ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

Предлагаемая полезная модель относится к пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля давления. Известен датчик дистанционного контроля физической величины на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, отражательный ВШП, нагруженный на расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой физической величине, и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода, при этом приемопередающий ВШП расположен в центре звукопровода и выполнен двунаправленным, а по обе стороны от него расположены однонаправленные отражательные ВШП с внутренними отражателями с одним и тем же числом периодов, один из которых нагружен на импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой физической величине, причем расстояние до нагруженного отражательного ВШП равно 2(L-Nλ), где L - расстояние между приемо-передающим ВШП и не нагруженным отражательным ВШП, N - число периодов в отражательном ВШП, λ- длина ПАВ на центральной частоте ВШП (патент РФ 2387051). Известен датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода, содержащий герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, опорный отражательный ВШП и отражательный ВШП, нагруженный на расположенный вне герметичного корпуса импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине, и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода, при этом импеданс выполнен в виде решетки параллельно-соединенных наностержней окиси цинка (патент РФ 2550697).
Известен пассивный беспроводный датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале расположены встречно-штыревые преобразователи (ВШП), полупроводниковая пленка, чувствительная к ультрафиолетовому излучению (УФИ), между ними и поглотители ПАВ на торцах подложки, отличающийся тем, что на рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки в одном акустическом канале находятся приемо-передающий однонаправленный ВШП и два отражательных ВШП, причем между отражательными ВШП на расстоянии не более длины ПАВ на центральной частоте ВШП, параллельно поверхности расположена чувствительная к УФИ полупроводниковая пленка, нанесенная на диэлектрическую подложку, прозрачную для УФИ, которая расположена на опорах, находящихся по обе стороны от акустического канала на краях пьезоэлектрической подложки между отражательными ВШП, а к приемопередающему ВШП подсоединена приемо-передающая антенна (патент РФ 2613590).
Эти датчики давления на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержат корпус, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод, на поверхности которого расположены приемо-передающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), соединенный через выводы в корпусе с антенной, и отражательные ВШП, один из которых соединен через выводы в корпусе с импедансом, значение которого зависит от давления, а другой отражательный ВШП, является опорным.
При измерении давления в таких датчиках считыватель посылает на антенну датчика считывающий (опросный) импульс, который преобразуется в импульс ПАВ в датчике. Этот импульс ПАВ распространяется в звукопроводе и отражается от ВШП, нагруженным на импеданс, значение которого зависит от измеряемого давления, образуя импульсный отклик датчика, содержащий пики отражения, как от опорного ВШП, так и ВШП, нагруженного на импеданс.
Техническим результатом является увеличение чувствительности и динамического диапазона измерений давления.
Технический результат достигается тем, что в датчике давления на поверхностных акустических волнах, содержащем корпус, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод, на поверхности которого расположены приемо-передающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), соединенный через выводы в корпусе с антенной, и отражательные ВШП, один из которых соединен через выводы в корпусе с импедансом, значение которого зависит от давления, при этом в качестве импеданса используется последовательно соединенные индуктивность и мембранный конденсатор, состоящий из основания, на котором выполнены центральный электрод и крайние электроды, соединенные между собой тонкой упругой металлической пластиной таким образом, что между центральным электродом и пластиной имеется зазор. Сущность полезной модели поясняется рисунком (см. фиг. 1), где:
корпус - 1;
пьезоэлектрический звукопровод - 2;
приемо-передающий ВШП - 3;
выводы - 4;
антенна - 5;
выводы - 6;
отражательный ВШП - 7;
индуктивность L-8;
основание - 9;
центральный электрод - 10;
крайние электроды - 11;
металлическая пластина - 12;
зазор - 13.
Датчик давления на ПАВ содержит корпус - 1, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод - 2, на рабочей поверхности которого расположены приемо-передающий ВШП - 3, который через выводы - 4 соединен с антенной - 5, и отражательные ВШП, один из которых отражательный ВШП - 7 соединен через выводы - 6 с импедансом, состоящим из последовательно соединенных индуктивности L-8 и мембранного конденсатора. Этот мембранный конденсатор состоит из основания - 9, на котором выполнены центральный электрод - 10 и крайние электроды - 11, которые соединены между собой тонкой упругой металлической пластиной - 12 таким образом, что между центральным электродом - 10 и металлической пластиной - 12 имеется зазор - 13. Элементы 9-13 образуют мембранный конденсатор - С. А индуктивность L-8 и мембранный конденсатор - С образуют LC-контур.
Перед измерением давления LC-контур, состоящий из последовательно соединенных индуктивности L-8 и мембранного конденсатора, настраивается таким образом, чтобы коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП-7 был бы максимальным или минимальным. Приемопередающий ВШП-3, излучает ПАВ под действием опросного импульса, посылаемым считывателем на антенну-5 датчика давления, соединенной с этим ВШП-3. ПАВ, отраженные от отражательного ВШП-7, вновь поступают на приемо-передающий ВШП-3, где преобразуются в электромагнитный импульс, который излучается антенной - 5 датчика давления обратно на считыватель. При действии давления на металлическую пластину - 12 зазор - 13 между ней и центральным электродом - 10 изменится, что приведет к изменению емкости мембранного конденсатора. Следовательно, импеданс, подключенный к выводам - 6 отражательного ВШП-7 также изменится. Это, в свою очередь, вызовет изменение коэффициента отражения ПАВ от отражательного ВШП-7. Тогда, амплитуда отраженных от него ПАВ, также изменится. Следовательно, изменится и амплитуда импульса, который излучается датчиком давления обратно на считыватель, так как амплитуда этого импульса будет зависеть от давления на металлическую пластину - 12 мембранного конденсатора.
Использование мембранного конденсатора позволяет достичь высокой чувствительности, поскольку изменение зазора на 1% может происходить при очень малых нагрузках (1 г и менее) при использовании тонких пластин. Использование более толстых пластин позволяет расширить динамический диапазон такого датчика. Набор пластин различной упругости и толщины позволяет проводить измерения с различной чувствительностью в широком динамическом диапазоне. Коэффициент отражения от отражательного ВШП-7, нагруженного на LC-контур, сильно зависит от ее величины. На частотах в сотни МГц коэффициент отражения может меняться более чем в 2 раза при изменении емкости менее чем на 1 пФ. Это и дает возможность использовать мембранный конденсатор для измерения давления, так как его емкость при изменении давления меняется менее чем на 1 пФ.
2
Пример выполнения. Датчик давления выполнен на центральную частоту 433 МГц с полосой пропускания 13 МГц. Антенна - 5 датчика давления выполнена в виде полуволнового вибратора, а на считывателе выбрана антенна с вибраторами типа «волновой канал». При амплитуде считывающего импульса в 1 В расстояние считывания равно 2 м. Индуктивность L-8 выполнена в пластмассовом корпусе с ферритовым сердечником. Мембранный конденсатор изготовлен на стеклотекстолитовой плате. В качестве упругой мембраны использовалась стальная пластина - 12 толщиной 0,1 мм, длиной 40 мм и шириной 10 мм. Зазор - 13 между центральным электродом в отсутствии давления равен 1 мм. Ширина и длина центрального электрода - 10 представляет собой квадрат со стороной 1 см, а крайних электродов 11 представляют собой прямоугольники со сторонами 1 см и 8 мм соответственно. Таким образом, получается конденсатор с воздушным зазором с площадью пластин 1 см и емкостью 0,88 пФ. С помощью такого мембранного конденсатора была снята калибровочная кривая, позволяющая определять давление от 98 до 7358 Па с относительной точностью 6%. Так как мембранный конденсатор будет менять свою емкость в соответствии с изменением давления, то и отраженные от датчика импульсы будут также меняться в соответствии с изменением давления, что позволяет измерять таким датчиком изменяющееся во времени давление.