ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в широком диапазоне температур.

Известен датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент в виде жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием, на которой расположенные соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности и по радиусу мембраны, окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов, касающихся двумя наиболее удаленными от центра мембраны вершинами границы раздела мембраны и опорного основания [Патент RU 1615578 A1 «Датчик давления», опубл. 23.12.1990].

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения, 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 определенном узком температурном диапазоне.

Известен датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы тензорезисторы, соединенные в два измерительных моста и выполненные с одинаковой топологией, причем мосты выполнены из одного и того же материала и соединены встречно и скоммутированы таким образом, что имеют противоположное чередование тензорезисторов в части знака изменения их сопротивлений при воздействии давления. [Патент RU 2377517 С1 «Датчик давления», опубл. 27.12.2009].

Недостатком данного технического решения является невысокая точность измерений в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиусом r_1, выполненную с жестким центром радиусом r₂ 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 и размещена по периферии мембраны и по периметру жесткого центра. 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 тензорезисторов, соединенных в окружном направлении второй мостовой схемы, причем 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, и 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. [Патент №2464538 С1 «Датчик давления», опубл. 20.10.2012]

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная недостаточно полной линеаризацией температурной характеристики выходного сигнала, вследствие разницы температур периферийного основания и жесткого центра, где расположена мостовая схема. Кроме того, вследствие разности диаметров утолщенного периферийного основания и жесткого центра трудно достичь полной идентичности тензоэлементов тензорезисторов первой и второй мостовых схем, что также приводит к недостаточной точности линеаризации температурной зависимостью выходного сигнала при подаче давления и термоударе.

Цель изобретения - повышение точности измерения давления за счет более полной линеаризации температурной зависимости начального выходного сигнала датчика при измерении давления во всем рабочем диапазоне температур.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, мембрану радиусом r₁, выполненную с 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, при этом тензорезисторы соединены в две мостовые схемы и выполнены из одного и того же материала в едином технологическом процессе с одинаковыми размерами сторон резистивных тензоэлементов радиальных и окружных тензорезисторов, причем мостовые схемы диагоналями питания подключены к общим контактным площадкам, а выходные диагонали соединены встречно, при этом, согласно изобретению, обе мостовые схемы расположены по периметру утолщенного периферийного основания напротив друг друга, имеют противоположное чередование тензорезисторов, обусловленное знаком изменения их сопротивления от воздействия давления, при этом тензорезисторы первой мостовой схемы, соединенные в радиальном направлении, расположены напротив тензорезисторов второй мостовой схемы, соединенных в окружном направлении, а тензорезисторы первой мостовой схемы, соединенные в окружном направлении, расположены напротив тензорезисторов второй мостовой схемы, соединенных в радиальном направлении, а все тензоэлементы тензорезисторов мостовых схем своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами расположены на границе раздела мембраны и периферийного основания.

Размещение обеих мостовых схем по периметру утолщенного периферийного основания и расположение на одинаковом расстоянии от центра мембраны окружных и радиальных тензорезисторов с идентичными размерами сторон тензоэлементов при термоударе обеспечивают одинаковые температурные условия и сохраняют идентичность изменений размеров тензоэлементов, приводящих к одинаковым изменениям сопротивлений тензорезисторов, и, как следствие, к одинаковым изменениям выходных сигналов, т.е. изменения начальных выходных сигналов будут скомпенсированы.

Вместе с тем, противоположное чередование знака изменения сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов первой и второй мостовых схем, обусловленное расположением их напротив друг друга при встречном включении выходных диагоналей, при воздействии давления позволяет корректировать начальный выходной сигнал каждой мостовой схемы, и в то же время, не уменьшать выходной сигнал мостовых схем, что позволяет более точно проводить линеаризацию температурной зависимости начального выходного сигнала датчика во всем рабочем диапазоне температур.

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.

Датчик включает мембрану (1) радиусом r₁, периферийное основание (2), контактные площадки (3, 4, 5), R1-R4 - тензорезисторы первой мостовой схемы, R5-R8 - тензорезисторы второй мостовой схемы.

Тензорезисторы R1, R3 первой мостовой схемы соединены в радиальном направлении и расположены напротив соединенных в окружном направлении тензорезисторов R5, R7 второй мостовой схемы, а тензорезисторы R2, R4 первой мостовой схемы соединены в окружном направлении и расположены напротив соединенных в радиальном 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 (3) первой мостовой схемы и (5) 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).

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.

Так как мостовые схемы отличаются друг от друга последовательностью чередования тензорезисторов в части изменения знака сопротивления от воздействия давления, 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.

При воздействии измеряемого давления на воспринимающую мембрану (1), последняя прогибается. Тензорезисторы (R1-R8) испытывают деформацию. Вследствие этого, на выходах 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, 8) выходной сигнал имеет величину, равную величине выходного сигнала одной мостовой схемы.

При работе датчика в заданном температурном диапазоне (или при термоударе) начальные выходные сигналы мостовых схем изменяются.

Так как мостовые схемы расположены на утолщенном периферийном основании, на одинаковом расстоянии от центра мембраны, то температура, воспринимаемая обеими мостовыми схемами, имеет максимально близкое значение.

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 температурного ухода 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).

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 своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и периферийного основания, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарной стороне мембраны (1), температура резистивных тензоэлементов окружных (R2, R4, R5, R7) и радиальных (R1, R3, R6, R8) тензорезисторов мостовых схем, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый конкретный момент времени.

Одинаковая температура окружных и радиальных тензорезисторов обеих мостовых схем, прилегающих к периферийному основанию (2), вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения в мостовые схемы взаимно компенсируются.

Следовательно, температурные уходы начальных выходных сигналов обеих мостовых схем при воздействии нестационарной температуры будут скомпенсированы.

Таким образом, данное техническое решение повышает точность измерения давления, за счет более полной линеаризации температурной зависимости начального выходного сигнала датчика во всем рабочем диапазоне температур и при воздействии термоудара.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в широком диапазоне температур. Устройство содержит корпус, мембрану (1) радиусом r₁ с утолщенным периферийным основанием (2), выполненным за одно целое с корпусом. На мембране сформированы тензорезисторы (R1 - R8), выполненные в виде соединенных низкоомными перемычками в окружном и радиальном направлении идентичных резистивных тензоэлементов. Тензорезисторы (R1 - R8) соединены в две мостовые схемы и расположены по периметру утолщенного периферийного основания (2) напротив друг друга. При этом мостовые схемы имеют противоположное чередование тензорезисторов, обусловленное знаком изменения их сопротивления от воздействия давления. При этом тензорезисторы первой мостовой схемы (R1, R3), соединенные в радиальном направлении, расположены напротив тензорезисторов второй мостовой схемы, соединенных в окружном направлении (R5, R7), а тензорезисторы первой мостовой схемы (R2, R4), соединенные в окружном направлении, расположены напротив тензорезисторв (R6, R8) второй мостовой схемы, соединенных в радиальном направлении. Мостовые схемы диагоналями питания подключены к общим контактным площадкам (4). Контактные площадки (3) первой мостовой схемы и (5) второй мостовой схемы служат для подключения к регистрирующей аппаратуре. Выходные диагонали соединены встречно, при этом размеры сторон резистивных тензоэлементов радиальных и окружных тензорезисторов одинаковы, и тензоэлементы мостовых схем своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами (1) расположены на границе раздела мембраны (1) и периферийного основания (2), причем тензорезисторы (R1- R8) выполнены из одного и того же материала в едином технологическом процессе и воспринимают одинаковые температурные потоки. Технический результат заключается в повышении точности измерения давления во всем рабочем диапазоне температур и при воздействии термоудара. 3 ил.

Датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиусом r₁, выполненную с 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, при этом тензорезисторы соединены в две мостовые схемы и выполнены из одного и того же материала в едином технологическом процессе с одинаковыми размерами сторон резистивных тензоэлементов радиальных и окружных тензорезисторов, причем мостовые схемы диагоналями питания подключены к общим контактным площадкам, а выходные диагонали соединены встречно, отличающийся тем, что обе мостовые схемы расположены по периметру утолщенного периферийного основания напротив друг друга, и имеют противоположное чередование тензорезисторов, обусловленное знаком изменения их сопротивлений от воздействия давления, при этом тензорезисторы первой мостовой схемы, соединенные в радиальном направлении, расположены напротив тензорезисторов второй мостовой схемы, соединенных в окружном направлении, а тензорезисторы первой мостовой схемы, соединенные в окружном направлении, расположены напротив тензорезисторов второй мостовой схемы, соединенных в радиальном направлении, а все тензоэлементы тензорезисторов мостовых схем своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами расположены на границе раздела мембраны и периферийного основания.