на випуклій поверхні [2] Основним недоліком цього пристрою також є невелика точність, що зумовлена похибкою завдання початкового зазору і складністю встановлення плосковипуклого кварцового п'єзоелемента паралельно мембрані Окрім цього, при використанні даного п'єзоелементу, суттєво зменшується розрізнювальна здатність датчика за рахунок того, що ємнісне відношення m плоско випуклого п'єзоелемента на першій механічній гармошці в 2,3 3,2 рази менше, чим у плоского, причому це зниження тим більше, чим більше кривизна сфери лінзи В якості пристрою - прототипу вибраний датчик повітряного тиску [3, Crystal pressure cup for differential air loading / E A Roberts, P Goldsmith Опубл в Electronical Egineermg V70, 1951, pp 776], який містить кришку зі штуцером для подачі повітряного тиску, основу і защемлений між кришкою та основою дисковий плоский кварцовий п'єзоелемент АТ-зрізу з електродами на обох поверхнях Недоліком пристрою - прототипу є недостатня розрізнювальна здатність при вимірюванні динамічного (пульсового) тиску, яка обумовлена малою перестройкою частоти в діапазоні вимірюваних тисків, що являється наслідком малої тензочутливості п'єзоелемента [4, Малов В В Пьезорезонансные датчики М , 1989, с 73] Окрім цього, різниця температурних коефіцієнтів ЛІНІЙНОГО розширення п'єзоелемента, кришки та основи призводить до збільшення температурної похибки за рахунок термомеханічних напруг та проявлення неінформативного ефекту тензочутливості кварцової резонуючої мембрани, що призводить до додаткової перестройки частоти, причому при малих вимірюваних тисках величини інформаційної та неінформаційної перестройок частот становляться зрівняльними Низька розрізнювальна здатність пристрою прототипу пояснюється наступним чином (О со о> о> ю 59936 Прикладений до пристрою - прототипу надлитиску розрізнювальну здатність Пропонуємий шковий повітряний тиск викликає малий прогин (на пристрій не має цього недоліку, що підтверджуєтьпорядок менше його товщини) плоского дискового ся як теоретичним аналізом, так і експериментап'єзоелемента АТ-зрізу, а в його площині виникальним макетуванням ють механічні напруги розтягу - стиску, які призвоВ основу винаходу поставлена задача підвидять до зміни власної резонансної частоти п'єзощення точності вимірювань елемента Величина цієї зміни визначається коеПоставлена задача підвищення точності виріфіцієнтом інтегральної тензочутливості п'єзоелешується тим, що у запропонованому пристрої домента, значення якої у ВІДПОВІДНОСТІ ДО [4] визнадатково введені, обойма, що містить СПІВВІСНІ внучається виразом трішню проточку та наскрізний отвір, поперечні бокові вибірки, що утворюють дві пари діаметраj _ af _ N f льно протилежних опорних виступів, кожен з яких f v 4/l "fo-ap"^o зміщений відносно іншого на 60°, кришка, яка містить циліндричний виступ зі сторони, оберненої до де N - частотна постійна (для п'єзоелемента п'єзоелемента, і кільцеву проточку у основи штуцера з другого боку, гайка настроювання, яка має AT-зрізу N = 1 6 7 0 ^ - [4], нарізне з'єднання зі штуцером кришки, дозволяють MM отримати позитивний ефект без суттєвого ускладKf - коефіцієнт Ратайского, нення конструкції датчика та придають суттєві ВІДЧ7 - азимут навантаження, МІННОСТІ пристрою, який заявляється, так як дані fo - власна резонансна частота п'єзоелемента признаки відсутні в відомих технічних рішеннях Р -тиск стиснення Це пояснюється наступним чином Для даного виду навантаження п'єзоелементу, 1 Введення в конструкцію датчика обойми та ВІДПОВІДНОСТІ з [4, стр 74], одержимо Формулу (1) можна представити у вигляді ,\ дї = S K = fn-ар f n ' J Де S = _af_ ар - крутизна характеристики пере творення Із (2) знаходимо значення S для п'єзоелемента з інтегральним механічним навантаженням 2 = К -Тп = Z,O -1U = U,UO/Z н ммртст Розрізнювальна здатність кварцового датчика тиску з частотним виходом визначається відношенням г= Af де Af - абсолютна нестабільність частоти генерації, яка викликана неінформаційними факторами (варіація температури, напруги живлення та тп) Приймаючи величину відносної нестабільності частоти генерації, рівній 510 8Гц, величина Af, при частоті генерації 10МГц, складе 0,5Гц У ВІДПОВІДНОСТІ з (3) розрахуємо значення розрізнювальної здатності тензочутливого кварцового датчика тиску з інтегральним механічним навантаженням - г=13,44мм рт ст Виконаний розрахунок підтверджується приведеною в [3, с 778, fig 5] градуювальною характеристикою пристрою - прототипу, по якій визначається величина розрізнювальної здатності В діапазоні прикладених тисків Рє [0,300]мм рт ст розрізнювальна здатність пристрою - прототипу змінюється від 112мм рт ст на початку характеристики до 1,5мм рт ст при максимальному навантаженні п'єзоелемента Таким чином, пристрій - прототип має недостатню для вимірювання динамічного (пульсового) кришки дозволяє отримати високу крутизну перетворення датчика та зниження температурної похибки Поверхні кришки та основи, які обернені в сторону п'єзоелемента, мають високу площинність та чистоту обробки, що забезпечено шліфовкою, притиркою або доводкою Це, в процесі зборки датчика, дозволяє забезпечити жорстке защемлення п'єзоелемента між кришкою та основою з великою силою притискання Оскільки ця сила рівномірно розподіляється по опорним поверхням п'єзоелемента, кришки та основи, то забезпечується відсутність концентраторів механічної напруги у п'єзоелементі і усування небезпеки його руйнування При такому защемленні п'єзоелемента, останній виконує роль резонуючої мембрани, гістерезис якої, враховуючі високі пружні характеристики кварцу, практично дорівнює нулю У відомому пристрої, взятому за прототип, ВІДМІННІСТЬ температурних коефіцієнтів ЛІНІЙНОГО розширення п'єзоелемента та металічних елементів його защемлення призводить до збільшення температурних похибок за рахунок термомеханічних напруг та проявлення ефекту тензочутливості резонуючої мембрани В пропонуємому пристрої температурна похибка суттєво зменшена завдяки двом особливостям конструкції датчика тиску По-перше, поверхні п'єзоелемента і металічні поверхні, які його защемляють, мають малі шорсткості, тому сили тертя, які виникають із-за ВІДМІННОСТІ температурних коефіцієнтів, малі Отже, додаткова термомеханічна похибка датчика суттєво знижена По-друге, головні термомеханічні напруги системи "обойма-кришка-п'єзоелемент-основа" зорієнтовані так, що діють в азимутах п'єзоелемента, для яких коефіцієнт Ратайского дорівнює нулю Це означає, що в ідеальному випадку ця складова температурної похибки дорівнює нулю, а практично - дуже мала В зібраній конструкції передбачується герметизація камери тиску шляхом заповнення бокових вибірок у обоймі силіконовим герметиком Це до 59936 п'єзоелемента 5 рухомого електрода 10, заповнено ущільнювачем 8 Другий отвір забезпечує зв'язок внутрішнього об'єму датчика з зовнішньою середою Після зборки датчика, бокові вибірки, які виконані у обоймі 4, заповнюються герметиком 11, завдяки чому досягається герметизація камери тиску Датчик повітряного тиску, який заявляється, працює наступним чином При відсутності надлишкового по відношенню до атмосферного тиску повітря у камері тиску, обмеженою п'єзоелементом 5 і внутрішньою поверхнею кришки 1, деформацій п'єзоелемента 5, яка виконує роль резонуючої мембрани, не відбувається, так як внутрішній об'єм основи 7 не герметизований і тиск на п'єзоелемент 5 з обох сторін однаковий Кварцовий резонатор, утворений п'єзоелементом 5 і циліндричним виступом 6, оберненим до п'єзоелемента 5, та ввімкнений в схему автогенератора первинного вимірювального перетворювача потенціальним виводом 9 і корпусним загальним виводом датчика (на фіг 1 не показаний) збуджується на частоті, яка відповідає нульовому надлишковому тиску 3 виходу автогенератора знімається інформаційний Таким чином, можливість механічної підстройсигнал, частота якого fo відповідає початку градуки датчика дозволяє суттєво звузити область розювальної характеристики датчика За тиску у касіювання індивідуальних градуювальних характемері тиску, який перевищує повітряний, відбуваристик від зразка до зразка, що підвищує точностні ється малий прогин п'єзоелемента 5, защемленого характеристики серійних зразків між кришкою 1 та основою 7, в результаті чого Суть винаходу пояснюється кресленнями, на величина зазору між вільною поверхнею п'єзоелеяких приведені конструкція датчика (фиг 1) та осмента і поверхнею циліндричного виступу 6 збільновного елементу його конструкції - обойми (фіг 2) шується, що призводить до збільшення частоти Пропонуємий датчик тиску містить защемлеf(P) Величина прогину п'єзоелемента 5 визначаний між встановленими у обоймі 4 кришкою 1 і ється у ВІДПОВІДНОСТІ до [5] наступним чином основою 7 п'єзоелемент 5, причому останні з'єднані з обоймою 4 легкопресовою посадкою .2 , ,,2 Обойма 4 виконана із м'якого металу, наприw(x,y) = w o ( 1 - X (4) клад латуні, містить внутрішню вибірку і наскрізний г отвір, що утворюють опорний виступ 13 Наявність -1 С 11 С ц + 2 - С 44 внутрішньої вибірки забезпечує легкопресову поw o (p) = P- 4-h (5) садку в ній кришки 1 і основи 7 Обойма 4 також містить поперечні бокові вибірки, що утворюють де г - радіус поверхні мембрани, вільної від дві пари діаметрально протилежних опорних визащемлення, ступів 15, причому кожен виступ пари зміщений h -товщина мембрани, відносно другого на 60° По бісектрисі кута 60° на СЦ, С-І2, С44 - модулі пружності кварцу, боковій поверхні обойми 4 виконана проточка 14, х, у - координати точок мембрани що являється "ключем" для точної орієнтації п'єКрім того, наслідком прогину п'єзоелемента 5 зоелемента 5 відносно опорних виступів 15 по йоє виникнення в останньому механічних напруг розго кристалографічній ВІСІ Z' тягу - стиску, що також призводить до зміни частоти /(Р) у зв'язку з проявленням механізму тензочуКришка 1 і основа 7 виконані із сплаву тливості п'єзоелемента 5 36НХТЮ, при цьому поверхні останніх, стикненні з п'єзоелементом 5, мають високу площинність та В результаті, мають місце два механізми керучистоту механічної обробки Кришка 1 зі сторони, вання частотою кварцового резонатора ємнісне оберненої до п'єзоелемента 5, містить циліндричкерування, за рахунок зміни величини зазору між ний виступ 6, який виконує функцію нерухомого вільною поверхнею п'єзоелемента та поверхнею електрода 3 протилежної п'єзоелементу 5 стороциліндричного виступу 6, і керування на основі ни кришка містить зустрічну опорному виступу 13 ефекту тензочутливості Вкладом в керування часобойми 4 вибірку 12 і штуцерну частину для подачі тотою за рахунок останнього по зрівнянні з перповітряного тиску у камеру тиску датчика, обмежешим можна зневажити Тому форма градуювальною п'єзоелементом 5 та внутрішньою поверхнею ноі характеристики датчика визначається механізкришки 1 Штуцерна частина має різьбу для з'єдмом ємнісного керування у ВІДПОВІДНОСТІ ДО форнання з гайкою налагодження 2, а в її основі викомули нана кільцева проточка 3, що утворює кільцевий пружний шарнір В донній частині основи 7 виконані два отвори 0,5m m f (w) = f 0 1+ , (6) Один з цих отворів, через який виведений по1+ тенціальний вивід 9, розташованого на поверхні ,w ,w зволяє зберегти герметичність камери тиску, яка утворена обоймою, кришкою та п'єзоелементом, при відсутності відчутного механічного тиску на вільну від прямого механічного контакту з обоймою поверхню п'єзоелемента за зміни температури зовнішньої середи 2 Введення в конструкцію датчика гайки налагодження дозволяє здійснити механічну підстройку датчика СПІВВІСНІ внутрішня проточка і наскрізний отвір, що містяться в обоймі, утворюють опорний виступ, за допомогою якого в процесі зборки відбувається фіксація кришки, яка має на своїй ЗОВНІШНІЙ поверхні зустрічну вибірку Кільцева проточка в основі штуцерної частини кришки утворює кільцевий пружний шарнір, який допускає пружне переміщення циліндричного виступу кришки, оберненого в сторону п'єзоелемента, відносно гайки настроювання, встановлюючи тим самим необхідний початковий зазор між поверхнею п'єзоелемента та корпусним електродом Це призводить до підстройки резонансної частоти датчика в межах завданого допуску 59936 fo - номінальна частота коливальної системи при w=0, h ne - частотний визначний розмір п'єзоелемента (товщина), m - ємнісне відношення Цей вираз може бути з великою степенем точності апроксимований дрібно - ЛІНІЙНОЮ функцією першого порядку -Р , (7) а 2 -Р де ао, з-і, аг- коефіцієнти апроксимації, Р - прикладений тиск Макетний зразок запропонованого датчика тиску містить защемлений між встановленими в обоймі кришкою і основою дисковий плоский п'єзоелемент АТ-зрізу діаметром 18мм та товщиною п пе -169мкм, що відповідає частоті fo= 10МГц Поверхня п'єзоелемента, яка обернена в сторону основи, містить електрод виду "замочная скважина" з діаметром 8мм В ході експерименту до макетного зразка прикладався тиск від 0 до 300мм рт ст У ВІДПОВІДНОСТІ до (4) була визначена максимальна величина прогину п'єзоелемента, яка склала 16,23мкм, що на порядок менше його товщини По експериментально отриманій градуювальній характеристиці макетного зразка запропонованого датчика тиску визначені - величина розрізнювальної здатності в діапазоні прикладених тисків рє [0,300]мм рт ст змінюється від 0,009мм рт ст на початку характеристики до 0,024мм рт ст при максимальному прикладаємому тискові, - повна перестройка частоти складає 9,5кГц, що перевищує величину перестройки частоти пристрою - прототипу більш ніж в 150 разів, f(p) = а0 13 Фіг. 1 8 величина гістерезису після максимального навантаження не перевищує 2Гц, - коефіцієнти апроксимації, які визначаються у ВІДПОВІДНОСТІ до (7), складають а 0 = 1938,87Гц,Э1 = 63,95 Г Ч/ / нн рт ст ,а 2 =0,002308 V / нн рт ст Практично повна відсутність гістерезису, термомеханічної похибки, стабільність характеристики перетворення і можливість оптимального вибору початкового зазору забезпечують значне підвищення точності і розрізнювальної здатності пропонуємого датчика в порівнянні з відомим Це, в свою чергу, дозволяє суттєво підвищити достовірність сфігмометричних досліджень стану серцево судинної системи людини за допомогою комп'ютерних методів Література 1 Вильшук В А , Фроловский С И Пьезорезонансные датчики с переменным зазором // Пьезо и акустоэлектронные устройства - Омск ОМПИ, 1981, С 102-105 2 А с СССР №1326921 G01L11/00, 9/8 Пьезорезонансный датчик давления / Ю С Шмалий и др -Опубл в Б И №28,1987 3 Е A Roberts, P Goldsmith Crystal pressure cup for differential air loading / Electrical Engineering V70, 1951, pp 776-780 4 Малов В В Пьезорезонансные датчики М Энергоатомиздат, 1989 -272с 5 Мюллер В Экспресс-информация Сер Контрольно-измерит техника Интегральные измерительные преобразователи давлений с полупроводниковыми мембранами и тензорезисторами 1984 №19, стр9-17 59936 10 7 Кристалографічна вісь Z' п'езоєлемента Фіг. 2 Комп'ютерна верстка Л Ціхановська Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна