ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензометрическим датчикам давления, и может найти применение для измерения давлений жидких и газообразных сред.

Известны тензометрические датчики давления, содержащие корпус, мембрану, соединенную с консольной балкой, на которой размещены тензорезисторы, измеряющие деформацию, возникающую на поверхностях балки при прогибе мембраны под давлением [1]. Расположение тензорезисторов на консольной балке приводит к низкой чувствительности и большой нелинейности датчика, вызванными сложными продольно-поперечными изгибами балки и соединительного штока.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является тензометрический датчик давления, содержащий корпус с параллельно расположенными жесткозащемленными в нем мембраной со штоком и измерительной балкой, на которой размещены включенные в мостовую измерительную схему тензорезисторы, расположенные в центральной части измерительной балки и на периферии, и снабженный гибкой тягой, соединяющей центр балки с эксцентрично установленным на мембране штоком [2].

Недостатком известного датчика является низкая чувствительность, обусловленная расположением тензорезисторов на измерительной балке. При фиксированной базе тензорезисторов размещение каждого из них в зонах однополярных деформаций вынуждает применять балки значительной длины. Однако это приводит к понижению КПД передачи упругой энергии от мембраны к тензорезисторам, так как при этом используется лишь незначительная часть упругой энергии изогнутой балки.

Изобретение направлено на увеличение чувствительности датчика давления за счет повышения КПД передачи упругой энергии от мембраны к тензорезисторам.

Это достигается тем, что в тензометрическом датчике давления, содержащем корпус, мембрану, связанную посредством штока с жесткозащемленной с двух концов балкой, на которой размещены тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, тензорезисторы, входящие в смежные плечи мостовой схемы, расположены вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах параллельно друг другу, а длина балки в 1,4 - 1,7 раза больше базы тензорезисторов.

При заданной базе тензорезисторов это приводит к повышению КПД передачи упругой энергии от мембраны к тензорезисторам и следовательно к увеличению чувствительности датчика давления.

В процессе нагружения мембраны датчика давлением Р ее центр смещается на величину δ , равную
δ = (1) где R - радиус мембраны; μ и Е₁ - коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала мембраны соответственно; h₁ - толщина мембраны. Этот прогиб δ передается посредством штока жесткозащемленной с обоих концов в корпусе балке с тензорезисторами. На верхней и нижней сторонах балки возникает распределенная деформация, равная
ε = ∓ (2) где L и h_z - длина и толщина балки, а координата z отсчитывается от центра балки к местам ее закрепления в корпусе. Верхний знак соответствует распределению деформации на верхней стороне балки, а нижний - на нижней стороне. При расположении тензорезисторов на противоположных сторонах балки в ее центральной части деформации, воспринимаемая тензорезисторами, равна
= (3)
При соединении верхнего и нижнего тензорезисторов в смежные плечи мостовой схемы общая регистрируемая мостовой схемой деформация равна
= 2- = (4) Чувствительность датчика давления характеризуется отношением измеряемой тензорезисторами деформации к подаваемому давлению:
K_р = = (L-i)=A1 - (5) В этом выражении величина А не зависит от длины балки:
A = (6)
На фиг. 1 представлен тензометрический датчик давления, общий вид, в разрезе; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Он содержит мембрану 1, балку 2 длиной L, корпус 3, шток 4, тензорезисторы 5 с базой i.

Датчик давления содержит мембрану 1, связанную с балкой 2, которая жестко защемлена с двух концов в корпусе 3. Центр мембраны соединен с балкой 2 посредством штока 4. Вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах симметрично установлены параллельно друг другу тензорезисторы 5, соединенные попарно в противоположные плечи измерительной мостовой схемы. Длина балки 2 в 1,4-1,7 раза больше базы тензорезисторов 5.

При подаче давления на мембрану она изгибается. Прогиб ее центра посредством штока 4 передается центру балки 2, вызывая ее изгиб. При изгибе балки на ее противоположных поверхностях возникает деформация, которая измеряется мостовой схемой, состоящей из тензорезисторов 5.

Датчик давления содержит мембрану 1 из стали 44НХТЮ толщиной 0,22 мм с рабочим диаметром 8 мм. Балка 2 длиной 3 мм, толщиной 0,05 мм и шириной 3 мм выполнена из окисленного ковара 29НК и приварена лазером к корпусу 3 из ковара 29НК. Центр балки соединен с центром мембраны посредством штока 4 диаметром 0,5 мм и длиной 2 мм, выполненного из ковара 29НК. Вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах симметрично закреплены с помощью ситаллоцемента СЦН-52 параллельно друг другу четыре тензорезистора 5 из нитевидных кристаллов кремния длиной 2 мм. Длина балки в 1,5 раза больше базы тензорезисторов.

Тензорезисторы, расположенные на верхней и нижней сторонах балки 2, попарно соединены в смежные плечи мостовой схемы. При подаче давления на мембрану балка изгибается, верхние тензорезисторы испытывают деформацию сжатия, а нижние - равную ей деформацию растяжения. При сопротивлении тензорезисторов 5 порядка 100 Ом и напряжении питания мостовой схемы 2 В коэффициент преобразования датчика составит 0,2 мкВ/Па (при номинальном давлении 1 МПа выходной сигнал 200 мВ).

Ниже приведены рассчитанные значения чувствительности Кр/А при различных отношениях длины балки к базе тензорезисторов, откуда видно, что максимальная чувствительность достигается при длине балки в 1,4-1,7 раза большей базы тензорезисторов. _________________________________________________________________________
L/l 100 10 5 3 2 1,7 1,5 1,4 1,2 1,1
K_р/A 0,02 1,8 6,4 14,8 19,2 28,5 29,6 29,2 23,1 15 _________________________________________________________________________
Использование предлагаемого технического решения обеспечивает более высокую чувствительность за счет повышения КПД передачи упругой энергии от мембраны к тензорезисторам путем расположения последних вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах параллельно друг другу, а длина балки в 1,4-1,7 раза большей базы тензорезисторов.

Выполнение тензометрического датчика давления с указанными размещением тензорезисторов на балке и взаимосвязью размеров основных конструктивных элементов значительно увеличивает чувствительность датчика при заданных мембране и базе тензорезисторов.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензометрическим датчикам, и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных сред. Цель изобретения - увеличение чувствительности датчика давления. Сущность изобретения: датчик давления содержит корпус 3 и мембрану 1, связанную посредством штока 4 с жестко защемленной с обоих концов в корпусе балкой 2, на которой размещены соединенные в мостовую схему тензорезисторы 5. Новым является расположение тензорезисторов, входящих в смежные плечи мостовой схемы вдоль балки 2 на ее противоположных сторонах параллельно друг другу, причем длина балки в 1,4 - 1,7 раза больше базы тензорезисторов. Такое выполнение датчика на порядок увеличивает его чувствительность при заданных размерах мембраны и базы тензорезисторов. 2 ил.

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус с установленной в нем мембраной, связанной посредством штока с жестко защемленной с двух концов балкой, на которой размещены тензорезисторы, соединенные в мостовую измерительную схему, отличающийся тем, что в нем тензорезисторы, входящие в смежные плечи мостовой схемы, расположены вдоль балки в ее центральной части на противоположных сторонах параллельно друг другу, а длина балки в 1,4 - 1,7 раза больше базы тензорезисторов.