ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к приборостроению, а конкретно к разработке тензорезисторных датчиков давления.

Известен датчик давления с упругим элементом (УЭ) в виде полого цилиндра, на наружной поверхности которого расположен мост тензорезисторов (TP) [1]. При подаче в цилиндр давления два TP, расположенные перпендикулярно его оси, испытывают деформацию растяжения a TP, расположенные вдоль образующей цилиндра-деформацию Рабочий коэффициент передачи у такого датчика составляет 0,7 мВ/В, поэтому при питании 10 В выходной сигнал составит 7 мВ, что в три раза меньше чем у датчика, в котором два TP испытывают деформацию а два других

Более близким по техническому решению является датчик, описанный в [2].

В этом датчике УЭ помимо давления дополнительно нагружен сжимающей силой. В этом случае рабочий коэффициент передачи в два раза выше и составляет 1,3 мВ/В, поэтому при питании 10 В выходной сигнал уже 13 мВ.

Датчик имеет следующие недостатки: он конструктивно сложен в изготовлении, так как требуется изготовление 4-х элементов, 2 из которых достаточно сложны. Мостовая схема выполнена из 4-х дискретных тензорезисторов и при ее формировании требуется выполнить 20 паек (8 - от TP к переходным клеммам, 8 - от клемм к узлам схемы, 4 - для замыкания узлов схемы). Эти пайки расположены внутри контура моста и, если хоть одна из них будет нестабильной (ненадежной), то выходной сигнал датчика будет ненадежным. Поэтому внутри контура моста к пайкам предъявляются особо высокие требования по стабильности. Все элементы датчика: основание, трубчатый УЭ, упорная гайка, защитный кожух в целях экономии обычно изготавливают из разных сплавов, что обуславливает дополнительные температурные погрешности «нуля» и выходного сигнала. Цель изобретения - упрощение конструкции датчика за счет уменьшения числа основных элементов в конструкции; повышение надежности путем устранения паек из контура моста, повышение точности измерений за счет снижения температурных погрешностей и снижение себестоимости за счет упрощения конструкции.

Поставленные цели достигаются тем, что предлагаемая конструкция датчика состоит не из 4-х, а из 2-х основных элементов: УЭ и защитного кожуха, снабженного монолитно с ним изготовленной гайкой. При наворачивании кожуха на УЭ он внутренним торцем давит на УЭ, вызывая его сжатие. При подаче измеряемого давления происходит дополнительное сжатие УЭ. Совместное действие этих факторов приводит к увеличению выходного сигнала. Цели достигаются также тем, что продольные и поперечные TP и четыре контактные площадки выполнены на изолирующей подложке из одного листа фольги в виде топологически замкнутой электрической цепи с 4-я контактными площадками, расположенными вне контура моста, что позволяет снизить количество паек внутри моста с 20 до «0» и этим существенно повысить надежность датчика. Наконец, изготовление УЭ и защитного кожуха из одного сплава позволяет снизить температурный дрейф «нуля» в 3 раза и температурные изменения чувствительности в 1,5 раза. Это обусловлено тем, что ТКЛР и ТКЕ у этих деталей одинаковые и при изменениях температуры их размеры и модули упругости изменяются синхронно на одну и ту же величину.

Описание и техническая сущность изобретения сводятся к следующему: при навинчивании кожуха на УЭ, он через фибровую прокладку упирается в УЭ и сдавливает его. При подаче измеряемого давления в полость цилиндра происходит дополнительное сжатие УЭ, при этом он и закрепленные на нем TP деформируются. В результате на выходе датчика формируется сигнал пропорциональный давлению. Предлагаемый датчик более простой по конструкции, более надежный в эксплуатации и его температурные погрешности меньше, чем у прототипа.

На Фиг. 1а показан внешний вид датчика и его продольный разрез. Датчик состоит из УЭ, моста TP, защитного кожуха и оканчивается разъемом.

На Фиг. 1б - расположение моста TP и переходной колодки на цилиндре.

На Фиг. 2 - мост TP из 4-х TP и 4-х контактных площадок на общей подложке.

На Фиг. 3-электрическая схема датчика, R1, R2, R3, R4 - сопротивления TP, (ч - ж)-клеммы питания моста, (к - с)-клеммы измерения.

Обозначения, принятые на фигурах:

1- цилиндрический УЭ; 2- мост TP; 3-защитный кожух; 4-гайка, монолитно связанная с кожухом; 5-внутренний торец кожуха; 6-полость в цилиндре, для давления; 7-продольные ТР; 8-поперечные ТР; 9-контактные площадки; 10-изолирующая подложка; 11-колодка для припайки выводов; 12-прокладка из фибры, 13-эластичное уплотнение; -длина подложки; В-ее ширина; D-наружный диаметр цилиндра; р-давление.

Работа датчика сводится к следующему: в исходном положении УЭ находится в сжатом состоянии, при подаче давления УЭ дополнительно нагружается силой сжатия, при этом стенки цилиндра и мост TP деформируется, и при подаче на мост напряжения питания на его выходной диагонали формируется электрический сигнал пропорциональный давлению.

Преимущества предлагаемого датчика заключаются в следующем: упрощается его конструкция, повышается надежность, снижаются температурные погрешности и снижается его стоимость.

Источники информации, принятые автором при экспертизе:

1. Авт. свид. СССР № 398846, М. Кл. G 01 L 9/04, 1972.

2. Авт. свид. СССР № 539236, М. Кл. G 01 L 9/04, 1976, БИ № 46.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания датчиков давления. Датчик содержит упругий элемент в форме цилиндра, мост тензорезисторов и защитный кожух, который сдавливает упругий элемент. Упругий элемент и защитный кожух изготовлены из одного сплава. Мост тензорезисторов на изолирующей подложке выполнен в виде монолитной цепочки, в которой продольные и поперечные тензорезисторы чередуются между собой, и закреплен на цилиндре перпендикулярно его продольной оси. При подаче давления стенки цилиндра и мост тензорезисторов деформируются, и при подаче напряжения питания на выходной диагонали моста формируется сигнал, пропорциональный давлению. Технический результат - упрощение конструкции датчика, повышение надежности, снижение температурных погрешностей «нуля» и чувствительности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Датчик давления, содержащий упругий элемент в виде полого цилиндра, мост тензорезисторов и защитный кожух, отличающийся тем, что защитный кожух снабжен монолитно с ним связанной гайкой, и при ее навинчивании на упругий элемент кожух внутренним торцем давит на него, вызывая сжатие упругого элемента, дополнительное сжатие упругого элемента происходит при подаче в полость цилиндра измеряемого давления; суммарное сжатие упругого элемента обуславливает повышение выходного сигнала.

2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что продольные и поперечные тензорезисторы и контактные площадки расположены на изоляционной подложке в виде цепочки, в которой тензорезисторы чередуются между собой, образуя замкнутую мостовую электрическую цепь, при этом подложка расположена на наружной поверхности цилиндра в центральной части перпендикулярно его продольной оси и ее длина равна длине наружной окружности цилиндра.

3. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что упругий элемент и защитный кожух изготовлены из одного сплава.