Устройство для измерения давления и температуры

(5 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ КОМУ СВИДЕТЕЛЬС В М. 47 олитехниче и инстирожин, А.И,Панков тензопре-здат, 1983, трические ичин полуами, - М.: нтегральные Энергоатоми ьтер Л, Эле рических вел нзорезистор(54) УСТ ЛЕНИЯ (57) Из ной те одновр А ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Ваганов В,И, Иобразователи. - М.:Эрлер В. и Вализмерения неэлектпроводниковыми теМир, 1974,РОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВИ ТЕМПЕРАТУРЫ бретение относится к измерительнике и может использоваться дляеменного и независимого измерения давления и температуры с применением полупроводниковых тензорезисторов, На упругом элементе 1 установлены тенэорезисторы 2 и 3, причем если типы проводимости и соответственно знаки тензочувствительности одинаковы, то тенэорезисторы устанавливаются в местах с противоположными знаками деформации, а если типы проводимости различны, то тензореэисторы размещены в местах с одинаковыми знаками деформации. Параметры тензорезисторов 2 и 3 с учетом величин деформаций выбраны так, чтобы изменения их сопротивления Л Й 1 и ЛВ 2 под действием давления удовлетворяли условию Л)( + Л К 2 =О. При этом один измерительный прибор реагирует только на изменение деформации чувствительного элемента 1, т.е. на изменение давления,.а другой - только на изменение температуры, б ил.Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения давления и температуры. Цель изобретения - обеспечение одновременности измерения давления и температуры,На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг, 2 - принципиальная электрическая схема включения тензарезисторов в мостовую цепь и подключения их к измерительным приборам; на,фиг. 3-6 - варианты размещения тензорезисторов на упругом элементе.Устройство содержит упругий элемент 1, на котором размещены тензорезисторы 2 и 3, основание 4 с электрическими выводами 5, корпус 6, мембрану 7, гайку 8. Тензорезисторы 2 и 3 вместе с резисторами 9 и 10 соединены в мостовую схему(фиг. 2), в одну диагональ которой включен источник 11 питания, а в другую - измерительный и рибор 12. Между резисторами и тензорезисторами включены разделительные диоды 13 и 14, параллельно к тензорезисторам подключен второй измерительный прибор 15 для измерения температурыДля термокомпенсации выходного сигнала и одновременного измерения давления и температуры устанавливаются на упругий элемент 1 по два тензорезистора 2 из полупроводниковых монокристаллов. Каждый тензорезистор имеет по два омичных контакта с токовыводами 16-19. Крепление тензорезисторов 2 к упругому элементу 1 осуществляется клеем, цементами или другими видами связующих, При размещении тензорезисторов на одной стороне упругого элемента, где деформации одного знака, используются тензорезисторь 1 2 и 3 с проводимостями дырочной (р) и электронной (и). При размещении тензорезисторов по разные стороны упругого элемента, когда они испытывают деформации разных знаков (фиг, 3 и 4), используются тензорезисторы одного типа проводимости. При деформации упругого элемента деформируются и тензорезисторы, Суммарное сопротивление тензорезисторов остается постоянным и не зависит от деформации:Вр(1) + "Й п(2) = Б (1) Это происходит потому, что сопротивление тензорезисторов 3 увеличивается, а тензорезисторов 2 уменьшается,Ьйр(1) - Мп(2) = 0 (2) Тензорезисторы, изготовленные из полупроводника р-типа, имеют коэффициент тензочУвствительности Кр положительнь 1 й, при деформации растяжения его сопротивление возрастает. Тензорезисторы из полупроводника и-типа имеют Кп отрицательный, при деформации растяжения его сопротивление уменьшается.У тензорезисторов с одним типом про 5 водимости(фиг. 3 и 4) тензорезистор 3 испытывает, например, деформацию растяжения, а тензорезистор 2 сжимается. Сопротивление тензорезистора 3 (Р 1) будет приэтом увеличиваться, а тензорезистора 2 (й 2)10 будет уменьшаться. При последовательномсоединении тензорезисторов их суммарноесопротивление при выполнении условий (2)будет постоянно - выражение (1).Условие (2) будет выполняться при соот 15 ветствующем подборе параметров тензорезисторов, Изменение сопротивления тензорезисторов при деформации таковы;Мр(1) = "р(1) Кр(1) 1(3)Ь Вп(2) = Вп(2) Кп(2) Й . (4)20 Учитывая, чтор(1) = Рр(1) ) р(1)/5 р(1): (5)Вп(2) = Рп(2) (п(2)/Яп(2) (6)условие (2) можно представить в видеРр(1) (р(1) Бр(1)Й 1/)р(1) - Рп(2) Яп(2)/ )п(2) =25 =О, (7)ГДЕ Рр(1), Р (г), р(1), )п(2), 5 р(1), 5 п(2), Кр(1), Кп(2),я 1, е 2 - удельные сопротивления, длины, площади поперечного сечения, коэффициентытензочувствительности и деформации тен 30 зорезисторов 3 и 2 соответственно,Преобразуя выражение (7), получаюти (2) Е 1, /р (1) Кр (1) -и (2) (8)р (1) "2,0 п (2)/Кп (2) -р (1)Отношение деформации тензорезисторов впроцессе работы остается постоянным прилюбых их величинах;К = (Е 1 /1 Е 21. (9)Соотношение (8) с учетом (9) примет вид(р (1) рп (2)/Кп (2)/ Яр (1)Подбор параметров согласно (10) позволяетвыполнить условия (1) и (2). Сопротивлениетензорезисторов при последовательном со 45 единении не будет зависеть от деформации,а будет зависеть только от температуры.Тензорезисторами, соединенными последовательно, измеряется температура, ониже, вкл 1 оченные одновременно в мостовуюсхему, позволяют по разбалансу моста измерять давление (перемещение) (фиг. 2).Тензорезисторы 3 и 2 с сопротивлениями 9 и 10 образуют мостовую схему, котораяпитается от источника 11, разбаланс моста,пропорциональный давлению (перемещению), регистрируется измерителем 12, Диоды 13 и 14 разделяют цепи питания моста иизмерителя 15 сопротивления суммарногосопротивления тензорезисторов 3 и 2, которое пропорционально температуре, Одно 1615577временно происходит измерение давления (перемещения) и температуры,Отношение сопротивлений тенэорезисторов в рабочем диапазоне температур должно оставаться постоянным при отсутствии деформации:Вр(1)/ВЛР) = сопзт. (11) Тогда мост будет. сбалансирован при любой температуре, а его разбаланс будет пропорционален давлению (перемещению), Отношение (11) выполняется при условии одинаковых температурных коэффициентов сопротивлений (ТКС) тензореэисторов - и. Сопротивление тензорезисторов зависит от температуры согласноВр(1) = Вр 1) (1+ ат); (12) Вп(2) = Вп ) 2 )о(1 + г 2 т ) (13) С учетом (12) и (13) соотношение (11) примет видВР)1)о(1 +) %(1) Р( )о ( 4)к2Г2 1ии (2 о где Вр 1)о, Вп )2) - сопротивление тенэорезисторов при С, температура тенэорезисторов .При условии равенства ТКС тензореэисторов и подбора их параметров согласно(10) датчик давления (перемещения) термокомпенсирован при различных по величине деформациях тенэорезисторов и одновременно измеряется температура,Формула изобретения Устройство для измерения давления и температуры, содержащее упругий чувствительный элемент, на котором размещены первый и второй тенэорезисторы, первый измерительный прибор, источник питания, первый и второй резисторы, причем первые выводы первого и второго тензорезисторов подключены параллельно к первому входупервого измерительного прибора, к второмувходу которого подключены первые выводыпервого и второго резисторов, вторые выво 5 ды которых подключены к клеммам источника питания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью обеспечения одновременного измерения давления и температуры, в него дополнительно введены второй измеритель 10 ный прибор и первый и второй диоды, приэтом первый вывод первого диода подключен к второму выводу первого резистора,второй его вывод подключен параллельно свторым выводом первого тензореэистора к15 первому входу второго измерительного прибора, а второй вывод второго диода подключен к второму выводу второго резистора,первый его вывод подключен параллельно свторым выводом второго тензорезистора к20 второму входу второго измерительного прибора, причем параметры тензорезистороввыбраны из условияС 1 РР 1 Р 1 Р 15 п 2Рп 2) п 2 Кп 2 Я р 125где Е 1, и - относительные деформации первого и второго тензорезисторов;РР 1 ИРп 2- УДЕЛЬНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯпервого и второго тензорези 30 сто ров;) Р 1 И ) п 2 ДЛИНЫ ПЕРВОГО И ВТОРОГОтензорезисторов;5 р 1 и Я и 2 - площади поперечных сечений первого и второго тензо 35резисторов;К р 1 и К и 2 - коэффициенты тензочувствительности первого и второго тензорезисторов,161557718Фиг.1г17 18Составитель А.Зосимоведактор Е.Папп Техред М.Моргентал Корректор Л,Пилипен аказ 3981 Тираж 469 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10