RU2117415C1

RU2117415C1 - Electrostatic capacitor converter

Info

Publication number: RU2117415C1
Application number: RU94020099/28A
Authority: RU
Inventors: А.М. Шанаурин; Г.И. Кравченко; В.П. Нагибин
Original assignee: Шанаурин Александр Михайлович; Кравченко Георгий Иванович
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: acoustics, emergency alarm systems. SUBSTANCE: invention is meant for manufacture of ultrasonic receiving-transmitting capacitor converters for acoustic level gauges, for emergency alarm devices. Proposed converter includes case, current conductive immobile electrode with circular rectangular protrusions and recesses in face side, first ring arranged around immobile electrode, first membrane in the form of tightened polymer film metallized on one side and bordering protrusions of immobile electrode with nonconductive side, dielectric base, second and third rings, second membrane in the form of tightened polymer film metallized on one side, first and second flexible circular dielectric spacers, flat screen in the form of ring. Case has shape of horn on face side. First membrane is attached with nonconductive side to first ring and comes in contact with metallized side with second ring. First and second rings are positioned one beneath another. Thickness of second spacer does not exceed 300 μ. EFFECT: facilitated manufacture, improved operational stability and reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроакустике и может быть использовано при изготовлении ультразвуковых приемопередающих преобразователей для акустических уровнемеров, устройств охранной сигнализации и т.п. The invention relates to electroacoustics and can be used in the manufacture of ultrasonic transceivers for acoustic sensors, alarm devices, etc.

Известен электроакустический приемоперадающий конденсаторный преобразователь, содержащий корпус, электропроводный неподвижный электрод в форме диска с кольцевыми выступами и впадинами, непроводящее кольцо, расположенное вокруг неподвижного электрода, и прилегающую непроводящей стороной к выступам неподвижного электрода односторонне металлизированную полимерную пленку, выполняющую роль подвижного электрода [1]. Known electro-acoustic transceiver capacitor transducer containing a housing, a conductive fixed electrode in the form of a disk with annular protrusions and depressions, a non-conductive ring located around the stationary electrode, and the adjacent non-conductive side to the protrusions of the fixed electrode is a one-sided metallized polymer film acting as a movable electrode [1].

Известны также преобразователи, металлизированная пленочная мембрана которых предварительно натянута и прикреплена (приклеена) к кольцу из изоляционного материала, расположенного вокруг неподвижного электрода [2, 3]. Converters are also known whose metallized film membrane is pre-stretched and attached (glued) to a ring of insulating material located around a fixed electrode [2, 3].

Прототипом изобретения является преобразователь [1]. Его недостатками являются малый КПД в режиме передачи и низкая чувствительность в режиме приема. The prototype of the invention is the Converter [1]. Its disadvantages are low efficiency in transmission mode and low sensitivity in reception mode.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение КПД преобразователя в режиме передачи и чувствительности в режиме приема. The technical result from the use of the invention is to increase the efficiency of the converter in transmission mode and sensitivity in reception mode.

Данный результат достигается за счет того, что электроакустический конденсаторный преобразователь, содержащий корпус, электропроводный неподвижный электрод с кольцевыми прямоугольными выступами и впадинами на лицевой стороне, первое кольцо, расположенное вокруг неподвижного электрода, а также выполняющую роль подвижного электрода первую мембрану в виде натянутой односторонне металлизированной полимерной пленки, непроводящей стороной прилегающей к выступам неподвижного электрода, имеет диэлектрическое основание, второе электропроводное и третье кольца, вторую мембрану в виде натянутой односторонне металлизированной пленки, первую и вторую гибкие кольцевые диэлектрическое прокладки, плоский экран в форме кольца, при этом внутренний диаметр первого кольца больше диаметра неподвижного электрода, корпус с лицевой стороны имеет форму рупора, неподвижный электрод прикреплен к основанию с помощью центрального винта, выполняющего роль одного из выводов преобразователя, на тыльной стороне неподвижного электрода имеется кольцевая периферийная проточка, на лицевой стороне основания - кольцевой выступ, между выступом и проточкой расположена первая прокладка, первая мембрана прикреплена (приклеена) непроводящей стороной к первому кольцу и соприкасается металлизированной стороной с вторым кольцом, первое и второе кольца расположены друг под другом и прикреплены к основанию периферийными винтами, один из которых является вторым выводом преобразователя, третье кольцо закреплено внутри второго кольца, вторая мембрана прикреплена (приклеена) к третьему кольцу и обращена металлизированной стороной к первой мембране, между первой и второй мембранами находится вторая прокладка, внутренний диаметр которой равен внутреннему диаметру третьего кольца, а толщина не превышает 300 мкм, внутренний диаметр третьего кольца меньше внешнего диаметра периферийного выступа неподвижного электрода, плоскость, проходящая через вершины выступов неподвижного электрода, не пересекает первого кольца, на тыльной стороне неподвижного электрода закреплен экран, корпус, а также первое и третье кольца могут быть как электропроводными, так и диэлектрическими. This result is achieved due to the fact that the electroacoustic capacitor transducer comprising a housing, an electrically conductive fixed electrode with rectangular rectangular protrusions and depressions on the front side, a first ring located around the fixed electrode, and the first membrane acting as a movable electrode in the form of a stretched one-sided metallized polymer film, non-conductive side adjacent to the protrusions of the fixed electrode, has a dielectric base, the second electro ovodnogo and third rings, the second membrane in the form of a stretched one-sided metallized film, the first and second flexible ring dielectric gaskets, a flat screen in the shape of a ring, while the inner diameter of the first ring is larger than the diameter of the fixed electrode, the housing on the front side has the shape of a horn, the fixed electrode is attached to the base with the help of a central screw acting as one of the converter leads, there is an annular peripheral groove on the back side of the stationary electrode, on the front with the base is an annular protrusion, the first gasket is located between the protrusion and the groove, the first membrane is attached (glued) with a non-conductive side to the first ring and is in contact with the metallized side with the second ring, the first and second rings are located one above the other and are attached to the base with peripheral screws, one of which is the second output of the converter, the third ring is fixed inside the second ring, the second membrane is attached (glued) to the third ring and facing the metallized side to membrane, between the first and second membranes there is a second gasket, the inner diameter of which is equal to the inner diameter of the third ring, and the thickness does not exceed 300 μm, the inner diameter of the third ring is less than the outer diameter of the peripheral protrusion of the fixed electrode, the plane passing through the tops of the protrusions of the fixed electrode is not crosses the first ring, the screen is fixed on the back of the fixed electrode, the housing, as well as the first and third rings can be both electrically conductive and dielectric.

Изобретение поясняется чертежом. The invention is illustrated in the drawing.

Преобразователь смонтирован на диэлектрическом основании 1 внутри электропроводного или диэлектрического корпуса 2. Неподвижный электрод 3 представляет собой диск с кольцевыми прямоугольными выступами 4 и впадинами 5 на лицевой стороне и кольцевой периферийной проточкой на тыльной стороне. В роли первой мембраны 6 выступает полимерная пленка 7 с напыленным слоем металла 8. Непроводящей стороной мембрана обращена к неподвижному электроду и прикреплена (приклеена) к первому кольцу 9. Металлизированной стороной она соприкасается с вторым кольцом 10, которое является токосъемным. Вторая мембрана 11 так же, как и первая, представляет собой полимерную пленку с односторонней металлизацией. Металлизированная сторона второй мембраны изолирована от токопроводящих частей преобразователя и обращена к первой мембране, а непроводящая прикреплена (приклеена) к третьему кольцу 12. В кольцевой проточке на тыльной стороне неподвижного электрода против кольцевого выступа основания находится первая гибкая кольцевая диэлектрическая прокладка 13. Вторая прокладка 14 размещена между первой и второй мембранами. The converter is mounted on a dielectric base 1 inside an electrically conductive or dielectric housing 2. The fixed electrode 3 is a disk with rectangular rectangular protrusions 4 and depressions 5 on the front side and an annular peripheral groove on the back side. The role of the first membrane 6 is a polymer film 7 with a deposited layer of metal 8. The non-conductive side of the membrane faces the fixed electrode and is attached (glued) to the first ring 9. The metallized side is in contact with the second ring 10, which is current collector. The second membrane 11, like the first, is a polymer film with one-sided metallization. The metallized side of the second membrane is isolated from the conductive parts of the transducer and faces the first membrane, and the non-conductive one is attached (glued) to the third ring 12. In the annular groove on the back of the fixed electrode against the ring protrusion of the base is the first flexible ring dielectric spacer 13. The second spacer 14 is placed between the first and second membranes.

Неподвижный электрод закреплен на основании с помощью винта 15 и гайки 16. Кольца 9 и 10 находятся друг под другом и прикреплены к основанию винтами 17. Их должно быть не менее трех. Между собой кольца 10 и 12 могут быть соединены с помощью клея. Клей может быть использован также для соединения каждого из колец с корпусом 2. Винт 15 и один из винтов 17 являются выводами преобразователя. К тыльной стороне основания прикреплен экран 18, который электрически соединен с одним из винтов 17 (не показано). A fixed electrode is fixed to the base with a screw 15 and a nut 16. The rings 9 and 10 are located under each other and are attached to the base with screws 17. There must be at least three of them. Between themselves, the rings 10 and 12 can be connected using glue. The glue can also be used to connect each of the rings to the housing 2. The screw 15 and one of the screws 17 are the terminals of the converter. A shield 18 is attached to the back of the base, which is electrically connected to one of the screws 17 (not shown).

С лицевой стороны корпус 2 имеет форму рупора, что способствует уменьшению уровня боковых лепестков в диаграмме направленности преобразователя. Для наглядности на чертеже мембраны, а также прокладки 13 и 14 увеличены по толщине. On the front side of the housing 2 has the shape of a horn, which helps to reduce the level of the side lobes in the radiation pattern of the Converter. For clarity, in the drawing of the membrane, as well as gaskets 13 and 14 are increased in thickness.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В режиме излучения к выводам преобразователя прокладываются поляризующие постоянное (полюсом на неподвижный электрод) и переменное напряжение. Благодаря этому между неподвижным электродом 3 и металлическим слоем 8 первой мембраны возникают постоянное и переменное электрические поля. Постоянное поле приводит к плотному прилеганию мембраны 6 к выступам 4, а переменное - к механическим колебаниям ее над впадинами 5. Эти колебания пневматически возбуждают через замкнутый промежуток воздуха вторую мембрану, которая в отличие от первой колеблется не на отдельных кольцевых участках, а всей поверхностью, что способствует повышению КПД преобразователя. In the radiation mode, polarizing constant (by a pole on a fixed electrode) and alternating voltage are laid to the converter terminals. Due to this, between the fixed electrode 3 and the metal layer 8 of the first membrane there are constant and alternating electric fields. A constant field leads to a tight fit of the membrane 6 to the protrusions 4, and an alternating one leads to mechanical vibrations of the membrane above the depressions 5. These vibrations pneumatically excite a second membrane through a closed air gap, which, unlike the first, oscillates not on separate annular sections, but on the entire surface, which increases the efficiency of the converter.

На непроводящей стороне второй мембраны по различным причинам (из-за облучения светом, бомбардировки заряженных частицами и т.п.) в обычных условиях возникает избыточный положительный заряд, который под действием собственного поля распространяется через тонкий диэлектрический слой мембраны и попадает на изолированный слой металлизации. Этот заряд наводит отрицательный заряд в проводящем слое 8 первой мембраны, что вызывает появление между мембранами постоянного электрического поля, направленного в сторону, противоположную направлению поляризующего поля между первой мембраной и неподвижным электродом. В результате поле между мембранами частично уравновешивает действие на первую мембрану поляризующего поля и она колеблется над впадинами вблизи состояния равновесия, что также повышает КПД преобразователя. On the non-conductive side of the second membrane for various reasons (due to irradiation with light, bombardment of charged particles, etc.) under normal conditions, an excess positive charge arises, which under the action of its own field propagates through a thin dielectric layer of the membrane and enters an isolated metallization layer. This charge induces a negative charge in the conductive layer 8 of the first membrane, which causes the appearance between the membranes of a constant electric field directed in the direction opposite to the direction of the polarizing field between the first membrane and the stationary electrode. As a result, the field between the membranes partially balances the effect of the polarizing field on the first membrane and it oscillates above the troughs near the equilibrium state, which also increases the efficiency of the converter.

В режиме приема к выводам преобразователя прикладывается только постоянное напряжение поляризации. Колебания среды возбуждают вторую мембрану, которая пневматически взаимодействует с первой мембраной. Перемещения последней в поле поляризации преобразуются в переменное напряжение на электродах. Повышение чувствительности преобразователя в сравнении с прототипом также связано с полем между мембранами, которое вызвано избыточным зарядом. In receive mode, only a constant polarization voltage is applied to the terminals of the converter. Fluctuations of the medium excite the second membrane, which pneumatically interacts with the first membrane. The displacements of the latter in the polarization field are converted to alternating voltage at the electrodes. The increased sensitivity of the Converter in comparison with the prototype is also associated with the field between the membranes, which is caused by excess charge.

Напряженность указанного поля обратно пропорциональна расстоянию между мембранами. При больших расстояниях это поле мало и меняется случайным образом вместе с естественным изменением избыточного заряда. При малых расстояниях оно увеличивается и достигает величины, достаточной для пробоя воздушного промежутка между мембранами. Благодаря этому оно стабилизируется, а вместе с этим становятся стабильными параметры преобразователя. Эффект пробоя и стабилизации наблюдается, если указанное расстояние меньше 300 мкм. The intensity of this field is inversely proportional to the distance between the membranes. At large distances, this field is small and varies randomly along with the natural change in the excess charge. At small distances, it increases and reaches a value sufficient for the breakdown of the air gap between the membranes. Due to this, it stabilizes, and with it the converter parameters become stable. The effect of breakdown and stabilization is observed if the indicated distance is less than 300 microns.

При слишком малых расстояниях непараллельность мембран может привести к их соприкосновению и залипанию. Для уменьшения степени непараллельности преобразователь выполнен так, что внутренний диаметр третьего кольца больше внутреннего диаметра периферийного выступа неподвижного электрода, плоскость, проходящая через вершины выступов неподвижного электрода, не пересекает первого кольца, а между первой и второй мембранами находится гибкая прокладка, внутренний диаметр которой равен внутреннему диаметру третьего кольца. Благодаря этому расстояние между мембранами равно толщине прокладки, а их непараллельность зависит от двух легко поддающихся контролю факторов: неодинаковости толщины прокладки на различных участках и неплоскостности прилегающих к мембране поверхностей второго кольца и вершин выступов неподвижного электрода. При изготовлении прокладки с одинаковой толщиной на различных участках и притирании второго кольца и лицевой стороны неподвижного электрода на плоско-шлифовальном станке удается практически, не опасаясь залипания, уменьшить толщину прокладки до 50 мкм. At too small distances, the non-parallelism of the membranes can lead to their contact and sticking. To reduce the degree of non-parallelism, the converter is designed so that the inner diameter of the third ring is larger than the inner diameter of the peripheral protrusion of the fixed electrode, the plane passing through the tops of the protrusions of the fixed electrode does not intersect the first ring, and a flexible gasket is located between the first and second membranes, the inner diameter of which is equal to the inner the diameter of the third ring. Due to this, the distance between the membranes is equal to the thickness of the gasket, and their non-parallelism depends on two factors that can be easily controlled: the unevenness of the thickness of the gasket in different areas and the non-flatness of the surfaces of the second ring and the tips of the protrusions of the fixed electrode adjacent to the membrane. In the manufacture of gaskets with the same thickness in different areas and grinding of the second ring and the front side of the stationary electrode on a flat grinding machine, it is possible, practically without fear of sticking, to reduce the thickness of the gasket to 50 μm.

Вершины выступов неподвижного электрода и лицевая поверхность первого кольца лежат в разных плоскостях. Расстояние между этими плоскостями зависит от толщины первой прокладки 14 и определяет степень натяжения первой мембраны. Подбирая толщину прокладки, добиваются в процессе изготовления преобразователя необходимого натяжения мембраны. The vertices of the protrusions of the fixed electrode and the front surface of the first ring lie in different planes. The distance between these planes depends on the thickness of the first strip 14 and determines the degree of tension of the first membrane. Selecting the thickness of the gasket, they achieve the necessary membrane tension during the manufacturing process of the converter.

Выступ на основании и периферийная проточка на тыльной стороне неподвижного электрода совместно с винтом 16 предотвращают в процессе эксплуатации преобразователя радиальные перемещения неподвижного электрода относительно основания и связанное с этим изменение натяжения первой мембраны. The protrusion on the base and the peripheral groove on the back of the fixed electrode together with the screw 16 prevent radial movements of the fixed electrode relative to the base and the associated change in the tension of the first membrane during operation of the converter.

Для того, чтобы исключить замыкание неподвижного электрода с первым кольцом в случае, когда оно выполнено электропроводным, неподвижный электрод имеет диаметр меньше, чем внутренний диаметр кольца. In order to eliminate the closure of the fixed electrode with the first ring in the case when it is electrically conductive, the fixed electrode has a diameter smaller than the inner diameter of the ring.

Экран 18, будучи соединенным с одним из винтов 17, защищает преобразователь от электростатических наводок. The screen 18, being connected to one of the screws 17, protects the converter from electrostatic interference.

Claims

An electrostatic capacitor converter comprising a housing, an electrically conductive fixed electrode with rectangular rectangular protrusions and depressions on the front side, a first ring located around the fixed electrode, and also the first membrane in the form of a movable electrode in the form of a stretched one-sided metallized polymer film non-conductive side adjacent to the protrusions of the fixed electrode, characterized in that it has a dielectric base, a second conductive and third rings, in a membrane in the form of a stretched one-sided metallized polymer film, the first and second flexible ring dielectric gaskets, a ring-shaped flat screen, the inner diameter of the first ring being larger than the diameter of the fixed electrode, the housing on the front side has the shape of a horn, the fixed electrode is attached to the base with the central screw, which plays the role of one of the terminals of the transducer, has an annular peripheral groove on the back side of the fixed electrode, based on the front side I am an annular protrusion, the first gasket is located between the protrusion and the groove, the first membrane is attached (glued) with a non-conductive side to the first ring and is in contact with the metallized side of the second ring, the first and second rings are located one above the other and are attached to the base with peripheral screws, one of which is the second output of the transducer, the third ring is fixed inside the second ring, the second membrane is attached (glued) to the third ring and facing the metallized side to the first membrane, Between the first and second membranes there is a second gasket, the inner diameter of which is equal to the inner diameter of the third ring, and the thickness does not exceed 300 μm, the inner diameter of the third ring is less than the outer diameter of the peripheral protrusion of the fixed electrode, the plane passing through the tops of the protrusions of the fixed electrode does not intersect the first ring , on the back side of the fixed electrode a screen is fixed, the housing, as well as the first and third rings can be both electrically conductive and dielectric.