Датчик давления

(57) Изобретение модля измерения с идавлений в уловияхра, Цель достигаетрадиальных тензор тельство СССР1 9/04, 1988,НИЯжет быть использованоовышенной точностьювоздействия термоудая за счет размещениязисторов в зоне мембние относи в частности м для и бластях нау ерением да нестациона среды (терм зобретения в условиях ичение чу тся к измерительк датчикам, предспользования в ки и техники, свявления в условиях рной температуры оудара).является повыше- воздействия термовствительности и Датчикдавления со ругий элемент в виде кр ленной мембраны 2, вь целое с опорным основ расположены соединен му тензорезисторы, ра окружности 4 и по ради ружные тензорезистор тензорезисторы 5 выпо ненных низкоомными и номерно размещенн держит корпус 1, упуглой жесткозащемполненной за одно анием 3, на которой ные в мостовую схемещенные по дуге су мембраны 5, Окы 4 и радиальныенены в виде соедиеремычками 6 и равых по периферии ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР Изобрете ной технике, назначенн разли,ных о занных с изм воздействия измеряемой,Целью и ние точности удара, увел термостойкоНа фиг,1 гаемого дат жены фра масштабе,сти.изображен общий вид предлаика давления. На фиг,2 изобраенты датчика в увеличенном раны, где температура и ее изменение полностью идентичны температуре и ее изменению в зоне размещения окружных тензорезисторов и за счет идентичности и минимизации термических сопротивлений зон размещения радиальных и окружных тензорезисторов. При этом тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками кольцевых сегментов, Их параметры и местоположение выбраны по представленным соотношениям. 1 з.п, ф-лы, 2 ил. мембраны и поверхности опорного основания, прилегающей к границераздела мембраны и опорного основания идентичных кольцевых секторов 7, Граница 8 условно разделяет мембрану и опорное основание, Кольцевые сектора ограничены с наружной стороны дугами расположенной на поверхиеаа ности опорного основания окружности 9, равноудаленной от границы 8 раздела мем гф браны и опорного основания. С внутренней стороны кольцевые секторы ограничены ду- СЛ гами расположенной на мембране окружности 10, равноудаленной от границы 8 Я раздела мембраны и опорного основания. С К) боковых сторон кольцевые секторы ограничены радиусами мембраны, продолженными на опорное основание.Датчик давления работает следующим образом. При воздействии на мембранудавления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций,В связисторы выпол с тем, что окружные тензорези нены в виде кольцевых секторов, ограниченных с наружной стороны дугами расположенной на поверхности опорного основания окружности, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, с внутренней стороны дугами расположенной на мембране окружности, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, с боковой стор(Ьы радиусами мембраны, а также в связи с тем, что параметры секторов выбраны в соответствии с заявляемым соотношениями, кольцевой сектор окружного тензорезистора (см,фиг.2, выноска 1) подвергается воздействию сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине элемента тензорезистора, и воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины элементы тензорезистора, В результате воздействия таких деформаций сопротивление сектора окружного тензорезистора увеличивается. Вследствие аналогичных причин каждый сектор радиального тензорезистора (см,фиг.2 выноска И) подвергается воздействию сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины элемента тензорезистора и воздействию растягивающих тангенциальных напряжений, направленных перпендикулярно длине тензорезистора, В результате воздействия таких деформаций сопротивление сектора радиального тензорезистора уменьшится. В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных секторов, то, во-первых, изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих идентичных элементов, а во-вторых, изменения сопротивлений соответствующих секторов равны между собой,Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно включенных радиальных резисторов преобразуются мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара) вследствие нестационарной температуоы измеояемой среды (термоудара) вследствие различных термических сопротивлений сравнительно тонкой мембраны и массивного опорного основания на мембране возникает неравномерное поле температур. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В связи с тем, что секторы радиальных и окружных тензорезисторов имеют одинаковые размеры вдоль радиусов мембраны, так как с одной стороны они ограничены дугами окружности, расположенной на опорном основании и равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, а с другой стороны, дугами размещенной на мембране окружности, равноудаленной от границы раздела мембраны и опорного основания, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры, на планарной стороне мембраны среднеинтегральная температура окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый кон кретный момент времен и. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывают одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов. которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются, Экспериментально обнаружено, что деформации, возникающие на планарной стороне мембраны в области опорного основания, прилегающей к границе раздела мембраны и опорного основания, от воздействия измеряемого давления зависят от толщины мембраны. Чем толще мембрана, тем на большее расстояние от границы раздела мембраны и опорного основания проникают образующиеся деформации, И, соответственно, чем меньше толщина мембраны, тем на меньшее расстояние от границы раздела мембраны и опорного основания проникают образующие при воздействии измеряемого давления деформации. Т,е, для заданной определенной толщины мембраны деформации, возникающие в опорном основании., уменьшаются по мере удаления от границы раздела мембраны и опорного основания, Наиболее резко уменьшаются радиальные деформации при превышении расстояния от границы раздела мембраны и опорного основания, Наиболее резко уменьшаются радиальные деформации при превышении расстояния от границы раздела мембраны и опорного основания половины толщины мембраны.Вследствие того, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных элементов, а также в связи с одинаковым количеством резистивных элементов, мощность, выделяемая в каждом резистивном секторе от напряжения питания, будет одинакова и будет одинакова температура пе-регрева относительно "опорйого основания каждого резистивного элемента, Причем так как все резистйвные секторы располо жены таким образом, что половина секторарасположена на опорном основании, а дру Гая полбвЪнй распблбжена"непосредствен-но на мембране, то условия теплоотвода тепла от саморезогрева резистивных секторов тензорезйсторов будут, во-первых,полностью идентичны, а во-вторых, существеннооблегчены, Это связано с существейным уменьшением термического йротивлейЪИМежду отдельйыми секторамитензорезисторов и опорйым осйованием в связи с тем, что все секторы частично расположены йепосредственно на"опорномосновании,Аддитивная температурная погрешность датчика давлейия при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от +50 С до температуры жидкого азота не превышает 0,44 о,Таким образом, преимуществомдатчика давления является повышениеточности в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды за счет полной идентичности температуры и ее изменения при термоударе в зоне размещения радиальных и окружных тензорезисторов, Другим преимуществом конструкции является увеличение термостойкости за счет идентичности и минимизации термических сопротивлений зон размещения радиальных и окружных тензорезисторов,Преимуществом заявляемой конструкции является также повышение чувствительности за счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций, а также за счет суммирования воздействия радиальных и тангенциальных деформаций, За счет повышения чувствительности становится возможным при тех же самых конструктивных размерах изготавливать датчики давления на меньшие пределы измерения, Преимуществом конструкции является также возможность существенного улучшения габаритно-массовыххарактерйстйк"засчет"освобождения центральной части мембраны от тензорезисторов.Формула изобретения 5 1, Датчик давления, содержащий корпус, мембрану толщиной Н и радиусом г, с утолщенным периферийным основанием, закрепленные на планарной стороне мембраны и включенные в мостовую схему ок ружнйе и радиальные тензорезисторы,выполненные в виде идентичных тензоэлементов, соедийеййых последовательно "-между собой нйзкоомными перемычками,причем" каждый тейзоэлемент выйолнен в 15 виде кольцевого сектора, внешняя дуга которого расположейайаокружности радиусом г 1, а с внутренней стороны кольцевой сектор ограйичен вйутренней дугой радиусом г 2, который определен из условия 20 Г 20,8 го,атЛИЧаЮЩИйСЯ тЕМ,ЧтО,Сцелью повышения точности в условиях термоудара, увеличения термостойкости и чувствительности в нем внешняя дуга каждого кольцевого сектора расйоложена на утол щенном периферийном основании на расстоянии от радиуса мембран г равном расстоянию от него до внутренней дуги кольцевого сектора, а боковые стороны кольцевого сектора расположены под углом 30 О, определенным из условия Г 1 + Г 2 2 г 22 агСЯП+0,5 Н,г 1 где оней дуг между концао сектора,1,отл ичаДИУС Г 2 ОКРна внутреннтора на мемению ми внутре расстояние и кольцево атчик по и о в нем р располож ьцевого се ет соотношющиися жности, на я дуга кажране, удовтем, чт которои дого ко летворя Го70 ректор А,Воров Т.Лошкарев едак оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 1765729 1 оставитель О.Слюсаехред М,Моргентал аказ 3381 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, РауПодписноетениям и открытиям при ГКНТ С кая наб., 4/5