Датчик для измерения давления

Датчик для измерения давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения полного давления (давления звука), звукового давления, статического давления и т.д. в авиационной технике, машиностроении, кораблестроении, нефтяной и газовой промышленности.

Известен емкостный датчик давления. Предлагается конструкция емкостного чувствительного элемента (ЕЧЭ), сборку которого осуществляют в вакууме. Мембрана ЕЧЭ разной конфигурации. Например, плоская мембрана цилиндрической формы с глухими ячейками перфорации с разными гофрами: пильчатыми, синусоидальными, тороидальными и т.д. Приводятся рациональные размеры конструкции ЕЧЭ, позволяющего измерить пульсации давления от 10³ мкПа до 10⁵ Па (30-200 дБ) и статического давления от 0 до 5·10⁵ дБ.

Такие ЕЧЭ объемного (традиционного датчика) емкостного датчика позволяют измерить звуковое давление в любой отрасли промышленности, авиационной технике, энергетике и т.д. (Патент РФ №2179308, 7 G01L 9/08 2002 г. А.А.Казарян. Емкостной датчик давления).

Датчик имеет следующие недостатки: для измерения статического давления необходимо иметь специальную измерительную аппаратуру, датчик не позволяет измерить давление звука.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является емкостный датчик давления. ЕЧЭ содержит основание из диэлектрической пленки и основной экран. На верхней поверхности основания укреплены штырьки, металлизированная нижняя обкладка конденсатора. Полость датчика капиллярным отверстием диаметром d связана с атмосферой. Мембрана датчика (верхняя обкладка) цилиндрической формы сформирована в вакууме из дисперсионных прецизионных сплавов или из разных высококачественных сплавов и из полупроводника. Сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄ тензометрического моста (ТМ) электрически изолированы от поверхности датчика диэлектрической пленкой. Мембрану соединяют с основанием, боковым экраном тонкими проводами через капиллярное отверстие с одним из штырьков. Форма мембраны может быть плоская с перфорированными ячейками: мелкого пильчатого, синусоидального, тороидального профиля гофра. На эффективной поверхности мембраны в вакууме сформирован четырехплечий тензомост (ТМ) с диагоналями а, б; в, г и активными сопротивлениями плеч r₁, r₂, r₃, r₄. Для измерения давления с выхода ТМ использована аппаратура низкой частоты (АНЧ). Диагонали а, б ТМ соединены с источником питания. Выход ЕЧЭ датчика (через один из штырьков) через усилители заряда, напряжения (УН) соединен со входом блока вычитания и индикатора. Другие диагонали ТМ в и г через АНЧ соединены с входом блока вычитания. Причем емкостный датчик поляризован отдельным источником питания.

Такие чувствительные элементы (ЧЭ) датчика давления позволяют измерять давление звука, звуковое давление, статическое давление и т.д. на исследуемом объекте методом дренирования изделий (патент РФ №2267757, G01L 9/12, G01L 9/08. А.А.Казарян, А.А.Поваров. Датчик и способ измерения давления).

Датчик имеет следующие недостатки: ЧЭ датчика давления не защищен от внешних воздействий, в частности слабо защищен от влияния внешних электромагнитных помех. Из-за некомпактности конструкции надежность датчика низкая.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, а техническим результатом - повышение надежности за счет разработки компактной конструкции датчика и применения в качестве ЧЭ датчика ТМ и ЕЧЭ, ТМ разработан на основе монокристаллической структуры «кремний на сапфире».

Технический результат достигается тем, что в датчик давления, содержащий основание из диэлектрической пленки, сформированный на ее поверхности основной экран, обкладку конденсатора, мембрану с краевым, например, с тороидальным профилем плоской формы или с гофрированным профилем, собранные в пакет, штырьки, соединяющие обкладку, мембрану, основной экран, тензометрический мост с внешней цепью, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие, на поверхности мембраны сформирован тензометрический мост, электрически изолированный от поверхности мембраны слоем диэлектрической пленки, причем датчик снабжен аппаратурой низкой частоты, источником питания постоянного тока, усилителем заряда и напряжения, блоком вычитания, индикатором, при этом первое плечо тензометрического моста соединено с индикатором и с входом блока вычитания, который присоединен к индикатору, емкостный выход датчика через штырек, усилитель заряда и напряжения соединен с входами блока вычитания и индикатора, дополнительно введены тензометрический и емкостный чувствительные элементы датчика на основе «кремния на сапфире», защитная сетка, клеммная колодка со штырьками, опорная трубка с крышкой, корпус, залитый мягкой герметикой, по два резистора и конденсатора, причем верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с жилой кабеля, с первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем емкостный чувствительный элемент и тензометрический мост соединены на одном выходе источника постоянного тока и питают датчик давления одним напряжением, а блок вычитания расположен внутри корпуса датчика.

На фиг.1 изображена конструкция датчика давления в сборе и на фиг.2 - блок-схема устройства измерения давления. На фиг.1 датчик давления содержит основание 1 из диэлектрической пленки и основной экран 2. На верхней поверхности основания 1 расположена нижняя обкладка конденсатора 3. На поверхности нижней обкладки расположено диэлектрическое кольцо 4. Мембрана датчика представляет собой круглую (возможна и квадратная форма) двухслойную жесткую массу, состоящую из жестко соединенных между собой слоев металлической 5 и диэлектрической 6 пленок. Металлическая пленка 5, например, из титанового сплава ВТ-9, диэлектрическая пленка 6 из искусственного сапфира. На поверхности диэлектрической пленки 6 (сапфировой подложке) расположен тензомост ТМ 7 (тензочувствительная схема), изготовленный на основе монокристаллической структуры «кремний на сапфире». Для надежного съема сигнала с выводов ТМ 7 и ЕЧЭ 7' предусмотрена специальная клеммная колодка 8, колодка 8 оснащена штырьками 9 (или гермоводами). Образованный жгут 9а (связка проводов) выходит наружу для соединения с внешней цепью. Блок вычитания 10 расположен рядом с колодкой 8 (фиг.1). Внутренняя полость ЕЧЭ 7' с атмосферой связана капиллярным отверстием опорной трубки 11 с диаметром d. На конец опорной трубки 11 надевают крышку 11а. Все узлы от 1 до 11 позиции, собранные в пакет, располагают внутри корпуса 12. Корпус 12 оснащен шестигранным выступом 12а для крепления датчика на исследуемом объекте (ИО). ТМ от внешних воздействий защищен сеткой 13. Корпус 12 заливают мягким компаундом 14.

Блок-схема измерения давления (фиг.2) содержит ТМ 7 с диагоналями а, б (первое плечо), в, г (второе плечо) и активными сопротивлениями r₁, r₂, r₃, r₄. Использована аппаратура низкой частоты 15 (АНЧ). Диагонали а, б ТМ соединены с источником питания 16. Из источника 16 одновременно одинаковым напряжением (как ТМ) поляризуют ЕЧЭ, состоящий из нижней 3 и диэлектрической пленки 6 обкладок, размещенных в конструкции датчика давления 11. Выход ЕЧЭ датчика (один из штырьков 9) через конденсатор С2, усилитель заряда (УЗ) 18, усилитель напряжения (УН) 19 соединен с входами блока вычитания 10 и индикатором 20. Другие диагонали ТМ в и г через АНЧ соединены с входом блока вычитания 10. Поляризацию ЕЧЭ и питание усилителей заряда 18 и напряжения 19 осуществляют блоком питания 16. Входом датчика являются слои металлической 5, диэлектрической пленок 6 и ТМ 7, на которые подают давление. Выбранный кабель 21 марки АВКТ-6 используют в условиях эксплуатации с повышенной радиацией, вибрацией, температурой. Нижняя обкладка 3 ЕЧЭ через жилу кабеля 21 и первый конденсатор С2 соединена с отрицательным полюсом УЗ. Диэлектрическая пленка 6 и основной экран 2 (фиг.2) ЕЧЭ соединены с экраном антивибрационного кабеля 27 и в точке В местного заземления. Положительный полюс УЗ является общей шиной устройства. Основной экран 2 ЕЧЭ звукового давления, отрицательный полюс источника поляризации (питания) 16 через экран кабеля 21 соединены с общей шиной устройства (положительный полюс). Второй конденсатор С1, резисторы R1 и R2 соединены в одной точке в «звезду». Резисторы R1 и R2 между собой соединены последовательно и свободный конец R1 соединен с первым конденсатором С2 и жилой кабеля 21. Другой конец резистора R2 соединен с положительным полюсом источника поляризации 16. Отрицательный полюс источника поляризации соединен с положительным полюсом УЗ 18.

Датчик с ЕЧЭ имеет высокое выходное сопротивление и при поляризации, в частности, напряжением постоянного тока на выходе имеет электрический сигнал мощностью ~10^-13÷10^-15 Вт. Такой сигнал по кабелю через согласующую цепь, т.е. УЗ можно передавать на большие расстояния (50 м и больше). Одним из возможных вариантов согласующих цепей является УЗ. УЗ обеспечивает высокое входное сопротивление с закрытым входом. Усилитель не чувствителен к наводкам и помехам, вызываемым колебанием кабеля. УЗ разработан на базе операционного усилителя глубокой отрицательной обратной связью (А.А.Казарян, Л.М.Москалик. Устройство для измерения звукового давления. Патент РФ №2281470, 2006 г., Бюл. №22).

Чтобы на выходе ТМ получить электрический сигнал, пропорциональный сопротивлению, изменяющемуся под воздействием давления, к ним, т.е. к этим сопротивлениям r₁, r₂, r₃, r₄, должно быть подано электрическое напряжение U_п из источника питания 16. В принципе ТМ можно питать как постоянным, так и переменным напряжением. ТМ, питающийся напряжением постоянного тока и выполненный с помощью металлических или полупроводниковых тензорезисторов, не требует фазовой балансировки. Если ТМ не сбалансирован на выходе ТМ (где подключена АНЧ 15 в диагоналях в, г), то мост не находится в состоянии равновесия, возникает напряжение на выходе АНЧ U_вых. Между напряжениями выходным и питания существует известная зависимость: . При воздействии давления сопротивление ТМ можно представить состоящим из переменной и постоянной составляющих:

где , а r₀ - начальное сопротивление ТМ. Если все сопротивления моста равны, ТМ при Δr=0 уравновешен. В принципе ТМ можно выполнять с двумя активными, одинаково изменяющимися сопротивлениями, т.е. имеем полумост. Полумост характерен тем, что r₁=-r₂,r₃=-r₄, как Δl=Δl₁=-Δl₂, Δl₃=-Δl₄=0. При этом напряжение U_п и U_вых взаимно связано как: . Полный ТМ с четырьмя активными, одинаково изменяющимися сопротивлениями характеризуется тем, что

r₁=r₃=-r₂=-r₄, при этом имеем удлинение и укорочение сопротивлений, т.е. Δl₁=Δl₃=(растяжение)=-Δl₂=-Δl₄(сжатие).

Напряжение на диагоналях (выходе) моста в, г растет как:

Связь выходного напряжения с ТМ получается более очевидной, когда эта зависимость линейна и давление Р, действующее на ТМ, равно нулю. Кроме того, изменения каждого из сопротивлений моста имеют определенную направленность, чтобы не было взаимной компенсации выходного сигнала ТМ. На фиг.2 ТМ включен так, что сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄ вызывают положительное приращение выходного напряжения, имеет , откуда из начальных условий следует, что ε₁=-ε₂=ε₃=-ε₄=ε и при этом имеем .

Согласно последнему выражению можно записать, что выходное напряжение полумоста находится в соотношении , а для четверти моста . Величина коэффициента k=100÷150, с его помощью можно регулировать нелинейность ТМ.

Прелагаемые датчики базируются на основе известного высоконадежного полупроводникового датчика «Сапфир 22», в первую очередь благодаря непосредственному преобразованию деформации мембраны и ТМ в электрический выходной сигналы с выходов ЕЧЭ и ТМ на основе монокристаллической структуры «кремний на сапфире». Гибридная микроэлектроника и компактная цельносварная конструкция ТМ датчиков обеспечивают высокую надежность и стабильность метрологических характеристик в различных условиях эксплуатации.

Для создания и развития новых энергосберегающих, экологически чистых "нанотехнологий" производственных процессов, проведения исследований, научных экспериментов в авиационно-космической технике, машиностроении, энергетике, нефтехимической промышленности и для повышения точности измерения и снижения себестоимости проводимых работ крайне необходим предложенный датчик.

Решению этих проблем в значительной мере способствовали работы по модернизации комплекса тензорезистивных датчиков «Сапфир-22», проведенные специалистами НИИ теплоприбор и МПО «Манометр» (Г.Г.Иордан, А.Я.Юровский и др. Датчики давления. "Приборы и системы управления", №11, 1990, с.27-30).

В конструкции датчика давления в качестве ТМ и ЕЧЭ используют модернизированный многослойный «сэндвич» на базе «кремния на сапфире». Это позволяет охватить очень широкую область измеряемых давлений. Верхние пределы измерений различных модернизированных моделей находятся в интервале давлений от ±0,03 кПа до 1000 МПа. Использован тензорезистивный эффект в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической подложки на искусственном сапфире.

Для надежного соединения тонкостенного ТМ (0,15-0,2 мм) с выводами-штырьками применена высокотемпературная пайка в вакууме. Большая механическая прочность монокристаллической сапфировой подложки и хорошие упругие свойства, например, титановой мембраны позволяют обеспечить высокий уровень рабочих деформаций ТМ, дающие возможность изменить выходной сигнал на выходе ТМ 300-400 мВ пропорционально изменению входной величины при питании ТМ стабилизированным постоянным напряжением. ТМ «кремний на сапфире» также оснащен узлом компенсации дополнительных погрешностей, возникающих, например, при изменениях температуры и/или статического давления контролируемой среды, температуры окружающей среды, напряжения питания, влажности. Компенсационный узел входит в составе сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄ в ТМ и находится на поверхности диэлектрической пленки из сапфира. Для измерения сверхвысоких давлений (160-1000 МПа) мембрану ЕЧЭ выполняют (изготавливают) с гофрированным профилем с ячейками мелкого пильчатого профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками глубокого пильчатого профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками трапецеидального профиля гофра, с гофрированным профилем с ячейками синусоидального профиля гофра.

Достоинствами монокристаллического сапфира является то, что в нем отсутствует гистерезис и усталостные явления, присущие металлу, а также тепловые деформации, возникающие из-за разницы температурных коэффициентов расширения сапфира и металла (титана) при соединении ТМ с металлическим корпусом датчика и приводящие к дополнительным температурным погрешностям.

Для изготовления сапфировой мембраны для разных пределов измерения давления известны разработанные методы плазмохимического травления сапфира, которые могут осуществляться при температурах, не превышающих 700°C. Травление сапфира происходит в результате его взаимодействия со свободными радикалами атомарного фтора. Скорость травления сапфира значительно зависит от температуры и связана с равномерностью травления мембраны ЕЧЭ больших размеров. На поверхности мембраны ЕЧЭ сопротивления r₁, r₂, r₃, r₄, ТМ расположены с края на поверхности диэлектрической пленки из сапфира, что позволит ТМ работать в условиях чисто упругой деформации. Это обеспечивает повышение линейной зависимости U_вых выходного напряжения ТМ от действия давления. В ТМ тензорезисторы r₁-r₄ могут быть из кремния проводимостью p-типа с кристаллографической ориентацией (001). Подробности создания профилированных мембран способом плазмохимического травления сапфира приводятся в работе (А.Л.Ачертанский, А.Ю.Тягинский, А.В.Белоглазов. Использование плазмохимического травления сапфира для создания профилированных чувствительных элементов. «Приборы и системы управления» 1997, №11, с.50-52).

Металлические узлы датчика давления, т.е. штырьки 9, опорная трубка 77 с крышкой 11а, корпус 72 с шестигранным выступом 12а, защитная сетка изготавливаются из различных коррозийно-стойких материалов. Например, корпус и защитная сетка из сплава 29НК (Корар) или из стали 12Х18Н10Т. Габаритные размеры датчика: длина L=25÷35 мм, диаметр D=11÷12 мм. Штырьки изготавливают из проволоки МТ-0,4, опорную трубку из трубы, трубка 1×0,25, из стали 12Х18Н10Т, трубка стандартная. Клеммную колодку изготавливают из разного диэлектрика в зависимости от условия измерения давления в диапазоне температуры от -50 до+80°C, например из стержня эбонита Б-10. Мягкий заливочный компаунд 14 низковязкий эластичный для упрочнения, герметизации и изоляции электрических цепей марки ЭЛК-12, работоспособный при высоких вибрационных и ударных нагрузках в интервале температуры от -60 до +120°C. В случае необходимости соединения с ЭЛК-12 могут быть демонтированы.

Использованный АНЧ известен в измерительной технике в 4- и 8-канальном исполнении на несущей частоте. Четырех- и восьмиканальные АНЧ предназначены для усиления сигналов с ТМ при измерении полного давления (давление звука) и статического давления исследуемого объекта. Согласование электрического сигнала с выхода емкостного датчика осуществляют УЗ, затем усиливают, нормируют в УН и подают на индикатор. Согласование и усиление электрического сигнала с выхода емкостного датчика можно осуществлять аппаратурой фирмы «Брюль и Къер» (Дания), РИОН (Япония), RFT (Германия). Опыт измерения давления показал, что датчики давления могут быть подключены к зарубежной аппаратуре без применения дополнительной схемы согласования. В некоторых случаях приходится выбирать ответную часть разъема датчика. Отечественные усилители заряда выполнены на интегральной микросхеме 544УД1. Для измерения звукового давления также используют аппаратуру «ЗАРЯД», УЗ РШ2731/4. Электрическая емкость датчиков от 3 пФ и выше (практически без ограничений) согласуется со входом усилителя заряда. Выходное напряжение 5 В, 10 В. Выход аппаратуры рассчитан на работу с аналого-цифровыми преобразователями, шлейфовыми осциллографами, магнитными накопителями и т.д. В АНЧ для согласования ТМ с внешней электрической цепью используют усилитель постоянного тока (УПТ), затем выход УПТ согласуют с входом усилителя низкой частоты. Входной каскад УПТ выполнен по дифференциальной схеме.

ЕЧЭ датчика от внешних электромагнитных воздействий защищен корпусом, сеткой, основным экраном путем соединения экранов проводов 21 с основным экраном 2 и местным заземлением в точке В. Введение дополнительных элементов в устройстве (датчике) позволяют изолировать емкость ЕЧЭ датчика от емкости кабеля с помощью введения цепи резисторов R1, R2, второго конденсатора C1 и компенсировать емкость кабеля. Это позволяет увеличить расстояние между датчиком и усилителем заряда в (частности до 50 м). Длина кабеля между датчиком и УЗ ограничивается только проводимостью кабеля и частотными свойствами ЕЧЭ. Выбранные резисторы R1, R2 по величине одинаковы. Надежность датчика повышается за счет защиты УЗ от попадания напряжения поляризации на вход УЗ путем введения первого конденсатора C2 между ЕЧЭ и УЗ. Надежность также повышается за счет измерения полезного сигнала и подачи напряжения питания ТМ и поляризации ЕЧЭ датчика с одним кабелем (проводом) 21.

Четырехплечий ТМ с разными сопротивлениями от r=30-400 Ом; r=100-400 Ом; r=200-400 Ом. При этом напряжение на выходе АНЧ U_ВЫХ.=±5 В (при сопротивлении нагрузки 160-170 Ом). ТМ, разработанный на базе «кремния на сапфире», питают напряжением постоянного тока 36 В или 15-42 В. Одновременно эти напряжения являются напряжением поляризации ЕЧЭ.

Таким образом, предполагается, что предложенное устройство позволяет в заданной точке исследуемого объекта одним датчиком, состоящим из ТМ и ЕЧЭ, одновременно с измерением звукового давления измерить давление звука и статическое давление.

Устройство функционирует следующим образом.

Датчик располагают на определенном участке ИО и на него не задают давление (его изолируют от воздействия давления) P=0.

При этом с выхода АНЧ и УН на индикаторе регистрируют сумму сигналов собственных шумов аппаратуры и внешние помехи, т.е. измеряют нулевые сигналы. На выходе АНЧ регистрируют электрический сигнал U₀, т.е. электрический сигнал, пропорциональный начальному нулевому сигналу. На выходе УН регистрируют - Ũ₀. На датчик задают стандартное калибровочное, звуковое давление Р≠0. В этом случае с выхода АНЧ регистрируют сигнал U_вых. и на выходе УН - Ũ_вых, т.е. измеряют основной сигнал. Оба сигнала регистрируют в индикаторе, затем определяют коэффициенты преобразования измерительных каналов, т.е. определяют значение последних сигналов с выхода АНЧ ΔU_вых.=U_вых-U₀; с выхода УН - ; при этом коэффициенты преобразования каналов определяют как: .

На датчик, т.е. на мембрану, где сформирован ТМ, задают давление звука, с непериодической функцией времени в виде интеграла Фурье. Задаваемое давление звука P(t) ИО с периодом Т, удовлетворяющее условиям Дирехле, представляют в виде ряда Фурье с вещественными членами как

где P(t), P₁, B_k и C_k - имеют размерность измерения давления, их определение известно в измерительной технике, ω - угловая частота.

Указывают, что параметры P(t), P₀, B_k C_k и т.д. непериодических функций выражены в виде суммы бесконечного множества синусоидальных функций с бесконечно малыми амплитудами давления с частотами, имеющими все возможные значения -∞ до +∞.

При этом в заданном участке ИО одновременно с одним датчиком (с одной мембраной) на выходе АНЧ регистрируют электрическое напряжение:

Как видно из формул, на выходе УН имеют звуковое давление P(t)=U(t) при постоянной составляющей U₁≡P₀ и переменных составляющих U_В=B_k, U_c=C_k напряжения в этой цепи. Следовательно, постоянная составляющая давления на входе ЕЧЭ равна нулю. И эта цепь представляет собой бесконечное сопротивление U₁ для прохождения, т.е. U₁=0. Далее сигналы с выхода АНЧ и УН одновременно поступают на индикатор для регистрации и дальнейшей обработки и на выходы блока вычитания. После вычитания в последнем блоке U(t)-Ũ(t)=U_АНЧ=P_избыт получим основной сигнал, несущий информацию об избыточном статическом давлении P_избыт ИО пропорционально напряжению U_АНЧ. Значение U_АНЧ регистрируют на индикаторе. Далее истинное значение давления звука на выходе АНЧ определяют как:

U(t)-U₀=ΔU_АНЧ, затем

На датчик задают два разных по величине статических давления, допустим . Давление P₁ действует со стороны защитной сетки, и давление действует через опорную трубу. При этом на выходе АНЧ имеем электрическое постоянное напряжения Ū₁>Ū₂, несущее информацию о дифференциальном давлении . Величину давления определяют как: . Эти напряжения регистрируют в индикаторе. Все указанные измерения проводят при наличии связи полости датчика за мембраной через опорную трубу.

Опорная труба закрыта крышкой, и полость датчика (за мембраной) изолируют от атмосферного давления и со стороны защитной сетки на мембрану задают статическое давление . При этом на выходе АНЧ регистрируют постоянное напряжение , несущее информацию об абсолютном статическом давлении , где - атмосферное давление; - заданное. Величину определяют как:

Все величины регистрируют в индикаторе. При этом на выходе УН имеем лишь сумму сигналов, сигналов шумов аппаратуры и внешних помех Ũ₀. Сигнал Ū₁ на выходе усилителя заряда равняется нулю.

Звуковое давление, преобразованное емкостным датчиком в электрический сигнал, согласуют в усилителе заряда, усиливают в усилителе напряжения и на его выходе имеют сигнал, соответствующий звуковому давлению и определяют как: .

Датчик располагают в звуковом поле и на мембрану задают звуковое давление При этом на выходе АНЧ и УН регистрируют одинаковый сигнал, несущий информацию о звуковом давлении, т.е. .

Истинное значение звукового давления определяют с помощью коэффициентов преобразования с выходов АНЧ и УН аналогичным образом, как в предыдущем пункте, т.е. .

Чтобы с выхода ЕЧЭ зарегистрировать сигнал от воздействия статического давления, УЗ и УН заменяют мостом переменного тока, в частности, типа Р-5058. В этом случае при изменении статического давления от нижнего до верхнего предела определяют изменения выходного сигнала U от нижнего до верхнего значения, пропорционально изменению измеряемого давления (от - до +). При этом определяют приращение емкости ΔC=C_т±C₀; где C_т - текущее значение емкости ЕЧЭ, когда ; С₀ - начальная емкость ЕЧЭ при давлении P_ст=0. Кроме моста Р-5058, для измерения можно использовать специально разработанную аппаратуру. Рассмотрение последнего вопроса не входит в рамки предложенного изобретения.

Принцип работы устройства. При изменении давления ΔP деформируются слои металлической 5 и диэлектрической пленки 6. За счет деформации мембраны одновременно изменяется расстояние между мембраной 5 и нижней обкладкой конденсатора 3. За счет прогиба мембраны 5 происходит деформация ТМ 7. В результате прогиба мембраны изменяется начальная емкость ЕЧЭ 7' C₀, сопротивление ТМ r₀, приращения ΔC, Δr и относительное изменение емкости (ЕЧЭ) и (ТМ). Напряжение поляризации постоянного тока U_п, из блока 16 через резисторы R₂ и R₁ подают металлическому слою 5, экрану 2 ЕЧЭ и на экран кабеля 21. Сигнал с выхода нижней обкладки 3 ЕЧЭ снимают через центральную жилу кабеля 21. Напряжение питания U_п с выхода блока 16 подают к одной из диагоналей а, б ТМ 7. При этом напряжение на выходе ЕЧЭ (между обкладками 3 и 5) и ТМ (между другими диагоналями в, г моста) пропорционально приращению , напряжению поляризации ЕЧЭ и питанию ТМ соответственно.

С этой целью в ЦАГИ был исследован ЕЧЭ из кремния с диаметром мембраны 4 мм, расстоянием между мембраной и нижней обкладкой 1 мкм, с плоской мембраной толщиной 6 мкм. Амплитудная характеристика определялась при уровне звукового давления от 0 до 11 Па (0-131дБ), частоте 30 Гц. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц составляет 12-15%. Нелинейность амплитудной характеристики менее одного процента. Коэффициент преобразования канала 1,26 . Собственные шумы и помехи на выходе усилителя заряда 30-40дБ. Напряжение поляризации ЕЧЭ 100 В. ТМ сопротивлением r₀=800 Ом создан на базе чувствительных элементов давления толщ. 15 мкм, диаметром 3 мм из кремния. С помощью этого датчика возможно измерять звуковое давление (при условии, что статическое давление ИО равно нулю), давление звука и статическое давление (при условии, если звуковое давление ИО равно нулю). Коэффициент преобразования этих датчиков находится в пределах 0,55-3,5 . Верхний предел от диапазона измерения давления датчиков по линейности не менее 175 дБ. Напряжение разбаланса датчиков при работе с аппаратурой АНЧ-22 от начального значения (уход нуля) в течение 50 мин находилось в пределах 7,5-120 мкВ. Напряжение питание ТМ 5 В.

В НИИтеплоприбор на базе технологии плазменно-химического травления «кремния на искусственном сапфире» были модернизованы серии датчиков, например, в комплекс «Сапфир 22М» входят 45 различных моделей датчиков абсолютного давления («Сапфир-22М-ДА»), избыточного давления («Сапфир22М-ДИ»), разрежения («Сапфир 22М-ДВ»), («Сапфир-22М-ДИВ»), разности давлений («Сапфир-22М-ДД») и т.д. («Приборы и системы управления», 1990, №1, стр.27-30).

Высокий технико-экономический эффект достигается за счет совокупного действия известных решений, и это выгодно отличает изобретение от выбранных аналога и прототипа. Конкретным решением является возможность в одной конструкции с одним чувствительным элементом давления, одновременно в заданном участке измерять давление звука, звуковое давление (пульсации, ударные, ветровые волны), статическое давление (избыточное, абсолютное, дифференциальное или разности разрежения), что позволяет получить ряд преимуществ: сократить затраты на эксперимент, сократить затраты на материалы для изготовления датчиков, повысить помехоустойчивость измерительных каналов, сократить число измерительных проводов, расширить область применения, повысить надежность.

Датчик для измерения давления, содержащий основание из диэлектрической пленки, сформированный на ее поверхности основной экран, обкладку конденсатора, мембрану плоской формы или с гофрированным профилем с краевым, например, тороидальным профилем, собранные в пакет, штырьки, соединяющие обкладку, мембрану, основной экран, тензометрический мост с внешней цепью, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие, на поверхности мембраны сформирован тензометрический мост, электрически изолированный от поверхности мембраны слоем диэлектрической пленки, причем датчик снабжен аппаратурой низкой частоты, источником питания постоянного тока, усилителем заряда и напряжения, блоком вычитания, индикатором, при этом одна из диагоналей тензометрического моста соединена с источником питания, а вторая диагональ тензометрического моста через аппаратуру низкой частоты (АНЧ) соединена с индикатором и с входом блока вычитания, который присоединен к индикатору, емкостной выход датчика через штырек, усилители заряда и напряжения соединен с входами блока вычитания и индикатора, отличающийся тем, что тензометрические чувствительные элементы тензометрического моста и емкостные элементы конденсатора выполнены на основе «кремния на сапфире», а в состав датчика дополнительно введены защитная сетка, клеммная колодка со штырьками, опорная трубка с крышкой, корпус, залитый мягкой герметикой, по два резистора и конденсатора, причем соединение емкостного выхода датчика с входами блока вычитания и индикатора осуществлено также через первый конденсатор, верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с жилой кабеля, с первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, второй резистор соединен с положительным полюсом источника поляризации, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем емкостной чувствительный элемент и тензометрический мост соединены на одном выходе источника постоянного тока и питают датчик давления одним напряжением, а блок вычитания расположен внутри корпуса датчика.