ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE SENSOR

Изобретения относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в широком диапазоне температур.
Известен датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы тензорезисторы, соединенные в два измерительных моста, выполненные с одинаковой топологией, из одного и того же материала, при этом мостовые схемы соединены встречно и скоммутированы таким образом, что имеют противоположное чередование тензорезисторов в части знака изменения их сопротивлений при воздействии давления [1].
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара).
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, выполненной за одно целое с утолщенным периферийным участком и жестким центром. На поверхности мембраны размещен измерительный мост из тензорезисторов, выполненных в виде множества идентичных тензоэлементов, соединенных низкоомными перемычками в окружном и радиальном направлениях. При этом половина каждого тензорезистора размещена около утолщенного периферийного участка, а половина - около жесткого центра [2].
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений, обусловленная неполной температурной компенсацией во всем рабочем диапазоне стационарных температур. Это связано с нелинейной температурной зависимостью выходного сигнала, вследствие чего температурную зависимость удается скомпенсировать на определенно узком температурном участке.
Цель изобретения - повышение точности измерения давления во всем рабочем диапазоне температур.
1
2
Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, мембрану радиуса r, выполненную с жестким центром радиуса r и утолщенным периферийным основанием, выполненным за одно целое с корпусом, размещенные по планарной поверхности мембраны контактные площадки и тензорезисторы, выполненные в виде множества идентичных тензоэлементов, при этом часть тензорезисторов соединена низкоомными перемычками в радиальном направлении, а часть - соединена низкоомными перемычками в окружном направлении, размещены по периферии мембраны и по периметру жесткого центра, согласно изобретению тензорезисторы соединены в две мостовые схемы, при этом одна мостовая схема расположена по периметру утолщенного периферийного основания, а вторая - по периметру жесткого центра, при этом тензорезисторы первой мостовой схемы, соединенные в радиальном направлении, расположены напротив соединенных в радиальном направлении тензорезисторов второй мостовой схемы, а тензорезисторы первой мостовой схемы, соединенные в окружном направлении, расположены напротив тензорезисторв, соединенных в окружном направлении второй мостовой схемы. Мостовые схемы диагоналями питания подключены к общим контактным площадкам, а выходные диагонали соединены встречно, при этом размеры сторон резистивных тензоэлементов радиальных и окружных тензорезисторов одинаковы. Все тензоэлементы первой мостовой схемы своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и периферийного основания, а все резистивные тензоэлементы второй мостовой схемы своими наиболее близкими от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и жесткого центра, при этом тензорезисторы выполнены из одного и того же материала в едином технологическом процессе.
На фиг.1 изображен разрез А-А тензорезистивного датчика давления, на фиг.2 - схема расположения тензорезисторов и контактных площадок на поверхности мембраны тензорезистивного датчика давления, на фиг.3 - электрическая схема соединения мостовых схем.
1
2
Датчик включает мембрану 1 радиуса r, жесткий центр 2 радиуса r, периферийное основание 3, контактные площадки 4, 5, 6, тензорезисторы первой мостовой схемы R1-R4, тензорезисторы второй мостовой схемы R5-R8.
Тензорезисторы R1, R3 первой мостовой схемы соединены в радиальном направлении и расположены напротив соединенных в радиальном направлении тензорезисторов R5, R7 второй мостовой схемы, а тензорезисторы R2, R4 первой мостовой схемы соединены в окружном направлении и расположены напротив соединенных в окружном направлении тензорезисторов R6, R8 второй мостовой схемы.
Контактные площадки (4) являются общими для обеих мостовых схем и служат для подключения к источнику питания. Контактные площадки (5) первой мостовой схемы и (6) второй мостовой схемы служат для подключения к регистрирующей аппаратуре.
Выходные диагонали мостовых схем посредством внешнего монтажа соединены встречно. При таком соединении тензорезисторы с отрицательным знаком изменения сопротивлений первой мостовой схемы подключены параллельно тензорезисторам с отрицательным знаком изменения сопротивлений второй мостовой схемы (R1||R6; R3||R8), тензорезисторы с положительным знаком изменения сопротивлений первой мостовой схемы подключены параллельно тензорезисторам с положительным знаком изменения сопротивлений второй мостовой схемы (R2||R5; R4||R7).
Так как мостовые схемы расположены в противоположных зонах деформации мембраны, то при воздействии давления тензорезисторы R1, R3 первой мостовой схемы уменьшают свое сопротивление, а тензорезисторы R2, R4 увеличивают свое сопротивление; тензорезисторы R5, R7 второй мостовой схемы в данном случае увеличивают свое сопротивление, а тензорезисторы R6, R8 уменьшают свое сопротивление.
Датчик работает следующим образом.
При подаче напряжения питания на мостовые схемы на их выходных диагоналях возникают начальные выходные сигналы. Так как выходные диагонали мостовых схем включены встречно, то начальные выходные сигналы их вычитаются и на выходе получается разностный сигнал, в идеальном случае равный нулю.
При воздействии измеряемого давления на воспринимающую мембрану (1) последняя прогибается. Тензорезисторы (R1-R8) испытывают деформацию. Вследствие этого, на выходах (7, 8) мостовых измерительных схем появляются выходные сигналы. Ввиду того, что тензорезисторы (R1-R8) мостовых схем, подключенные встречно, соединены между собой с одинаковым знаком изменения сопротивления, вычитание выходных сигналов не происходит и на выходе объединенных выходных диагоналей (7) выходной сигнал имеет величину, равную величине выходного сигнала одной мостовой схемы.
При влиянии на мостовые схемы температуры их начальные выходные сигналы изменяются. Так как тензорезисторы (R1-R8) обеих мостовых схем выполнены из одного и того же материала в едином технологическом цикле, то нелинейный характер изменения начальных выходных сигналов обеих мостовых схем во всем температурном диапазоне будет иметь одинаковое значение, и следовательно, при вычитании их друг из друга нелинейный характер температурной погрешности начальных выходных сигналов обеих мостовых схем взаимно компенсируется и изменение результирующего начального выходного сигнала от температуры во всем рабочем диапазоне будет иметь линейный характер, что позволит повысить точность измерения давления за счет более полной компенсации температурной погрешности начального выходного сигнала.
При эксплуатации датчика в условиях воздействия быстропеременных температур, т.е. при воздействии термоудара на мембрану (1), изменяется сопротивление тензорезисторов (R1-R8), а следовательно, изменяется величина сопротивлений плеч мостов. Величина изменений сопротивлений от температуры пропорциональна изменению температуры в любой момент времени.
В связи с тем, что размеры резистивных тензоэлементов радиальных (R1, R3, R6, R8) и окружных (R2, R4, R5, R7) тензорезисторов в мостовых схемах одинаковы, а все тензоэлементы первой мостовой схемы своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и периферийного основания, а все резистивные тензоэлементы второй мостовой схемы своими наиболее близкими от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и жесткого центра, то несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарный стороне мембраны (1) температура резистивных тензоэлементов окружных (R2, R4, R5, R7) и радиальных (R1, R3, R6, R8) тензорезисторов в каждой мостовой схеме, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый конкретный момент времени.
Одинаковая температура окружных и радиальных тензорезисторов (R1-R4) первой мостовой схемы, прилегающих к периферийному основанию (3), вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения в мостовую схему взаимно компенсируются.
Температура окружных и радиальных тензорезисторов (R5-R8) второй мостовой схемы, прилегающих к жесткому центру (2), вследствие идентичности условий отвода тепла от саморазогрева резистивных тензоэлементов также одинакова. Одинаковая температура окружных и радиальных тензорезисторов вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения в мостовую схему также взаимно компенсируются.
Следовательно, температурная погрешность обеих измерительных мостовых схем при воздействии нестационарной температуры будет скомпенсирована.
Таким образом, применение данного технического решения позволяет с высокой точностью проводить измерение давления не только при воздействии стационарных температур, но также и при воздействии термоудара.
Источники информации
1. Патент №2377517 C1 "Датчик давления" Приоритет 15.09.2008, опубликован 27.12.2009, Бюл. №36.
2. AC №1712802 A1 "Датчик давления" Приоритет 13.02.89, опубликован 15.02.92, Бюл. №6.