ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления.

Известна конструкция датчика давления, содержащая мембрану с утолщенным периферийным участком и с жестким центром, расположенные равномерно на ее поверхности по радиальным направлениям между жестким центром и утолщенным периферийным участком мембраны тензоэлементы, каждый из которых разделен контактными проводниками на два тензорезистора: расположенных соответственно в зоне положительной и отрицательной деформации, причем, тензорезисторы соединены в мостовую схему, а каждое плечо моста образовано последовательным соединением множества тензорезисторов одноименной деформации [1]
Недостатком известной конструкции является невысокая надежность, связанная с наличием резких переходов между отдельными элементами конструкции (жестким центром, периферийным участком и тонкой частью мембраны и т.д.), образующих при воздействии измеряемых давлений зоны повышенных механических напряжений (концентраторы напряжений). Величина механических напряжений в концентраторах напряжений существенно, в несколько раз, превышает напряжения в зонах отсутствия концентраций напряжений. Наличие повышенных напряжений приводит к пониженной прочности, а следовательно и надежности мест сопряжений элементов конструкции, особенно в условиях воздействия многоциклового динамического давления, когда в местах концентрации напряжений вследствие влияния усталостных напряжений появляются микротрещины или даже разрушения элементов конструкции. Другим недостатком известной конструкции является пониженная чувствительность, объясняемая тем, что размещение тензорезисторов только на тонкой части мембраны не позволяет воспринимать им деформации, образующиеся при воздействии измеряемого давления в участках жесткого центра и периферийного утолщения, прилагающих к тонкой части мембраны. Недостатком известной конструкции является также низкий уровень технологичности, связанный с неидентичными размерами и формой перемычек, соединяющих тензорезисторы в измерительный мост, что приводит к необходимости дополнительной настройки датчика.

Известна конструкция датчика давления, выбранная в качестве прототипа, содержащая штуцер, соединенный с корпусом и связанный через кольцо с мембраной, выполненной с центральным и периферийным утолщениями, две пары идентичных по форме и размерам тензорезисторов, соединенных в мостовую измерительную схему, первые тензорезисторы в каждой паре размещенные в зоне положительных, а вторые отрицательных деформаций мембраны, причем, центральное утолщение выполнено с конической высечкой, периферийное утолщение выполнено с наружной поверхностью по форме конуса, а пары тензорезисторов установлены в направлении диаметра по разные стороны от центрального утолщения мембраны [2]
Недостатком известной конструкции является невысокая надежность, связанная с наличием резких сопряжений между отдельными элементами конструкции (между центральным утолщением и тонкой частью, между периферийным утолщением и тонкой частью мембраны, между периферийным утолщением и цилиндром), образующих при воздействии измеряемых давлений зоны повышенных механических напряжений (концентраторы напряжений). Величина механических напряжений в концентраторах напряжений существенно, в несколько раз, превышает напряжения в зонах отсутствия концентраторов напряжения. Наличие повышенных напряжений приводит к пониженной прочности, а следовательно и надежности мест сопряжения элементов конструкции, особенно в условиях воздействия многоциклового динамического давления, когда в местах концентрации напряжения вследствие влияния усталостных напряжений появляются микротрещины или даже разрушения элементов конструкции. Другим недостатком известной конструкции является понижения чувствительность, объясняемая тем, что размещение тензорезисторов только на тонкой части мембраны не позволяет воспринимать им деформаций, возникающих при воздействии измеряемого давления в участках центрального и периферийного утолщений, прилегающих к тонкой части мембраны. В связи с тем что в известной конструкции тензорезисторы размещены на некотором удалении от центрального и периферийного утолщения, то есть не воспринимают наибольшие по величине деформации, чувствительность такой конструкции явно недостаточно. Недостатком известной конструкции является низкая технологичность в связи с необходимостью коррекции начального выходного сигнала непосредственно на рабочей части тензорезистора, что весьма часто приводит к недопустимому уменьшению ширины тензорезистора и уменьшению выхода годовых элементов. Технологичность известной конструкции и недостаточна также в связи с отсутствием возможности настройки аддитивной температурной погрешности непосредственно на мембране.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков.

Согласно изобретению в датчике давления, содержащем штуцер, соединенный с корпусом и связанный через кольцо в мембраной, выполненной с центральным и периферийным утолщениями, две пары идентичных по форме и размерам тензорезисторов, соединенных в мостовую схему, первые тензорезисторы в каждый паре размещены в зоне положительных, а вторые отрицательных деформаций мембраны, по три контактных проводника в каждой паре тензорезисторов, причем, центральное утолщение выполнено с выточкой, а периферийное утолщение с наружной поверхностью, сужающейся по мере сопряжения с кольцом, тензорезисторы частично размещены на поверхности центрального и периферийного утолщений, прилегающей к поверхности тонкой части мембраны, а выточка утолщения и кольцо в областях, подвергающихся деформации от измеряемого давления, плавно сопрягаются с другими прилегающими поверхностями по элементам торовых поверхностей. Кроме того, согласно изобретению тензорезисторы выполнены с расширительными участками, размещенными на центральном и периферийном утолщениях в зоне воздействиях в зоне воздействия минимальных деформаций от измеряемого давления. Согласно изобретению выточка центрального утолщения и наружная поверхность периферийного утолщения выполнены в виде элементов сферической и торовой поверхностей соответственно. Кроме того, согласно изобретению тензоризисторы выполнены с дополнительными расширенными участками, размещенными симметрично расширенным участкам центрального и периферийного утолщений относительно середины тензорезисторов, а ширина расширительных участков тензорезисторов выполнена плавно увеличивающейся по мере приближения к прилегающему контактному проводнику. Согласно изобретению первый тензорезистор первой пары соединен со вторым тензорезистором второй пары при помощи дополнительной резистивной полосы, температурный коэффициент сопротивления материала которой превышает температурный коэффициент сопротивления материала тензорезисторов. Кроме того, согласно изобретению первой тензорезистор второй пары может быть соединен со вторым тензорезистором первой пары при помощи дополнительной резистивной полосы, температурный коэффициент сопротивления материала которой превышает температурный коэффициент сопротивления материала тензорезисторов. Согласно изобретению дополнительные резистивные полосы могут быть выполнены идентичными по форме и размерам и размещены симметрично относительно центра мембраны.

Для обоснования причинно-следственной связи между совокупностью признаков и достигаемым положительным эффектом рассмотрим более подробно конструкцию предлагаемого датчика давления. Частичное размещение тензорезисторов на центральном и периферийном участках повышает чувствительность вследствие наличия на поверхностях центрального и периферийного утолщений, прилегающих к поверхности мембраны, к существенно большим деформациям от измеряемого давления по сравнению с деформациями, возникающими на поверхности тонкой части мембраны. Кроме того, такое расположение тензорезисторов увеличивает надежность, так как, во-первых, позволяет при обеспечении необходимой чувствительности использовать более толстые, а следовательно и более надежные мембраны, в результате чего повышается механическая надежность и во-вторых, при заданных диаметрах мембраны позволяет увеличивать размеры тензорезисторов, что благоприятно сказывается на рассеиваемой помощи, а следовательно и на повышении электрической надежности.

Возможность увеличения размеров тензорезисторов при заданных размерах мембраны увеличивает точность выполнения номиналов тензорезисторов, что уменьшает трудоемкость настрочных операций, а следовательно повышает технологичность. Надежность в предлагаемой конструкции повышается также за счет исключения резких зон перехода утолщений выточки и кольца к прилегающим поверхностям в зонах воздействия деформаций от измеряемого давления, Плавное сопряжения с прилегающими поверхностями обеспечивает плавное распределение деформаций в переходных зонах, устраняет резкие пики деформаций, которые могут привести к появлению микротрещин в местах перехода и даже к повреждению мембраны. Сопряжения осуществляются по элементам торовых поверхностей, так как они обеспечивают наиболее плавное сопряжение элементов конструкции при наибольшей технологичности реального выполнения.

Выполнение тензорезисторов с расширенными участками, размещенными на центральном и периферийном утолщениях в зоне воздействия минимальных деформаций от измеряемого давления, повышает технологичность и надежность вследствие исключения возможности чрезмерного уменьшения ширины тензорезисторов при лазерной или эрозионной подгонке номиналов тензорезисторов, а также вследствие расположения участков (расширенных участков тензорезисторов) в зоне воздействия минимальных деформаций от измеряемого давления, в результате чего существенно уменьшается воздействие деформаций на поврежденные в результате подгонки участки тензорезисторов, что делает резисторы более стабильными и надежными. Выполнение выточки центрального утолщения и наружной поверхности периферийного утолщения в виде элементов сферической и торовых поверхностей соответственно обеспечивает еще более плавный переход отдельных элементов конструкции, а следовательно более равномерное распределение деформаций и, как было показано выше, повышение надежности. Тензорезисторы выполнены с дополнительными расширенными участками, размещенными симметрично расширенным участкам центрального и периферийного утолщений относительно середины тензорезисторов для повышения чувствительности, так как в этом случае большая часть сопротивления тензорезисторов размещена в зонах наибольших деформаций в связи с уменьшением сопротивлений части тензорезисторов, расположенных в зоне минимальных деформаций. Расширенные участки, обладая меньшим сопротивлением, размещены в зонах минимальной деформаций: на центральном и периферийном утолщениях и в центре тонкой части мембраны. Кроме того, выполнение тензорезисторов с дополнительными расширенными участками повышает технологичность вследствие возможности более точной подгонки сопротивления тензорезисторов за счет увеличения в два раза зон подгонки тензорезисторов. Выполнение ширины расширенных участков тензорезисторов, плавно увеличивающейся по мере приближения к прилегающему контактному проводнику, увеличивает надежность вследствие улучшения качества переходного слоя тензорезистор-контактный проводник за счет увеличения площади контакта тензорезистор- онтактный проводник. Соединение первого тензорезистора первой пары со вторым тензорезистором второй пары при помощи дополнительной резистивной полосы, температурный коэффициент сопротивления материала, которой превышает температурный коэффициент сопротивления материала тензорезисторов, повышает технологичность, так как обеспечивает настройку датчика по аддитивной температурной погрешности непосредственно на мембране.

Введение второй дополнительной резистивной полосы еще более повышает технологичность вследствие обеспечения возможности коррекции примерно в два раза большей аддитивной температурной погрешности и повышает надежность вследствие исключения необходимости использования внешних соединений для получения замкнутой мостовой схемы.

Выполнение дополнительных резистивных полосок идентичными по форме и размерам и размещение их симметрично относительно центра мембраны повышает технологичность, так как позволяет более точно проводить коррекцию аддитивной температурной погрешности в связи с возможностью более точного учета температурного поля на мембране, которое в силу симметричности конструкции датчика распределяется на мембране симметрично относительно центра мембраны.

На фиг. 1, 2 показана конструкция датчика давления, где на фиг. 1 дан разрез датчика, а на фиг. 2 вид на мембрану с тензорезисторами. Соотношения между размерами элементов конструкции для наглядности изменены.

Датчик давления содержит штуцер 1, соединенный с корпусом 2 и связанный через кольцо 3 с мембраной 4, выполненный с центральным 5 и периферийным 6 утолщениями. Две идентичных по форме и размерам тензорезисторов: 7 и 8 соответственно первый и второй тензорезисторы первой пары, 9 и 10 соответственно первый и второй тензорезисторы второй пары, соединенные в мостовую схему. Первые тензорезисторы в каждой паре 7 и 9 размещены в зоне положительных деформаций, а вторые 8 и 10 отрицательных деформаций мембраны. По три контактных проводника 11 находятся в каждой паре тензорезисторов. Центральное утолщение выполнено с выточкой 12, а периферийное утолщение 6 - с наружной поверхностью 13, сужающейся по мере сопряжения с кольцом. Тензорезисторы 7, 8, 9, 10 частично размещены на поверхности центрального 5 и периферийного 6 утолщений, прилегающей к поверхности тонкой части мембраны 4. Выточка 12, утолщения 5,6 и кольцо 3 в областях подвергающихся деформациям от измеряемого давления, плавно сопрягаются с другими прилегающими поверхностями по элементам торовых поверхностей 14. В соответствии с п. 2 формулы изобретения тензорезисторы 7, 8, 9, 10 выполнены с расширенными участками 15, размещенными на центральном 5 и периферийном 6 утолщениях в зоне воздействия минимальных деформаций от измеряемого давления. В соответствии с п. 3 формулы выточка 12 центрального утолщения 5 и наружная поверхность 13 периферийного утолщения 6 выполнены в виде элементов сферической и торовой поверхностей соответственно. В соответствии с п. 4 формулы тензорезисторы выполнены с дополнительными расширенными участками 16, размещенными симметрично расширенным участкам 15 центрального и периферийного утолщений относительно середины тензорезисторов. Расширенные участки 15, 16 тензорезисторов 7, 8, 9, 10 выполнены с плавным увеличением ширины по мере приближения к контактным проводникам 11. Наиболее плавное сопряжение расширенных участков тензорезисторов с их линейными частями осуществляется по радиусу окружности, касательной к которой и является граница линейной части тензорезисторов. В соответствии с п. 5 формулы изобретения первой тензорезистор 7 первой пары соединен с вторым тензорезистором 10 второй пары при помощи дополнительной резистивной полосы 17, температурный коэффициент сопротивления материала которой превышает температурный коэффициент сопротивления материала тензорезисторов. В соответствии с п. 6 формулы первой тензорезистор 9 второй пары соединен со вторым тензорезистором 8 первой пары при помощи дополнительной резистивной полосы 18, температурный коэффициент сопротивления материала которой превышает температурный коэффициент сопротивления материала тензорезисторов. В соответствии с п. 7 дополнительные резистивные полосы 17 и 18 выполнены идентичными по форме и размерам и размещены симметрично относительно центра мембраны. В этом случае целесообразно также, чтобы в результате настройки по аддитивной температурной погрешности после проведения необходимой коррекции сопротивлений дополнительных резистивных полосок их форма и размеры были идентичными и они были размещены симметрично относительно центра мембраны.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давления воздействует на внутренние поверхности штуцера 1, кольца 3, и мембраны 4. В результате этого на планарной поверхности мембраны возникают деформации, которые воспринимаются тензорезисторами 7, 8, 9, 10. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой схемой, в которую включены тензорезисторы, в выходное напряжение, снимаемое с контактных проводников 11. В связи с частичным размещением тензорезисторов на поверхности центрального 5 и периферийного 6 утолщений, прилегающей к поверхности тонкой части мембраны, т.е. в зоне максимальных деформаций от измеряемого давления, выходной сигнал, а следовательно и чувствительность по сравнению с прототипом увеличивается. Кроме того, такое расположение повышает надежность и технологичность вследствие улучшения условий теплоотвода рассеиваемой мощности и повышения точности выполнения сопротивления тензорезисторов за счет возможности увеличения геометрических размеров тензорезисторов при заданных размерах мембраны. При этом плавное сопряжение элементов конструкции обеспечивает повышение надежности вследствие исключения резких концентраторов напряжений. Выполнение расширенных участков тензорезисторов приводит к еще большему увеличению чувствительности в связи с размещением большей части сопротивления тензорезисторов в зоне воздействия наибольших деформаций от измеряемого давления при одновременном повышении надежности и технологичности за счет повышения площади тензорезисторов и точности их изготовления. В связи с выполнением выточки центрального утолщения 5 и наружной поверхности периферийного утолщения в виде элементов сферической и торовой поверхностей надежность возрастает в связи с дальнейшим исключением резких концентраторов напряжений. В результате выполнения расширенных участков тензорезисторов, плавно увеличивающихся по мере приближения к прилегающему контактному проводнику, возрастает чувствительность вследствие размещения большой части сопротивления тензорезисторов в зоне максимальных деформаций, возрастает технологичность вследствие возможности более точной подгонки тензорезисторов, и увеличивается надежность вследствие увеличения площади контакта тензорезистор-контактный проводник.

Вследствие введения дополнительных резистивных полос увеличивается чувствительность, надежность и технологичность за счет уменьшения температурной погрешности и, соответственно, увеличится отношения полезного сигнала температурной флуктуации за счет возможности простого и надежного объединения тензорезисторов в мостовую схему и за счет настройки аддитивной температурной погрешности непосредственно на мембране.

Использование: изобретение относится к датчикам давления и может быть использовано при измерении давления в различных областях техники. Изобретение направлено на повышение надежности, чувствительности и технологичности конструкции датчика. Сущность изобретения: датчик давления содержит мембрану 4, выполненную с центральным 5 и периферийным 6 утолщениями, две пары тензорезисторов 7, 8 и 9, 10, соответственно соединенных в мостовую схему, и контактные проводники 11. Утолщение %выполнено с выточкой 12, а утолщение 6 - с наружной поверхностью 13, сужающейся по мере сопряжения с кольцом 3. Тензорезисторы 7, 8, 9, 10 частично размещены на поверхности центрального 5 и периферийного 6 утолщений прилегающей к поверхности тонкой части мембраны 4. Выточка 12, утолщения 5,6 и кольцо 3 сопрягаются с другими прилегающими поверхностями по элементам торовых поверхностей 14. Тензорезисторы 7, 8, 9, 10 выполнены с расширенными участками 15 и 16. Выточка 12 и наружная поверхность 13 периферийного утолщения 6 могут быть выполнены в виде элементов сферического и торовой поверхностей соответственно. Расширенные участки 15, 16 тензорезисторов 7, 8, 9, 10 выполнены с плавным увеличением ширины по мере приближения к контактным проводникам 11. Тензорезистор 7 может быть соединен с тензорезистором 10 при помощи резистивной полосы 17, температурный коэффициент сопротивления материала которой превышает температурный коэффициент сопротивления материала тензорезисторов. Тензорезистор 9 может быть соединен с тензорезистором 8 при помощи резистивной полосы 18, температурный коэффициент сопротивления материала которой превышает температурный коэффициент сопротивления материала тензорезисторов. Резистивные полосы 17 и 18 выполнены идентичными по форме и размерам и размещены симметрично центра мембраны. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик давления, содержащий штуцер, соединенный с корпусом и связанный через кольцо с мембраной, выполненной с центральным и периферийным утолщениями, две пары идентичных по форме и размерам тензорезисторов, соединенных в мостовую схему, первые тензорезисторы в каждой паре размещены в зоне положительных, а вторые в зоне отрицательных деформаций мембраны, по три контактных проводника в каждой паре тензорезисторов, причем центральное утолщение выполнено с выточкой, а периферийное утолщение с наружной поверхностью, сужающейся по мере сопряжения с кольцом, отличающийся тем, что в нем тензорезисторы частично размещены на поверхности центрального и периферийного утолщений, прилегающей к поверхности тонкой части мембраны, а выточка, утолщения и кольцо в областях, подвергающихся деформациям от измеряемого давления, выполнены плавно сопрягающимися с другими прилегающими поверхностями по элементам торовых поверхностей. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что тензорезисторы выполнены с расширенными участками, размещенными на центральном и периферийном утолщениях в зоне воздействия минимальных деформаций от измеряемого давления. 3. Датчик по пп.1 и 2, отличающийся тем, что выточка центрального утолщения и наружная поверхность периферийного утолщения выполнены в виде элементов сферической и торовой поверхностей соответственно. 4. Датчик по пп.1 3, отличающийся тем, что тензорезисторы выполнены с дополнительными расширенными участками, размещенными симметрично расширенным участкам тензорезисторов, расположенных на центральном и периферийном утолщениях, относительно середины тензорезисторов, а ширина расширенных участков тензорезисторов выполнена плавно увеличивающейся по мере приближения к прилегающему контактному проводнику. 5. Датчик по пп.1 4, отличающийся тем, что первый тензорезистор первой пары соединен с вторым тензорезистором второй пары при помощи введенной дополнительной резистивной полосы, температурный коэффициент сопротивления материала которой превышает температурный коэффициент сопротивления материала тензорезисторов. 6. Датчик по пп.1 5, отличающийся тем, что первый тензорезистор второй пары соединен с вторым тензорезистором первой пары при помощи введенной дополнительной резистивной полосы, температурный коэффициент сопротивления материала которой превышает температурный коэффициент сопротивления материалы тензорезисторов. 7. Датчик по пп.1 6, отличающийся тем, что дополнительные резистивные полосы выполнены идентичными по форме и размерам и размещены симметрично относительно центра мембраны.