Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано в датчиках для измерения статического и динамического давления жидких и газообразных сред при нестационарном температурном режиме работы (при термоударе).

Цель изобретения - повышение точности измерения в условиях действия быстропеременных температур и увеличения чувствительности.

На фиг. 1 схематично изображен тензорезистивный датчик давления и схема расположения , тензорезисторов на поверхности мембраны датчика давления; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 тензоэлементы тензорезисторов.

Датчик давления включает деформируемую часть мембраны 1, выполненную за одно целое с утолщенным периферийным участком 2 и жестким центром 3. На поверхности мембраны размещен измерительный мост из тензорезист.оров 4-7, соединенных в окружном направлении, и из тензорезисторов 8-11, соединенных в радиальном направлении. Контактные площадки 12-15 служат для подключения измерительного моста к источнику питания и регистрирующей аппаратуре, а контактные площадки 16 - для соединения тензорезисторов, соединенных в радиальном направлении с тензорезисторами, соединенными в окружном направлении.

Датчик работает следующим образом.

При подаче измеряемого давления Р на мембрану (фиг. 2) деформируемый участок мембраны 1 прогибается, тензорезисторы 4-7, прилегающие к утолщенному периферийному участку 3, испытывают деформацию сжатия, а тензорезисторы 8-11, прилегающие к жесткомуцентру 2, испытывают деформацию растяжения. В силу того, что тензорезисторы 4-7 соединены в окружном направлении, а тензорезисторы 8-11 соединены в радиальном направлении, то в мостовой схеме тензорезисторы, расположенные между контактными площадками 12 и 13, а также 14 и 15 (принадлежащие к двум противоположным плечам моста), увеличивают сопротивление от давления Р; тензорезисторы, расположенные между контактными площадками 13 и 14, а также 15 и 12 (принадлежающие к двум другим противоположным плечам моста), уменьшают сопротивление от давления. Вследствие этого при подключении к входной диагонали моста к контактам 13 и 15 напряжения питания, а к выходной диагонали к контактам 12 и 14 - регистратора изменения напряжения, на регистраторе появляется изменение сигнала, пропорциональное изменению давления Р. Идентичность номиналов сопротивлений плеч измерительного моста обеспечивается выполнением тензорезисторов в форме секторов колец одинаковой ширины и заданным соотношением углов между радиусами, образующими тензорезисторы.

При действии термоудара на мембрану изменяются сопротивления тензорезисторов, а следовательно, изменяется величина сопротивлений плеч моста, Величина изменений сопротивлений от температуры пропорциональна изменению температуры в любой момент времени. В силу различного характера тепловых возмущений на мембране температура на тензорезисторах, прилегающих к жесткому центру, например Т, может быть отличной от температуры на тензорезисторах, прилегающих к утолщенному периферийному участку. Следовательно, результирующие изменения сопротивлений тензорезисторов плеч моста, расположенных между контактами 12 и 13, 13 и 14, 14 и 15, 15 и 12, пропорциональны разнице температур и ИМРЮТ практически одинаковую величину. В силу характерных свойств мостовых схем, одинаковые приращения величин сопротивлений каждого плеча моста от перепада температур не приводят к ложному изменению выходного сигнала. Полная компенсация в мостовой схеме достигается также в результате того, что в каждом плече радиальные и окружные тензорезисторы соединены идентичными контактами в форме секторов колец, расположенных на одинаковых расстояниях от окружности жесткого центра и внутренней окружности утолщенного периферийного участка, т.е. их среднеинтегральная температура имеет равную величину, а следовательно, и температурные изменения величины сопротивлений от каждого из проводящих контактов в каждом плече моста одинаковы. Таким образом, на выходе измерительной мостовой схемы происходит изменение сигнала, пропорциональное изменениюдавления и, практически, полностью компенсируется при перепадах температуры измер:яемой среды с любым градиентом, т.е. не зависит от разницы температур на жестком центре и периферийном утолщенном участке.

Технико-экономическим преимуществом конструкции является уменьшение на порядок температурной погрешности в диапазоне температур от -200 до +200°С при скоростях изменения температуры, дости ающих (100-150)°С/с и, как следствие, достижение высокой точности измерения при воздействии быстропеременных температур, близкой к точности измерения в стационарных температурных условиях, а также приближение к максимально возможной чувствительности от измеряемого параметра.

Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я

1. Датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиуса ri, выполненную с жестким центром радиуса Г2 и утолщенным периферийным основанием, выполненным за одно целое с корпусом, закрепленные и равномерно расположенные на планарной стороне мембраны четыре, низкоомные радиальные контактные площадки и четыре основных тензорезистора, при этом два основных тензорезистора расположены симметрично друг другу относительно центра мембраны по периметру жесткого центра мембраны, а два других - на периферии мембраны, причем каждый основной тензорезистор выполнен в виде отрезка кольца шириной L, а начало каждого основного тензорезистора, расположенного на периферии мембраны, и концы каждого основного тензорезистора, расположенного по периметру жесткого центра, соединены в окружном направлении с соответствующей радиальной контактной площадкой, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях быстропеременных температур и увеличения чувствительности, в него введены четыре низкоомные перемычки и четыре дополнительных тензорезистора, при этом последние идентичны по форме соответствующим основным тензорезисторам, причем два из них расположены по периметру жесткого центра концентрично основным тензорезисторам, расположенным на периферии мембраны, а два других дополнительных тензорезистора расположены на периферии мембраны концентричноосновнымтензорезисторам, расположенным по периметру жесткого центра, при этом каждый дополнительный тензорезистор, расположенный по периметру жесткого центра, соединен низкоомной перемычкой в радиальном направлении с концом соответствующего основного тензорезистора, расположенного на периферии мембраны, а каждый дополнительный тензорезистор, расположенный на периферии мембраны, соединен низкоомной перемычкой в радиальном направлении с началом соответствующего основного тензорезистора.

расположенного по периметру жесткого центра, причем каждый основной и дополнительный тензорезистор выполнен в виде множества идентичных тензоэлементов, которые в основном тензорезисторе соединены между соВой последовательно по своим боковым радиальным сторонам дополнительными низкоомными перемычками, введенными в датчик, а в дополнительном

тeнзopeзиcYope тензоэлементы соединены дополнительными перемычками последовательно по внутренним и наружным кольцевым сторонам тензоэлементов.

2. Датчик по п. 1,отличающийся

тем, что в нем каждая низкоомная перемычка выполнена в виде отрезка кольца, расположенного на одинаковом расстоянии от основного и дополнительного тензорезисторов.

3. Датчик по п. 1,отличающийся тем, что в нем центральные углы между боковыми радиальными сторонами каждого тензоэлемента определены из соотношения

П - 0,5 L

где W-расстояние между концами внутренней стороны тензоэлемента дополнительногр тензорезистора, расположенного по периметру жесткого центра;

01 -угол между боковыми радиальными сторонами тензоэлемента дополнительного тензорезистора, расположенного по периметру жесткого центра;

б -угол между боковыми радиальными сторонами тензоэлемента основного тензорезистора, расположенного по периферии мембраны;

Оз-угол между боковыми радиальными

сторонами тензоэлемента дополнительного тензорезистора, расположенного по периферии мембраны;

Й1 - угол между боковыми радиальными сторонами тензоэлемента основного тензореэистора, расположенного по периметру жесткого центра.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано в датчиках для измере- ни;я с высокой точностью механических нагрузок в широком диапазоне быстропеременных температур (при те|эмо- ударе). Цель изобретения - повышение точности измерения в условиях быстропеременных температур и увеличения чувствительности. Это достигается за счет расположения на поверхности мембраны между утолщенным периферийным участком и жестким центром тензорезисторов 4, 7, 8, 11, 5, 6, 9, 10 в форме секторов колец, соединенных в мостовую схему, причем в каждом плече моста часть тензорезисторов расположена в области положительных деформаций от измеряемого параметра, другая часть - в области отрицательных деформаций . При этом часть тензорезисторов 5, 6, 9, 10 соединена в радиальном, а часть 4, 7, 8, 11 - в окружном направлениях. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.////•^•^fe