ЁМКОСТНОЙ ИНЕРЦИОННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, СПОСОБ ЕГО СБОРКИ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
CAPACITIVE INERTIAL PRESSURE SENSOR, METHOD OF ITS ASSEMBLY AND METHOD OF PRESSURE MEASURING

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования переходных процессов, встречающихся при измерении быстропеременного давления при создании образцов авиационной космической техники и в других отраслях промышленности.
1. Известна конструкция тонкопленочного датчика давления с твердым трехслойным диэлектриком (ДЕТ). Датчик состоит из основания с экраном, изоляционной пленки, пленки чувствительных элементов (ЧЭ), обкладки с выводами, экрана. На верхнюю поверхность нанесены обкладки и экран. Пленки между собой скрепляют клеем. На обе поверхности пленки ЧЭ методом осаждения в вакууме последовательно через маски нанесены экраны, выводы и обкладки конденсатора. Толщина металлического слоя на поверхности диэлектрической пленки составляет 50-60 нм.
Такое решение позволяет измерять быстропеременные давления (динамических нагрузок), т.е. давление, силу, моменты и т.д. (А.А. Казарян. Пленочные датчики давления. М.: из-во Бумажная Галерея. 2006. 2.1 Конструкция емкостных датчиков давления с твердым диэлектриком, стр. 91-93).
Недостатки этого датчика: низкая надежность металлизированных обкладок и токосъемных выводов толщиной 3-4 нм в случае, когда ЧЭ изготовлен из мягкого диэлектрика. Например, ЧЭ датчика выполнен из резины.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является емкостной датчик быстропеременного давления, сформированный непосредственно на объекте. Он имеет три твердые диэлектрические пленки из любого диэлектрика. Основанием датчика служит сам объект, на нем располагают первую диэлектрическую пленку со сплошным экраном. На экране лежит изоляционная пленка. Третья диэлектрическая пленка является ЧЭ датчика. На нижней поверхности находится экран, обкладки с выводами, на верхней поверхности экран, объединенные обкладки с выводами и защитный диэлектрический слой.
Такое решение обеспечивает измерение быстропеременного давления на поверхности исследуемого объекта без дополнительной ее механической обработки (А.А. Казарян. Пленочные датчики давления. М.: из-во Бумажная Галерея. 2006 3.10 Изготовления датчиков с твердым диэлектриком на поверхности модели. Стр. 179-182).
Недостатки этого датчика совпадают с недостатками выбранного аналога. Они не позволяют исследовать объект при переходе от одного установившегося режима к другому установившемуся кратковременному режиму.
2. Известен способ изготовления датчиков с твердым диэлектриком на поверхности модели. Предлагаемый способ применяют в случае сложной формы поверхности объекта. На поверхность наносят лак из полиамидокислоты. По известной технологии имидизируют, проводя термическую обработку. Затем способом термического испарения в вакууме образуют экраны, обкладки с выводами. Металлизацию и термическую обработку осуществляют путем ступенчатого изменения температуры от 80°C до 320°C, с нескольким числом циклов. Длительность каждого цикла от 5 до 15 минут (А.А. Казарян. Пленочные датчики давления. М.: из-во Бумажная Галерея. 2006 параграф 3.10 Способ изготовления датчиков с твердым диэлектриком на поверхности модели. Стр. 180-182).
Недостаток способа изготовления датчиков заключается в сложном и дорогостоящем процессе сборки. Для формирования обкладок требуется вакуумная установка, термостаты высокой температуры.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ клеевой сборки тонкопленочного датчика. После металлизации полиимидной пленки для формирования пакета проводят несколько технологических циклов: заготовку металлизированных пленок, пайку выводов. После пайки контакты и пленку очищают спиртом. Наносят на поверхность полиимидной пленки клей ГИПК - 22-25 или ГИПК - 22-26.
Для испарения остаточной влаги и растворителей пленку выдерживают при температуре 60°C в течение 6 мин, 65°C - 8 мин и 70°C - 10 мин. Затем пакет выдерживают под давлением 0,2-0,3 мПа в течение 120-160 мин при температуре 150-170°C.
Такое решение позволяет измерить быстропеременное давление на поверхности, сохраняя гладкой поверхность объекта (А.А. Казарян. Пленочные датчики давления. М.: изд-во Бумажная Галерея. 2006. Параграф 3.6 Способ клеевой сборки тонкопленочного датчика. Стр. 170-171).
Недостатком способа является сложный технологический процесс нанесения «липкого» клея ГИПК - 22-25, термическая обработка под давлением, которая влечет за собой большие затраты.
3. Известен способ измерения быстропеременного давления. Способ позволяет обеспечить высокую точность измерения полей быстропеременного давления на поверхности стеклоблока. Способ измерения быстропеременного давления осуществляют следующим образом: на поверхностях двух стекол стеклоблоков наклеивают емкостные ЧЭ; мембрану емкостных ЧЭ направляют в сторону распространения взрывной ударной волны; выделяют из полезного сигнала сигналы шумов и помех; определяют коэффициенты преобразования каналов. Затем по результатам градуировки определяют ожидаемое значение измеряемого избыточного давления. Возникающее избыточное давление преобразуют в электрический сигнал емкостным ЧЭ. Сигнал согласуют усилителем заряда, усиливают, нормируют в усилителе напряжения и регистрируют в индикаторе (компьютере) (см. патент РФ №2426079 «Способ измерения давления» авторы А.А. Казарян, В.В. Подлубный, 2011).
Такой способ измерения быстропеременного давления обладает следующим недостатком: из-за небольшого постоянного времени датчика невозможно наблюдать переходные процессы исследуемого объекта (ИО) в интервале времени 2 τ, где τ - постоянная времени емкостного ЧЭ.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является следующий способ измерения быстропеременного давления. Сущность способа заключается в том, что когда ЧЭ емкостного датчика быстропеременного давления из диэлектрической пленки используют в газовой среде, тогда к чувствительности пульсаций давления добавляется чувствительность пульсаций влажности, температуры и т.д. При этом возникает необходимость отделить полезный сигнал от помех, шумов, пульсаций влажности и температуры. Для этого путем проведения нескольких экспериментов обеспечивают выделение полезного сигнала из шумов и помех (см. патент РФ №2419076 «Способ измерения пульсаций давления», автор А.А. Казарян).
Такой способ позволяет измерять быстропеременные процессы в газовой среде на поверхности объекта без нарушения обтекания объекта потоком газа.
Недостатком этого способа измерения быстропеременного давления является неинерционность, т.е. из-за небольшого постоянного времени датчика невозможно наблюдать переходные процессы исследуемого объекта в интервале времени 2 τ.
Техническим результатом изобретения является уменьшение времени и затрат энергоресурсов ИО при переходе от одного установившегося к другому установившемуся режиму, а также увеличение времени переходного процесса и сокращение затрат на изготовления датчика. Техническим результатом является то, что в ИО для увеличения времени наблюдения за переходным процессом в газовой среде используют инерционный емкостной датчик, ЧЭ датчика изготавливают из диэлектрика с минимальной скоростью распространения внутри его звуковой волны.
Актуальными режимами ИО являются режимы пуск-остановка, изменение уровня нагрузки. Необходимо в этих режимах исследовать причины затрат энергоресурсов и большого времени перехода от одного установившегося к другому установившемуся режиму.
Поставленной задачи достигают путем разработки конструкции, способа сборки инерционного емкостного датчика и способа измерения давления в составе измерительной аппаратуры.
Технический результат достигается тем, что емкостной инерционный датчик давления, состоящий из трех диэлектрических пленок, из них первая диэлектрическая пленка содержит основной экран, вторая диэлектрическая пленка содержит нижние обкладки с выводами и экран, обе пленки из твердого полиимида, на верхней поверхности третьей диэлектрической пленки сформирована ответная обкладка с выводом и экраном, из слоев трех диэлектрических пленок собран пакет, пленки скреплены между собой и исследуемым объектом с помощью клея, в нем третья диэлектрическая пленка выполнена из мягкого диэлектрика, на ее поверхности сформирована объединенная ответная обкладка, все обкладки с выводами и экраны выполнены из медной или никелевой фольги, причем обкладки с выводами и экраны на поверхностях второй и третьей диэлектрических пленок сформированы методом фотолитографии, толщина фольги из меди или никеля от 5 до 20 мкм.
Технический результат достигается тем, что емкостной инерционный датчик давления, в котором собирают пакет датчика из трех диэлектрических пленок, из них две из твердых диэлектриков, на этих двух твердых диэлектриках из полиимида сформированы обкладки с выводами и экраны, слои диэлектрических пленок между собой и с основанием датчика скрепляют клеем, в нем выбирают материалы конструкции чувствительного элемента датчика из мягкого диэлектрика, обладающего минимальной скоростью прохождения внутри его звуковой волны и хорошей адгезией с клеевым соединением, выбирают конструкционный клей холодного отверждения, марки ЦМК-3, изготавливают двухкомпонентный клей, с компонентом 1-6,0 масс. ч., и компонентом 2-5 масс. ч., причем компоненты тщательно перемешивают, затем при необходимости снижения текучести добавляют наполнитель нитрид бора 2-3 масс. ч. и опять перемешивают до получения однородной массы, затем клей ЦМК-3 наносят на поверхность третьего мягкого диэлектрика, на него накладывают фольгу из меди или из никеля толщиной от 5 до 20 мкм, эту пленку выдерживают в условиях температуры 15-30°C продолжительностью 72 часа, затем по известной технологии фотолитографии формируют обкладки с выводами и экраны на указанных диэлектрических пленках, причем сборку пакета датчика осуществляют в следующем порядке:  наносят слой клея ЦМК-3 на основу датчика, на ней располагают первую твердую диэлектрическую пленку, содержащую основной экран, затем слой клея ЦМК-3 наносят на поверхность основного экрана, на ней располагают вторую твердую диэлектрическую пленку, содержащую нижние обкладки с выводами и экраны, на них тоже наносят слой клея ЦМК-3 и на этом клеевом слое располагают третью мягкую диэлектрическую пленку, являющуюся чувствительным элементом датчика, в собранном виде пакет выдерживают при условии 15-30°C температуры, продолжительностью 72 часа, определяют параметры датчика и составляют на него паспорт.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения давления емкостным инерционным датчиком на поверхности объекта исследования наклеивают пленочные датчики, задают градуировочные значения быстропеременного давления, градуируют чувствительные элементы датчика, определяют коэффициенты преобразования измерительного канала, датчики помещают в газовую среду, регистрируют в индикаторе, в первом эксперименте без подачи быстропеременного давления, подают напряжение поляризации постоянного тока емкостных чувствительных элементов, определяют время переходного процесса τ на выходе усилителя напряжения, регистрируют, запоминают в индикаторе, также определяют выполнение условия, при котором время установления t на выходе усилителя напряжения наступает, когда t=3 τ и измерительная аппаратура практически готова к измерению после истечения интервала времени 2-3 минут, во втором эксперименте в поляризованном состоянии емкостных чувствительных элементов и при поддержке постоянства напряжения поляризации и питания измерительной аппаратуры, подают на датчик быстропеременное давление, измеряют переходной процесс от воздействия быстропеременного давления, на выходе усилителя напряжения регистрируют, запоминают в индикаторе (компьютере), причем определяют скорости распространения звуковой волны расширения и искажения в полиимидной пленке.
На фиг. 1 изображены отдельные элементы инерционного емкостного датчика и структурная схема измерительной аппаратуры. На фиг. 2 и фиг. 3 - графики экспериментального исследования сигнала ударной волны.
1
2
1
3
3
9
2
На фиг. 1 основанием датчика служит сам исследуемый объект (ИО) 1. Медная или никелевая фольга 2, которая является основным экраном, и первая твердая диэлектрическая пленка 3 между ИО 1 и основным экраном 2 из полиимида и это является изолятором между объектом и экраном 2. На второй твердой диэлектрической пленке 4 способом фотолитографии сформирован экран 5, нижние обкладки 6 с выводами. На поверхности обкладок 6 и экрана 5 наклеена третья мягкая диэлектрическая пленка 7, служащая в качестве ЧЭ (упругий элемент датчика). На поверхности упругого элемента датчика 7 наклеена объединенная ответная обкладка 8 с выводом и экран 9, из меди или никеля (фиг. 1 сеч. А-А, Б-Б). Вывод объединенной ответной обкладки 8 смещен относительно выводов обкладок 6. Напряжение поляризации на датчик подают к объединенной ответной обкладке через вывод. Размеры обкладок, а×в=4×6 - 6×9 мм и больше любой конфигурации, длина выводов a=3 мм и больше, зависит от условий и требований проводимого эксперимента. Ширина выводов а=0,8-1,2 мм. Расстояния между экраном 5, обкладкой 6 и выводами 0,3-0,5 мм. Расстояния между обкладками d=8-12 мм и больше. Условно этот датчик назовем емкостной датчик ЧЭ из мягкого диэлектрика трехслойный (ДЕМ-З). Форму обкладок выбирают любую. Экран 2 защищает датчик от воздействия внешних электромагнитных помех. Упругий элемент 7 изготавливают из мягкой резины или из каучука, имеющих минимальною скоростью прохождения внутри них звуковой волны. Для бруска из резины общего назначения скорость С=70 м/с (ТУ 38.105.1082 -86), рабочая температура от -80°С до +300°С в разных средах.  Мягкая резина (эластомеры) изготовлена из разных смесей на основе различных каучуков, разной толщины 0,5-1,0 мм и больше, плотность 0,95·10 кг/м, волновое сопротивление 7·10 кг/м·с. Толщины обкладок, экранов из меди и толщины полиимидной пленки (каждой в отдельности) от 5 мкм до 20 мкм. Слои конструкции датчика между собой и на объекте скрепляют слоями клея 10 (фиг. 1 сеч. В-В).
Структурная схема содержит источник поляризации (ИП) напряжением постоянного тока 11, усилитель заряда 12, усилитель напряжения 13 и индикатор 14. Причем один конец ИП 11 соединен с сигнальной «землей» в точке B. Другой конец ИП соединяют с верхними обкладками 8 датчика ДЕМ-3. Нижние обкладки датчика ДЕМ-3 через усилитель заряда 12, усилитель напряжения 13 соединяют с индикатором 14. Экраны 2, 5 датчика соединяют сигнальной «землей» ИО. Сигнальная «земля» и общая шина усилителя заряда имеют одинаковый потенциал.
Рассмотрим способ сборки емкостного инерционного датчика на примере датчика ДЕМ-3.
1 этап. Выбирают ЧЭ датчика ДЕМ-3 из мягкого диэлектрика 7, обладающего минимальной скоростью прохождения внутри его звуковой волны, из резины с хорошей адгезионной способностью с клеями холодного отверждения, незначительной шероховатостью.
2 этап. Выбирают конструкционный клей 10 холодного отверждения марки ЦМК-3 (сеч. В-В фиг. 1). Подбирают рецептуру по приготовлению и применению двух компонентного клея; компонент 1-6,0 массовых частей, компонент 2-5 массовых частей. Перед взвешиванием компоненты тщательно перемешивают. Затем в полученный состав при необходимости снижения вязкости добавляют наполнитель нитрид бора 2-3 масс. ч. и опять перемешивают до получения однородной массы. Технологическое время отверждения - 24 часа. Жизнеспособность материала в массе 10 г при температуре 15-30°C составляет 2-3 ч. Полное время отверждения при температуре 15-30°C 72 ч. Изготовитель клея ОАО «Композит» г. Королев МО автор к.х.н. C.Н. Гладких.
3 этап. На верхнюю поверхность ЧЭ датчика из мягкого диэлектрика 7 (резина) наносят тонкий слой клея 10 марки КЦМ-3, на него накладывают медную фольгу толщиной от 5 до 20 мкм. Затем вручную ткань прижимают, сглаживают и выдерживают в условиях температуры 15-30 °C продолжительностью 72 часа.
4 этап. На собранных слоях третьем мягком 7 и втором твердом 4 из диэлектрика формируют обкладки 6, 8, выводы и экраны способом фотолитографии по известной технологии. Первую и вторую с экраном диэлектрические пленки 3, 4 из твердого полиимида выпускают в промышленности разной толщины.
5 этап. Формирую пакет датчика ДЕМ-3 на поверхности ИО, который является основанием датчика, следующим образом: на основание 1 наносят тонкий слой клея КЦМ-3, на нем располагают первую твердую диэлектрическую пленку 3 с экраном 2, затем на поверхности экрана 2 наносят тонкий слой клея 10. На этом слое располагают вторую твердую диэлектрическую пленку из полиимида 4 с нижними обкладками 6 и экраном 5 (сеч. Б-Б, В-В). На поверхности нижних обкладок 5 с выводами и экраном 5 тоже наносят клей холодного отверждения. Затем на последнем клеевом слое располагают объединенную ответную обкладку 8 с выводом и экраном 9 (фиг. 1 сеч. В-В). Собранный пакет выдерживают в условиях температуры 15-30 °C, продолжительностью времени имидизации пакета 72 час.
6 этап. После формирования пакета измеряют электрическую емкость датчика, сопротивление изоляции, осуществляют пайку выводов оловянным припоем. Пайку никелевых выводов с токосъемными проводами осуществляют любыми активизирующими флюсами, например нитридом бора. Датчики изготавливают в матричном и одноштучном вариантах.
Выбранная технология изготовления датчика недорога. Это объясняется тем, что не требуются вакуумные установки для металлизации выбранных диэлектриков. Металлизация мягкого диэлектрика толщиной металла 50-60 нм ненадежна из-за того, что мягкий диэлектрик легко деформируется под воздействием внешних усилий и разрушается его микроструктурное покрытие. В электрическую цепь разрушенного микроструктурного покрытия легко проникают внешние электромагнитные помехи.
Необходимость разработки инерционного датчика обоснована следующим.
Известно, что одной из центральных задач быстропеременных (динамических) процессов в авиационно-космической технике и промышленности является определение формирования крутых подъемов и спадов от воздействия взрывных, ударных, ветровых нагрузок. В энергонасыщенных силовых установках большие затраты времени и энергоресурсов в переходных процессах вызываются внешними силами или действием внутренних процессов при переходе с одного установившегося режима к другому.
Потребность создания емкостного инерционного датчика ДЕМ-3 связана с необходимостью сокращения времени перехода силовых установок энергонасыщенного объекта с одного установившегося к другому установившемуся процессам. Неустановившимися режимами (процессами) работы объекта исследования являются периоды пуска, экстренного торможения, остановки, резкого перехода с одного режима на другой. Неустановившиеся режимы бывают нестационарными, и все их вероятностные характеристики являются переменными и зависят от начала отсчета времени. Промежутки между нестационарностями соответствуют установившимся процессам, которые и сохраняют черты случайности, но в течение времени становятся стационарными. Актуальными объектами, подлежащими к исследованию, могут быть аэродинамические трубы, летательные аппараты, турбины и генераторы в энергетике, аппаратура нефти-газо-химической промышленности. Для сокращения времени переходного процесса энергонасыщенных объектов необходимо наблюдать и изучать возникающие причины затягивания этого процесса в реальном времени. Наблюдение и регистрацию за переходным процессом i-того параметра осуществляют инерционным датчиком при воздействии динамической нагрузки на ИО. Обнаруженные явления могут быть новыми, которые ранее не были выявлены и опознаны или мало изучены. Практически из-за малой инерционности традиционных объемных датчиков не было возможности изучения каких-либо переходных процессов физических величин. В настоящее время существующие традиционные датчики полупроводниковые, емкостные, магнитные и т.д., в составе измерительной аппаратуры практически без задержки преобразуют физическую величину в электрический сигнал. На объект исследования с датчиком ДЕМ-3 могут воздействовать внешние силы, моменты, звуковое давление, разные аэрогидродинамические нагрузки, взрывные, ударные, ветровые волны. Поэтому для наблюдения переходных процессов ИО при переходе с одного установившегося к другому установившемуся процессам и их изучению необходимо иметь инерционный датчик. При этом датчик не должен вызывать дополнительное возмущение исследуемого процесса, сохранить цельность конструкции ИО.
Способ измерения времени задержки сигнала емкостного инерционного датчика давления ДЕМ-3, предназначенного для исследования переходных процессов в объекте, заключается в следующем.
Рассматривают переходной процесс датчика ДЕМ-3 при подаче напряжения поляризации постоянного тока с момента времени t=0. Датчик ДЕМ-3 находится в составе измерительной аппаратуры, и на него не действуют внешние и внутренние усилия.
1 этап. Первый эксперимент. В статическом состоянии ИО при нормальных условиях измеряют суммарные шумы и помехи на выходе усилителя 13 и регистрируют в индикаторе 14 (фиг. 1). В этих условиях градуируют каждый ЧЭ (ЧЭ состоит из обкладок 6, 8 и упругой резины 7), т.е. задают быстропеременное давление на испытуемых ЧЭ постоянной величины. На выходе усилителя 12 сигнал градуировки подают через усилитель 13 и запоминают в индикаторе 14 (компьютере). Из общего сигнала, смещенного с сигналами шумов помех, выделяют полезный сигнал градировки и определяют коэффициенты преобразования канала по известной методике.
-13
-10
2 этап. Второй эксперимент. Одновременно подают напряжение поляризации на датчик ДЕМ-3 и напряжение питания на усилитель заряда 12, усилитель напряжения 13 и индикатор 14. Определяют время переходного процесса датчика в составе измерительной аппаратуры на выходе усилителя напряжения. Поляризация датчика связана с перемещением ионов в объеме третьей мягкой диэлектрической пленки 7. Процесс поляризации устанавливается в течение некоторого времени после начала воздействия напряжения поляризации постоянного тока. В датчике ДЕМ-3 происходит упруго ионная релаксационная поляризация с некоторым запаздыванием, которая устанавливается за время 10-10 с. После такой задержки наступает переходной процесс в датчике в составе измерительной аппаратуры. Емкостной датчик представляет собой параллельно последовательно соединенную электрическую схему со сосредоточенными параметрами, состоящими из активного сопротивления и емкости. В этом случае переходной процесс происходит в начальный момент времени за счет энергии источника поляризации ЕЧЭ и с течением времени стремится к нулю. Скачкообразное изменение энергии электрического поля датчика равно .
п
п
c
c
п
c
-t/rc
-5
4
-5
Рассмотрим переходной процесс ЧЭ, поляризованного напряжением постоянного тока U и поддерживаемое постоянно, U=const. Напряжение на обкладках 6, 8 ЧЭ U и величину его заряда q, получим как: ri+U=U, где ток i, проходящий через эту цепь, будет , или имеем дифференциальное уравнение . Из последнего уравнения определяют , и решение уравнения без свободного члена можно записать в виде U=Ue. Быстрота установления режима определяется величиной постоянной времени τ в цепи емкостного датчика τ=rc. Когда активное сопротивление ЧЭ≈20 кОм и емкость 8·10 мкФ, тогда постоянная времени процесса поляризации датчика определяется как: τ=2·10·8 ·10=1,6 с.
Допускают, что переходной процесс в датчике происходит экспоненциально (хотя и сохраняют черты случайности) и определяют время полного установившегося напряжения поляризации в % как:
Практически после подачи на датчик напряжения поляризации на выходе нормирующего усилителя напряжения через 2-3 минуты наступает установившейся режим.
3 этап. Третий эксперимент. Датчик ДЕМ-3 находится в объекте исследования. Задают нагрузку от одного установившегося к другому установившемуся режимам. На него подают поток газа (воздуха), силу, моменты. Эти воздействия на ЧЭ или постоянны, или являются периодическими функциями реального времени. Например, рассматривают отклик выходного сигнала исследуемого канала при воздействии на датчик давления ударной волны и регистрируют на выходе усилителя напряжения 13. На фиг. 2, представлены результаты регистрации ударной волны, где кривая 1 - выходной сигнал инерционного датчика ДЕМ-3, кривая 2 - традиционный пьезоэлектрический датчики типа ЛХ-1501. На фиг. 3 кривая 1 - датчик ДЕМ-3; кривая 2 - пленочный датчик давления емкостной с газообразным диэлектриком четырехслойный (ДЕГ-4).
Известно, что при приложении нагрузки на упругий элемент ее действие не передается мгновенно и от нагруженной ответной обкладки (мембраны) 8 начинают излучаться с конечной скоростью волны напряжения и деформации. В упругом ЧЭ воздействуют не одна, а несколько типов волн, и эти волны имеют разные скорости распространения.
В общем случае распространение волн в упругом ЧЭ можно получить в результате суперпозиции волн искажения и волн расширения [С.П. Тимощенко, Дж. Гудер. Теория упругости. Из-во «Наука» М.: 1975. стр. 106. Волны расширения и волны искажения в изотропной упругой среде, стр. 490-495]. Для обоих видов волн из решения уравнения движения получают скорость в случае волн расширения  и получают скорость в случае волн искажения  где G - модуль упругости упругого элемента ЧЭ при сдвиге; р - плотность упругого элемента ЧЭ;  - коэффициент Ламе; Е - модуль упругости ЧЭ; µ - коэффициент Пуассона.
Далее рассматривают продольные и поперечные волны, проходящие в датчике т.е. в ЧЭ (обкладки 8, 6 и упругая резина 7). В первом случае (продольные волны) имеют волны расширения, во втором (поперечные) - волны искажения.
1
1. Определяют скорость С  продольной волны, выбирают ось x в направлении распределения волны в таком виде
2
1
2
1
2
3
3
9
2. Определим скорость C поперечной волны. При этом ось x направлена в сторону распространения волны, а ось у имеет направление поперечного перемещения , при µ=0,25 . Определяют C и C полиимидной пленки ρ=1,42·10 кг/м; µ=0,22; Е=3·10 Па; С=1500 м/с; С=900 м/с.
Для примера определяют время прохождения переходного процесса звуковой волны для разных пленок.
- При воздействии на датчик ДЕГ-4 продольной волны быстропеременного давления (звукового давления) со скоростью 4785 м/с в никелевой обкладке толщиной 20 мкм время задержки определяют как:
- Время прохождения звуковой волны датчика типа ДЕГ-4 с газообразным диэлектриком, толщиной стенки ячейки 40 мкм при распространении звуковой волны в среде газа при 20°C со скоростью 344 м/с звуковой волны составляет
1
- Время прохождения звуковой волны в датчике типа ДЕТ-3 с упругим элементом из пленки полиимида толщиной 20 мкм будет . Здесь скорость распространения звуковой волны C определяется из уравнения . При этом волны искажения в упругом элементе датчика из полиимидной пленки будут равняться .
- Затем определяют время задержки сигнала от воздействия звуковой волны в датчике ДЕМ-3, разработанном на основе упругой мягкой резины толщиной 0,5 мм, и скорость  распространения звука в резине с=70 м/с, т.е. .
Из полученных результатов следует, что время переходного процесса выходного сигнала на выходе усилителя напряжения 13 с датчиком ДЕМ-3 увеличено в несколько десятков раз. Такое время необходимо для наблюдения и выявления причин затрат большого времени затягивания режима работы объекта исследования при переходе от одного установившегося режима к другому.
Устройство функционирует следующим образом: при поляризованном состоянии датчика и при воздействии давления на верхнюю поверхность третья мягкая диэлектрическая пленка 7 деформируется, изменяется расстояние между обкладками 6, 8 и на выходе датчика ДЕМ-3 возникает электрический сигнал с большой задержкой времени пропорционально заданному давлению. Этот сигнал подают на вход согласующего усилителя заряда 12. С выхода усилителя заряда сигнал усиливают, нормируют в усилителе напряжения 13 и подают на вход индикатора 14 для хранения и обработки. Усилители заряда и усилитель напряжения известны как отечественного (например, ЦАГИ), так и зарубежного образца фирмы Брюль и Къер (Дания). Индикатором может быть любой современный компьютер. Источник поляризации тоже известен, он входит в состав усилителя напряжения.
Принцип работы датчика: при изменении давления на Δр изменяется расстояние между обкладками 6, 8. В результате деформации третьего мягкого диэлектрика 7 изменяется начальная емкость С, приращение емкости ΔC и относительное изменение емкости . Напряжение на выходе датчика пропорционально напряжению поляризации с выхода блока 11.
Предложенная конструкция, технология и способ измерения для его осуществления позволяют увеличивать время наблюдения переходных процессов объекта исследования при переходе с одного установившегося режима к другому (например, при изменении параметров потока аэродинамической трубы). При этом можно выявить причины возникновения большого времени установления переходного процесса при пуске, остановке, изменении нагрузки. Инерционный емкостной датчик давления используют только для наблюдения переходных процессов. Высокое значение гистерезиса, ползучести и упругого последействия датчика ЧЭ из резины не позволяет с высокой точностью длительное время измерять большие значения усилия, давления. Практически, после снятия нагрузки в течение 5-10 мин эта остаточная деформация исчезает. Датчик не нарушает физического процесса обтекания и появляется возможность исследовать такие явления, которые невозможно было исследовать современными датчиками физических величин. Уменьшение времени переходных процессов энергоемких объектов позволяет повысить технико-экономическую эффективность проводимого эксперимента за счет сокращения затрат энергии переходного процесса.
Предложенный датчик проверен в лабораторных условиях под воздействием быстропеременного давления и ударной силы. Основные параметры датчика ДЕМ-3 представлены ниже.
Толщина обкладки и мембраны, мкм
10
Размер обкладки, мм
30×30
Толщина упругого элемента, мм
0,5; 1,0
Верхний предел динамического давления, Па (дБ)
2·10<sup>6</sup> (200)
Нижний предел пульсаций давления, Па (дБ)
2,0 (100)
Напряжение поляризации, В
10; 50; 100; 200
Допустимое кратковременное нагружение
2-х кратное
Рабочий диапазон частот, Гц
20-2·10<sup>4</sup>
Емкость датчика с мягкой резиной, пФ
80
Сопротивление нагрузки датчика, Ом
~10<sup>7</sup>-10<sup>9</sup>
Погрешность измерения в лабораторных условиях, %
2-3
Рабочий диапазон температур кратковременно, °C
-80+300°C
Уровень шумов на выходе датчика, мкВ
3-4
Постоянная времени переходного процесса в цепи
поляризации датчика, с
1,6
Постоянная времени переходного процесса прохождения
волны звукового давления, мкс
7,15
Результаты анализа расчетных и экспериментальных значений времени прохождения звуковой волны в трех тонкопленочных датчиках ДЕГ-4 с газообразным диэлектриком, ДЕГ-3 с твердым диэлектриком и ДЕМ-3 с мягкой резиной представлены в форме таблицы.
2
1
Результаты экспериментального определения постоянной времени переходного процесса двух датчиков показаны на фиг. 2. На этой фигуре кривая 1 - емкостной датчик ДЕМ-3 - инерционный датчик из мягкого диэлектрика (резина) толщина 0,5 мм, размер обкладки 6×9 мм и кривая 2 - традиционный, объемный пьезоэлектрический датчик типа ЛХ-1501. На фиг. 3 кривая 1 - датчик ДЕМ-3, упругий ЧЭ из мягкой пористой резины толщиной 3,5 мм диаметром 20 мм; кривая 2 - ДЕГ-4 с газообразным диэлектриком, расстояние меду обкладками 40 мкм. В эксперименте оба датчика были установлены на столе, расстояние между ними 20 мм. Для определения характеристик работы от уровня поверхности датчиков с высоты 300 мм из руки свободно сбрасывался металлический шар весом около 40 г в точку между датчиками. Как видно, отклик датчиков с газообразном диэлектриком ДЕГ-4 и пьезоэлектрическим ЛХ-1501 появляется от начала координат, истечение времени t. При этих условиях отклик датчика ДЕМ-3 составляет t. Из фиг. 2, 3 видно, что время переходного процесса датчика ДЕМ-3 больше в 2,25-7,0 раз.