CN1034060A - 双侧压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量压差的双侧压力传感器，包括具有 上、下表面的膜片，两对应变仪分别安装在其上、下表 面上。两对应变仪基本在膜片相同径向位置上，最好 靠近膜片中心或外缘。传感器可连接成惠斯登电桥 以测量导致膜片轻微弯曲的压力。这种弯曲对两对 膜片施加压缩和拉伸压力，从而改变其上的电学特 性。此电学特性以非线性形式改变。但上、下两表面 上的两对应变仪的非线性符号相反、大小相等、因而 互相抵消而提供出精确的压力测量。

Description

本发明一般来说涉及压力传感器，具体地说，涉及既可测量高的绝对压力又可测量低的压差的双侧压力传感器。

已用种类繁多的传感器件组成了压差传感器，目前最常用的两种是电容传感器和安装在横梁上的应变仪传感器。电容传感器包括图1所示的三个膜片2、4和6。膜片2和6承受压力P₁和P₂，膜片4（中间的一个）不承受压力。这些膜片之间的体积8和10内填充介电液体。结果，构成了两个可变的电容器，它们能够与电子仪器结合起来形成一个可靠、精确的传感器。这种传感器的问题是很难使其精确度象另一些方法那样理想，而且静压力作用可能也是一个问题（见SAMA标准PMC31.1）。

图2所示的应变仪梁式传感器是另一种常用的压差传感技术。这种传感器包括横梁12，此梁与压力收集膜14联结在一起。该膜把由压力P₁-P₂所产生的力传递给横梁12。于是，该力被转换成由应变仪16测量的应变。最常见的是把这种应变传感器以惠斯顿电桥的形式放置在横梁上，以便电桥的一半承受压缩应变，而另一半测量拉伸应变。这类传感器的常见问题是制造可能非常困难而且成本高。

另一种传感器很少用在压差应用上，这是扁平膜传感器。这种传感器由一扁平圆片构成，该圆片沿直径外边缘被牢固地紧固着。传感器件是某种应变敏感元件，该元件能粘接在膜片上。这类传感器为人们所熟知，最常见的是用于检测测量仪器或在测量高压（通常每平方英吋1000磅）时检测绝对压力（参见Stedman的第3，341，794号，Vick的第3，456，226号以及Von    Vick的第3，505，634号美国专利）。

测量传感器或绝对压力传感器测量的压力范围比压差传感器测量的压力范围高得多。由于扁平膜片的物理特性，大的膜片应力增大，其原因是由于施加压力时材料是拉伸而不是弯曲的。这使传感器在位移相对于膜片的厚度增加时变得更加非线性。当位移-厚度比“K”（称为“K”因子）达到约0.1时，传感器在没有线性补偿的情况，下因性能过于非线性而无法使用了。这种方法只能用于高压的原因是，在测量低压时，必须使膜片上的应变保持在一定的水平，以产生一个足够的输出。要做到这点只有通过：①减少膜片的厚度或②增加膜片的半径。这两种方法均可能增加膜片的“K”因子。结果，，该传感器在用于低压范围时就显示出高的非线性。

扁平膜传感器最常见的安排示于图3。这是把四个应变敏感仪20放置于膜片22的一侧，以响应膜片中心的压缩、径向应变和膜片外缘的拉伸、切向应变。按惠斯顿电桥的形式将这些应变仪联接起来，以便使电桥的相邻臂感受到对传感器输出产生附加影响的符号相反的应变。这种设置产生的问题是放在外缘的应变仪承受的非线性和放在中心的应变仪所承受的不同。这些非线性符号相反，而且其大小随着由电桥产生的取决于“K”因子的非线性输出而改变。

近来，带有网板印刷和烧结的厚膜电阻器的陶瓷膜片作为压力传感器已引起了人们的兴趣（见Prudenziati的第4，311，980号美国专利）。这些陶瓷/厚膜传感器设计的方法与某种传感器非常相似，在这种传感器的前面按惠斯顿电桥的形式排列着电阻器。由于带有金属或硅的膜片，若将此传感器用于较低的压力范围，就必须增加“K”因子以达到足够的输出，这样该传感器就变成非线性的了。

厚膜电阻器的阻值随电阻器面积上的平均应变的影响而改变。和薄膜应变仪或粘接箔片的应变仪不同，厚膜应变仪对垂直应变敏感。这是在Z方向产生的应变，即垂直于膜片表面的应变。正是这个有意义的垂直应变灵敏度对厚膜传感器用于压差测量产生了一个附加的问题。如果象薄膜应变仪那样排列厚膜应变仪，即把两个应变仪放在中心，两个应变仪放在外缘附近，以便产生传感器的最大输出，那么，垂直应变就会变化，这取决于传感器的哪一侧被压。若待测的压力范围刚好集中在零点附近，那么，当压力加在传感器连接着应变仪的哪侧时，产生的输出将相当高。当压力穿过传感器到其另一侧时，输出将减小，所以非线性变得很高。（图4中表示出这一结果）。

使用惠斯顿电桥电路的优点之一是可消除所有相等的作用，所以不影响输出。然而，如果垂直应变灵敏度在各个应变仪之间不是一致的，那么作用就不相等，传感器就会变坏。为了解决这个问题，对于所有应变仪都在传感器一侧的传感器，制造者必须设法控制好垂直灵敏度。

本发明的目标是使用具有上、下表面的膜片的压力传感器。应变仪被设置在该圆片的上、下两表面上。应变仪可以是任何已知类型的，如薄膜应变仪、粘接箔片应变仪、半导体应变仪和厚膜应变仪。一个合适的电路（如惠斯顿电桥结构）连接到应变仪上。上表面和下表面上的应变仪基本上位于相同的径向位置，在圆片中心附近或靠近圆片外边缘都行。用这种方法，使两组应变仪处于大小相等符号相反的非线性状态，由此在电桥上非线性相互抵消。

因此，本发明的目的是提供一种带有一个暴露于压力之下的膜片的压力传感器。该膜片有一个中心区域和外边缘区域，並包括上、下表面。第一对应变仪安装在上表面上，第二对应变仪安装在下表面上。不管是在上表面还是在下表面，两对应变仪都基本在膜片径向相同的位置上。

附图构成了本说明书的一部分，其中所有相同的标注数字表示相同的或相应的部分。

图1是现有技术的包括三个膜片的电容传感器的示意图;

图2是现有技术的应变仪梁式传感器的示意图;

图3是现有技术的扁平膜传感器的顶面平面图，这种传感器上的应变仪连接成电桥形状並安放在膜的一个表面上;

图4是安在膜片上的厚膜应变仪的输入、输出关系的曲线图，说明这种应变仪的非线性响应;

图5是扁平膜片的半径（百分数）与以间距的百分比为单位的偏移之间关系的曲线图，说明切向和径向两种应变的非线性特征;

图6是扁平膜片的半径（百分数）与微应变间关系的曲线图，表示径向和切向两种应变以及膜片上、下两表面上的应变分布;

图7是一个单侧应变仪的百分数间距和偏移之间关系的曲线图，表明不管应变仪放在传感器的中心还是靠近传感器的外边缘时，扁平膜传感器的非线性;

图8a是本发明的压力传感器的一侧垂直视图，其中应变仪靠近膜片的中心区域，並安装在膜片的上、下两表面上;

图8b是图8a中膜片的上面平面图;

图8c是图8a中膜片的下面平面图;

图9是图8a～8c所示压力传感器的百分数间距和偏移之间的关系曲线图;

图10a是本发明压力传感器的一侧垂直视图，其中膜片的上、下两面均带有应变仪，且应变仪位于上、下两表面的外边缘区域;

图10b是图10a中压力传感器的上面平面图;

图10c是图10a中压力传感器的下面平面图;

图11是图10a～10c所示实施例的百分数间距和偏移间关系的曲线图。

参考图8a～图8c及图10a～10c，本发明的实施例构成的压力传感器具有一个带有上、下表面的膜片。在膜片的上、下表面上基本相同的径向位置上安置有成对应变仪。把两对应变仪连接成电桥形状，就能进行精确的压力测量，这是因为在膜片上、下表面之间应变仪的非线性响应大小相等、方向相反。

如果实际使用扁平膜传感器来测量中等或低的压差，必须解决的第一个问题是当“K”因子太大时产生的高的非线性物理特性。由于必须达到预定的输出，而传感器的机械尺寸只能在一定的限度内改变，所以，考虑到线性度和输出要求，就有必要提出另一个不取决于机械尺寸的解决方案。

为了找到这个问题的解决方案，第一步就是要准确确定裁淳哂谢菟苟俚缜诺缏返谋馄侥て衅飨允痉窍咝浴?

人们发现，径向和切向非线性与任何给定点上的应变有关。因此，得到的曲线图与该膜片的应变分布曲线非常相似（见图5和6）。

在图5中    极端的径向非线性（从50%至70%半径）是由该区域非常小的应变引起的计算误差产生的。由于这一性质，径向应变仪和切向应变仪表现出不同的非线性。当这些应变仪以惠斯登电桥的形式排列时，这些值是加在一起的。由于应变仪测出不同的非线性值，它们就合并成某个总值，这个值可能很大，这取决于“K”因子（见图7）。

本发明的目的是要提供一种基本不取决于“K”因子的传感器。为达到这一目的，必须使各应变仪上承受的非线性符号相反、大小相等。通过进一步的非线性分析，发现上、下两表面上的应变显示出大小很相似，而符号相反。这正好满足上面所述的两个条件。

这就提供了一种应变仪在扁平膜传感器上新的排列方法。如果把惠斯登电桥的一半放在膜片的中心，而另一半放在另一侧的相同径向方向上，则两个应变仪上承受压缩应力，而两个承受拉伸应力。这些应变仪的两个最佳位置是靠近膜片的中心或膜片的外边缘。因为在膜片的中心，平均应变比较大，因此传感器的输出也比较大。如果应变仪靠近直径的外边缘，就会使应变仪对噪声比较灵敏。这种扁平膜惠斯登电桥式传感器可以用各种不同的应变灵敏元件设计做到，也就是说，薄膜应变仪、粘接箔片应变仪、半导体应变仪和厚膜应变仪均可。

如图8a至8c所示，膜片10有上表面12和下表面16。上表面12装有第一对应变仪14，下表面16装有第二对应变仪18。可将应变仪14和18连接成惠斯登电桥的形式，以形成压差测量传感器。图9表示如何互相抵消上、下两侧应变仪的非线性响应，而产生一个基本线性的输出值。压力应变仪14和18靠近圆膜片10上、下表面的中心区域，放置在基本相同的径向位置上。

图10a至10c说明本发明的又一个实施例。圆片20的上表面22上安置着第一对应变仪24，它们位于圆片的外边缘。与此类似，第二对应变仪28安置在圆片20的下表面26上，其径向位置与上部的应变仪24相同。图11说明上、下侧应变仪的非线性特性相互抵消的情况。

形成该应变仪的厚膜电阻器的总阻值变化可由下式求出：

dR/R＝C_xE_x+C_yE_y+C_zE_z+E_x-E_y-E_z其中，C_x、C_y和C_z是纵向、横向及垂直于电阻器方向上的应变的电阻系数，E_x、E_y和E_z是纵向、横向及垂直于电阻器方向上的应变。由于垂直应变的电阻系数“C_z”较大，所以所有应变仪都放在一侧的扁平膜传感器就给出不同的输出，这取决于压力加在膜片的哪一侧，除非对垂直应变灵敏度进行控制。

在现有技术一节中提到的第二个问题是厚膜应变仪的垂直应变灵敏度。这种特性使得厚膜/陶瓷膜片传感器很难用于压差测量。但双侧惠斯登电桥的方式因为它的对称性而把这个问题减至最小。当被测的压力范围集中在零附近时，垂直应变灵敏度因电桥的一半始终直接承受着压力，而使垂直应变灵敏度不成为问题。因此，不再需要对垂直灵敏度进行严格控制。

本发明最重要的优点是采用本发明的结构方式，扁平膜传感器的线性度与偏移/厚度比（“K”因子）无关。对于压差设计者来说，这就意味着能够通过改变扁平膜的物理尺寸把应变提高到适当输出所需的适合的大小，而不会影响该传感器的线性度。其直接的效果是这种不太贵又便于制造的扁平膜传感器能被用于从抽吸（draft）范围到中间范围再到高压范围的整个压力范围。

这种方式的另一个优点是在测量压力范围过零点时，厚膜电阻器传感器对垂直应变的高灵敏度不会产生线性度的问题。这使得我们能用陶瓷/厚膜传感器来测量压差，这些应用将证明这种传感器比其它方式的便宜得多，且更安全。

上面已详细地描述说明了本发明的具体实施例，说明了本发明的原则的应用情况，应该理解可以用其它方式实施不偏离上述原则。

Claims (4)

1、一种压力传感器，包括：

一个具有暴露于待测压力下的上、下表面的膜片；

第一对安装在膜片上所述上表面选定径向位置上的应变仪，

第二对基本安装在所述下表面的上述选定径向位置的应变仪，当所述膜片暴露在压力下时，所述第一和第二对应变仪的非线性响应符号相反而大小基本相同。

2、根据权利要求1的压力传感器，其中，所述径向位置靠近所述膜片的中心。

3、根据权利要求1的压力传感器，其中，所述选定径向位置在所述膜片的外边缘附近。

4、根据权利要求1的压力传感器，其中，所述第一和第二对应变仪基本互相对准並在所述上、下表面的相同区域上。

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