ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ОПТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
PRESSURE SENSOR USING OPTICAL METHOD OF INFORMATION TRANSFORMATION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.
Известные механические и электромеханические датчики (Андреева, Л.Е. Упругие элементы приборов / Л.Е. Андреева. - М.: Машиностроение, 1980. - 230 с.) давления имеют шкаловую погрешность, причиной появления которой является неполное соответствие шкалы прибора его градуировке (для стандартной шкалы причиной шкаловой погрешности является неточная регулировка механизма под шкалу); погрешность, вызванную трением в подвижных частях передаточного механизма; а также погрешности, вызванные люфтами и неточной балансировкой подвижных частей.
В частотных преобразователях давления (Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы: учеб. пособие. В 2 ч. / сост. Е.В. Антонец, В.И. Смирнов, Г.А. Федосеева. - Ч. 1. - Ульяновск: УВАУГА, 2007. - 119 с.) изменение измеряемого давления (или разности давлений) вызывает изменение частоты колебаний чувствительного элемента (ЧЭ), в качестве которых используются натянутая струна, тонкостенный цилиндрический резонатор и тому подобные элементы. Изменение частоты колебаний ЧЭ приводит к изменению частоты выходного сигнала преобразователя. Частотные преобразователи обладают преимуществом перед рассмотренными выше электромеханическими преобразователями давления, потому что частота сигнала практически не изменяется при его усилении и передаче по линиям связи от преобразователя к потребителям или соответствующим указателям. Данные устройства используются в цифровых системах воздушных сигналов, предназначенных для измерения высотно-скоростных параметров полета самолета и выдачи результатов измерения потребителям.
Известен датчик давления с частотным выходом, в корпусе которого размещены анероидный чувствительный элемент и электромагнитные возбудитель и приемник колебаний, его чувствительный элемент, образованный двумя плоскими мембранами, изготовленными как одно целое с герметично скрепленными по контуру основаниями, соединен с корпусом перемычкой, расположенной радиально по отношению к центру чувствительного элемента (см. а.с. №263231 СССР). Однако наличие специального электромагнитного возбудителя вызывает появление температурных погрешностей датчика и приводит к относительно большим энергетическим затратам.
1
2
1
1
2
2
и
1
2
и
р
р
р
р
р
р
Известен также частотный преобразователь (Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы: учеб. пособие. В 2 ч. / сост. Е.В. Антонец, В.И. Смирнов, Г.А. Федосеева. - Ч. 1. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2007. - 119 с.) с тонкостенным цилиндрическим резонатором, в котором чувствительным элементом является упругая цилиндрическая трубка, разделяющая внутренний объем корпуса на две герметичные полости П и П. В полость П подается давление  (полное), а в полость П - давление  (статическое). При этом на трубку действует разность давлений =-. Для возбуждения колебаний трубки используется электромагнит, сила притяжения которого деформируют трубку в поперечном направлении. При подаче в обмотку электромагнита электрического тока круглое поперечное сечение трубки преобразуется в сечение овальной формы, а после отключения тока - обратно. При этом возникают поперечные колебания цилиндра, частота которых зависит от действующего на трубку избыточного давления . Данный датчик менее чувствителен к вибрациям, однако наличие специального электромагнитного возбудителя также вызывает появление температурных погрешностей датчика и приводит к относительно большим энергетическим затратам.
Технический результат - повышение эффективности и экономичности работы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами, особенностью является то, что в устройство дополнительно введены источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки с прорезями, закрепленные на той же стойке, а также две фотоприемные линейки, причем мембраны чувствительного элемента разделены на верхнюю и нижнюю и герметично по периметру прикреплены к корпусу, образуя безвоздушный зазор, при этом отверстия корпуса расположены выше и ниже зазора, стойка размещена внутри зазора и прикреплена к корпусу, а фотоприемные линейки, также размещенные в зазоре, прикреплены соответственно к верхней и нижней мембранам и обращены к соответствующим прорезям шторок.
Сущность изобретения поясняется схемой устройства, представленного на чертеже. Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического (Рст) и полного (Рполн) давлений, причем отверстия расположены выше и ниже зазора, образованного мембранами 2 и 3. Мембраны 2 и 3 анероидного чувствительного элемента разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух, и герметично по периметру прикреплены к корпусу. Внутри безвоздушного зазора к стойке 4 прикреплен источник излучения 5 и две шторки 7 с прорезями 8. Две фотоприемные линейки 6 крепятся соответственно к верхней и нижней мембранам 2 и 3, причем указанные линейки обращены к соответствующим прорезям шторок 7.
Работа устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии мембраны 2 и 3 упругого чувствительного элемента занимают определенное положение. Оптическая энергия от источника излучения 5 через прорези 8 шторок 7 попадает в виде оптических пятен на фотоприемные линейки 6, прикрепленные к верхней и нижней мембранам 2 и 3.
В фотоприемных линейках 6 отдельные фоточувствительные элементы (пиксели) расположены вдоль одной координаты. Принцип работы данных устройств заключается в формировании внутри каждого пикселя электрического сигнала, пропорционального поглощенной им оптической энергии. Достигается это благодаря фоточувствительному р-n переходу (как и в обычном фотодиоде), через который происходит разряд конденсатора фотоприемного элемента. Чем больше будет оптическая мощность, попадающая на пиксель, тем больше будет ток фотодиода и, следовательно, тем быстрее будет разряжаться конденсатор. В конце цикла измерения происходит считывание остаточного заряда конденсаторов пикселей.
При изменении статического (Рст) и (или) полного (Рполн) давлений мембраны 2 и 3 упругого чувствительного элемента деформируются, при этом фотоприемные линейки 6, прикрепленные к верхней и нижней мембранам 2 и 3 смещаются, вызывая смещения на них оптических пятен от источника излучения 5 через прорези 8 шторок 7. При последовательном опросе пикселей на выходе фотоприемных многоэлементных устройств будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве фотоприемного устройства. Иными словами, на выходе фотоприемных устройств будут формироваться цифровые сигналы, пропорциональные соответственно статическому и полному давлениям.
Предлагаемое устройство лишено вышеперечисленных недостатков аналогов: высокая чувствительность фотоприемного устройства требует минимальной деформации упругого элемента, что позволит избавиться от целого ряда погрешностей: остаточной деформации, нелинейности, упругих несовершенств материала, температурных колебаний, от воздействия линейных ускорений, от воздействия вибраций, от изменения свойств материала с течением времени и т.п. Бесконтактный съем информации и работа информационной системы в условиях вакуума значительно повысят эффективность процессов измерения. Отметим также значительное уменьшение энергопотребления.
Для расчета аэрометрических параметров: относительной барометрической высоты, приборной скорости, истинной воздушной скорости, вертикальной скорости, отклонения от заданной высоты и числа Маха - в вычислитель непрерывно должна поступать следующая информация: Рст - статическое давление, Рполн - полное давление, Ро - давление, относительно которого измеряется высота (выставляется вручную), Тт - температура заторможенного набегающего воздушного потока. Очевидно, что предлагаемый датчик давления совместно с датчиком температуры позволяет определить все перечисленные аэрометрические параметры.