Датчик давления, использующий оптический метод преобразования информации
PRESSURE SENSOR USING OPTICAL METHOD FOR INFORMATION CONVERSION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.
Известен барометрический высотомер (авторское свидетельство СССР №1426187, заяв. 1987, МПК G01C 5/00; G01C 5/06, публ. 10.06.2005г.), содержащий последовательно соединенные преобразователь давления в частоту импульсов тока, формирователь интервала счета, двоичный многоразрядный счетчик с входами предварительной установки и выходной регистр, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя интервала счета, генератор опорной частоты и схему. И, первый и второй входы которой соединены соответственно с выходами генератора опорной частоты и формирователя интервала счета.
Существенными недостатками частотных преобразователей давления являются: высокая зависимость от стабильности частоты питающего напряжения и чувствительность к механическим вибрациям; появление температурных погрешностей датчика и относительно большие энергетические затраты, вызванные наличием специального электромагнитного возбудителя колебаний; постоянный уход метрологических характеристик упругого элемента, определяемый большим числом колебаний.
Известно также устройство для измерения барометрических вертикальной скорости и высоты полета (Патент РФ №1292447 Кл. G01P 3/489, 10.06.2005 г.), содержащее барометрический высотомер, подключенный выходом к первому входу первого вычитателя непосредственно и ко второму входу первого вычитателя через последовательно соединенные первый, второй и третий элементы задержки, второй вычитатель, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента задержки, вторым входом к выходу второго элемента задержки и выходом к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого вычитателя, и выходные шины.
Данное устройство обладает, по сравнению с предыдущим, более высокой точностью измерений за счет уменьшения динамической и флуктуационной погрешностей, однако ему также присущи все вышеперечисленные недостатки частотных преобразователей давления.
Прототипом предлагаемого датчика может служить датчик давления, использующий оптический метод преобразования информации (Патент РФ 2653596 МПК G01L 7/00 (2006.01), 2018), содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами. В устройство дополнительно введены источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки со щелями, 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 щелям шторок.
К недостаткам данного устройства можно отнести ряд факторов, влияющих на точность измерения. Для преобразования воздушного давления в физическое перемещение используется мембрана, жестко заделанная по контуру в корпус датчика. Ограничение величины максимального перемещения мембраны, связанное с проявлением упругих несовершенств материала этой мембраны, снижает чувствительность датчика давлений с одиночной мембраной. Кроме того, невозможность обеспечения равных напряжений в стыках, обеспечивающих герметичную заделку мембраны в корпус датчика, приводит к появлению радиального смещения и дополнительных инструментальных погрешностей.
Задачей изобретения является разработка датчика давления, использующего оптический метод преобразования информации.
Технический  результат изобретения состоит в повышении чувствительности и точности измерения воздушных давлений.
Технический результат достигается тем, что датчик давления содержит корпус с верхним и нижним основаниями, каждое из которых имеет отверстие, сообщающееся с измеряемой средой, а также источник излучения, расположенный на стойке, прикрепленной к внутренней поверхности корпуса и две шторки с прорезями, прикрепленные к той же стойке, а также две линейки фотоэлектронных приемников.
Особенностью является то, что в устройство дополнительно введены две манометрические коробки, один из жестких центров каждой из которых имеет отверстие, причем жесткие центры манометрических коробок, имеющие отверстия, герметично прикреплены к верхнему и нижнему основаниям корпуса так, что отверстия оснований и коробок совпадают, а линейки фотоэлектронных приемников прикреплены к не содержащим отверстий жестким центрам манометрических коробок и обращены к соответствующим прорезям шторок.
Сущность изобретения поясняется схемой устройства, представленного на чертеже.
Устройство содержит корпус 1 с верхним 2 и нижним 3 основаниями, которые выполнены с отверстиями, соответственно 4 - для измерения статического (Рст) и 5 - полного (Рполн) давлений. В качестве упругих чувствительных элементов использованы манометрические коробки 8, каждая из которых представляет собой замкнутую металлическую полость, образованную двумя спаянными между собой по краям круглыми гофрированными мембранами. Для увеличения прогиба мембраны гофры выполнены в виде концентрических волн. В центральной части манометрическая коробка 8 имеет жесткие центры, из которых один без отверстия - подвижный, а другой с отверстием - неподвижный. Манометрические коробки 8, содержащие жесткие центры с отверстиями 9, герметично прикреплены соответственно к верхнему 2 и нижнему 3 основаниям корпуса 1 так, что отверстия  оснований и жестких центров мембран совпадают. Манометрические коробки 8 разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух. Внутри датчика, к боковой стенке корпуса 1 прикреплен источник излучения 6 и две шторки 7 с прорезями. Две линейки фотоэлектронных приемников 10 крепятся соответственно к жестким центрам манометрических коробок 8, не содержащим отверстий. Оптические пятна, сформировавшиеся с помощью прорезей в шторках, попадают на светочувствительные поверхности линеек фотоэлектронных приемников.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии манометрические коробки 8 занимают определенное положение. Оптическая энергия от источника излучения 6 через прорези шторок 7 попадает в виде оптических пятен на фотоприемные линейки 10, прикрепленные к жестким центрам манометрических коробок 8. В линейках фотоэлектронных приемников 10 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 p-n переходу (как и в обычном фотодиоде), через который происходит разряд конденсатора фотоэлемента. 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 манометрические коробки 8 деформируются, при этом линейки фотоэлектронных приемников 10, прикрепленные к жестким центрам, не содержащим отверстий, манометрических коробок 8, смещаются, вызывая смещения на них оптических пятен от источника излучения 6 через прорези шторок 7. При последовательном опросе пикселей на выходе линеек фотоэлектронных приемников 10 будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве линеек фотоэлектронных приемников 10. Иными словами, на выходе линеек фотоэлектронных приемников 10 будут формироваться цифровые сигналы пропорциональные соответственно статическому (Рст)  и полному (Рполн) давлениям .
Предлагаемое устройство лишено вышеперечисленных недостатков аналогов: высокая чувствительность линейки фотоэлектронных приемников 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.