CN105403349A - 一种采用组合桥路的四余度压差传感器 - Google Patents

一种采用组合桥路的四余度压差传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用组合桥路的四余度压差传感器，在防护壳的壳体内对称设有一只信号转接板、一只信号调理板和四组组合桥路单元；每组组合桥路单元包括第一压力敏感芯体和第二压力敏感芯体，每只压力敏感芯体包括一只惠斯通电桥和配套调节电阻，所述的惠斯通电桥由四个具有压敏效应的薄膜电阻组成，当压力敏感芯体内腔受到压力作用时，薄膜电阻的阻值产生变化；惠斯通电桥的输出端与信号转接板相联，再通过信号调理板上的信号调理电路输出至电联接器。本发明提供一种测量精度高、正负向输出对称度高、频响特性优异、能够实现四路压差信号输出的采用桥路组合方式的高可靠性四余度压差传感器。

Description

一种采用组合桥路的四余度压差传感器
技术领域
本发明涉及一种可以实现对两个输入压力求差的采用组合桥路的四余度压差传感器，主要用于对压力差测量精度要求较高、正负向输出对称度好、对压力差信号进行多路冗余备份的伺服机构测压领域。
背景技术
压差传感器是用来实现对两个输入压力信号求减，并按一定的方式进行输出的传感器，广泛应用于伺服机构测压行业。现有的压差传感器实现压力信号求减的方式是先对两个输入压力信号分别进行放大，再将两个放大信号作为运算放大器的差分输入进行求减，进行一定的信号处理后得到所需的输出信号。虽然在对两路信号放大之前，也做了一些滤波处理，但由于在对两路放大信号进行求减时，放大器输入端输入的是两路信号，由此引入的噪声比一路输入信号最多大一倍，因而导致输出信号的精度降低；同时由于仪表放大器对于小信号的放大误差比较大，采用两路差分输入信号进行放大的话，进一步增大了小信号的输出误差，进而导致传感器的测试精度降低，同时引起正负向输出对称度低。
除此之外，现有的压差传感器均为单余度,即只有一路压差信号输出。只要有一只压力敏感芯体或与其对应的电路出现故障，待测压力差将无法准确得到，直接影响伺服机构对压力差信号的响应。虽然可以在待测压力源处安装多个单余度压差传感器，来提高压力差信号输出的可靠性，进而保证伺服机构的正常工作，但这会带来空间和成本的明显增加。对于空间和成本均需要控制的应用场合，通过安装多个单余度压差传感器来保证压力差信号输出可靠性的方式，并不可行。因此，体积增加有限、但能够实现多路冗余备份的多余度压差传感器，显得很有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的测量精度不高、正负向输出对称度低、只能实现单余度输出等缺陷，进而提供一种测量精度高、正负向输出对称度高、频响特性优异、能够实现四路压差信号输出的采用桥路组合方式的高可靠性四余度压差传感器。
为实现上述发明目的而采用的技术解决方案如下所述：
一种采用组合桥路的四余度压差传感器，包括装有电连接器的底座和焊接封装在底座上的防护壳，在防护壳的壳体内对称设有一只信号转接板、一只信号调理板和四组组合桥路单元；每组组合桥路单元包括第一压力敏感芯体和第二压力敏感芯体，每只压力敏感芯体包括一只惠斯通电桥和配套调节电阻，所述的惠斯通电桥由四个具有压敏效应的薄膜电阻组成，当压力敏感芯体内腔受到压力作用时，薄膜电阻的阻值产生变化；惠斯通电桥的输出端与信号转接板相联，再通过信号调理板上的信号调理电路输出至电联接器，所述的底座的底面上开有两个进油孔，流经进油孔的液压油流过压力敏感芯体的内腔。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，每组组合桥路单元中第一压力敏感芯体的正向输出端与第二压力敏感芯体的负向输出端短接，作为该组组合桥路单元的正向输出端；第一压力敏感芯体的负向输出端与第二压力敏感芯体的正向输出端短接，作为该组组合桥路单元的负向输出端；第一压力敏感芯体和第二压力敏感芯体的供电端串接各自的输出灵敏度调节电阻后短接，作为该组组合桥路单元的供电端；第一压力敏感芯体和第二压力敏感芯体的接地端直接短接，作为该组组合桥路单元的接地端。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，灵敏度调节电阻采用高精度、低温漂的电阻，并通过灵敏度调节电阻阻值的选取，确保每组组合桥路单元对应的两个芯体输出灵敏度相同。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，每组组合桥路单元的供电端与正向输出端、供电端与负向输出端之间各并接一组电阻，用于调节组合桥路输出的零点。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，惠斯通电桥的输出端通过直径0.2mm的铝硅丝焊接引出至信号转接板。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，信号调理板上设置有由AD584SH/883B和AD620SQ/883B组成的信号调理电路，每组组合桥路的正向输出端和负向输出端经信号调理电路接至电连接器。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，在底座上方安装有支撑座，用于支撑信号转接板。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，压力敏感芯体通过激光焊接方式焊接在压力接口座上，压力接口座通过激光焊接方式焊接在底座上。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，防护壳与底座通过激光焊接方式焊接在一起。
上述采用组合桥路的四余度压差传感器中，在底座上设有四个用于与液压机械装置连接的安装孔。
本发明实际工作中，液压油通过两个油孔分别进入四组组合桥路单元的八只压力敏感芯体内腔，于是八只压力敏感芯体表面上溅射的薄膜式惠斯通桥路将感应到的压力信号转换成电信号，并在信号转接板上采用桥路组合的方式对四组压力信号求差并输出，再经过信号调理板上的信号调理电路将之放大成所需要的信号并做滤波处理，最后通过电连接器输出，满足伺服机构测压领域高精度、正负向输出高对称度并能实现冗余备份的输出要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述四余度压差传感器采用组合桥路单元，选取高精度、低温漂的灵敏度调节电阻和零点调节电阻，通过对芯体输出灵敏度和组合桥路零点进行调整，保证输出零点小(≤30mV)、精度高(≤0.5％)、正负向输出对称性好；
2、本发明采用高精度、宽温区、高可靠性、低功耗的电子元器件，因此工作温度范围宽，输出温度特性好，热零点漂移小，功耗低(≤30mA)；
3、本发明在信号调理电路中增加了滤波设计，能够滤除掉高频噪声，同时，采用金属外壳封装，对外界电磁干扰进一步屏蔽，因此，传感器抗干扰能力强；
4、本发明压力敏感芯体通过压力接口座与底座以激光焊接的方式焊接在一起，焊缝承压达到50MPa，防护壳与底座通过激光焊接，从而将八只压力敏感芯体及电路板进行密封保证了传感器测量的可靠性；
5、本发明采用八只压力敏感芯体，以桥路组合的方式实现四组压力信号差输出，极大地提高了待测压力差信号输出可靠性。
6、本发明的结构设计合理，充分考虑的结构可靠性，因此抗振动、冲击能力强。
附图说明
图1是本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2是图1内部的压力敏感部分结构示意图。
图3是图2的A向旋转结构示意图。
图4是图3的B向结构示意图。
图5是芯体表面溅射的惠斯通电桥示意图。
图6是本发明组合桥路单元中第一压力敏感芯体和第二压力敏感芯体与信号转接板进行桥路组合的电路原理图。
上述图中的各数字标记分别是：1、2、3、4、5、6、7、8－压力敏感芯体，9－防护壳，10－信号调理板，11－支撑柱，12－信号转接板，13－压力接口座，14－垫块，15－底座，16－电连接器，17－芯体供电端，18、19、22、23－薄膜电阻，20－芯体正向输出端，21－芯体负向输出端，24－芯体接地端，28－第一芯体，29－第二芯体，30－组合桥路单元，V1+－第一芯体的供电端，V2+－第二芯体的供电端，V+－组合桥路的供电端，GND－组合桥路的接地端，S1+－第一芯体的正向输出端，S1-－第一芯体的负向输出端，S2+－第二芯体的正向输出端，S2-－第二芯体的负向输出端，S+－组合桥路的正向输出端，S-－组合桥路的负向输出端。
具体实施方式
参见附图1-3所示，本发明所述四余度压差传感器由底座15、防护壳9、压力敏感芯体1、2、3、4、5、6、7、8、信号调理板10、信号转接板12等部分组成。防护壳9密封焊接安装在底座15上，八只其上溅射有薄膜式惠斯通电桥的压力敏感芯体1、2、3、4、5、6、7、8按左右对称设置在防护壳9和底座15之间形成的壳体内，并两两分成一组，每组组合桥路单元包括第一压力敏感芯体1、3、5、7和第二压力敏感芯体2、4、6、8。在壳体内同时还设置有与压力敏感芯体1、2、3、4、5、6、7、8电连接的信号转接板12和信号调理板10。在底座15上设有与信号调理板10输出线连接的电连接器16。在底座15上方安装有支撑柱11，用于支撑信号转接板12。压力敏感芯体通过激光焊接方式焊接在压力接口座13上，压力接口座13通过激光焊接方式焊接在底座15上，防护壳9与底座15通过激光焊接方式焊接在一起。
如图4所示，在底座15的底面上开有两个分别通至八只压力敏感芯体内腔的进油孔26、27，流经进油孔的液压油流过压力敏感芯体的内腔，当压力敏感芯体内腔受到压力作用时，其表面产生一定的形变，四个薄膜电阻的阻值也会产生相应的变化，通过惠斯通电桥的作用，阻值的变化被转化成电信号输出，再通过后续电路的处理，最终实现对压力信号的测量。另外在底座15的底面上还设有四个用于与伺服机构液压机械连接的安装孔25，
如图5所示，在每只压力敏感芯体的表面采用离子束溅射方法，分别制作一组惠斯通电桥，惠斯通电桥由四个具有压敏效应的薄膜电阻18、19、22、23组成，按照惠斯通电桥并联的方式将八只压力敏感芯体表面的惠斯通电桥进行组桥，并通过直径仅有0.2mm的硅铝丝将惠斯通电桥的引出点焊接至信号转接板上。
压力敏感芯体1的正向输出端与压力敏感芯体2的负向输出端短接，作为第一组组合桥路的正向输出端；压力敏感芯体1的负向输出端与压力敏感芯体2的正向输出端短接，作为第一组组合桥路的负向输出端；压力敏感芯体1和2的供电端串接各自的输出灵敏度调节电阻后短接，作为第一组组合桥路的供电端；压力敏感芯体1和2的接地端直接短接，作为第一组组合桥路的接地端。
本发明的电路设计结构参见图6。每组组合桥路单元30中第一压力敏感芯体28的正向输出端与第二压力敏感芯体29的负向输出端短接，作为该组组合桥路单元30的正向输出端；第一压力敏感芯体28的负向输出端与第二压力敏感芯体29的正向输出端短接，作为该组组合桥路单元30的负向输出端；第一压力敏感芯体28和第二压力敏感芯体29的供电端串接各自的输出灵敏度调节电阻后短接，作为该组组合桥路单元30的供电端；第一压力敏感芯体28和第二压力敏感芯体29的接地端直接短接，作为该组组合桥路单元30的接地端。在信号调理板10上设置有由AD584SH/883B和AD620SQ/883B组成的信号调理电路，四组组合桥路的正向输出端和负向输出端经信号调理电路接至电连接器16。
灵敏度调节电阻采用高精度、低温漂的电阻，并且通过选取合适的灵敏度调节电阻确保每组组合桥路对应的两个芯体输出灵敏度相同，同时，在组合桥路的供电端与正向输出端、供电端与负向输出端之间各并接一组电阻，用于调节组合桥路输出的零点，确保组合桥路的输出零点非常接近于零，通过后续电路的处理，传感器的最终输出零点会被限制在±30mV以内，因此传感器具有很小的零点及良好的正负对称性。
【应用实例】
采用本发明所述四余度压差传感器测量伺服系统两个压力接口压力差的方法按以下步骤实现：
第一步，在传感器两个压力进油孔处的凹槽放置密封垫圈，将传感器安装到伺服系统上的待测压力源(发动机的前顶盖)上，通过安装孔25紧固安装螺钉；
第二步，通过传感器的电连接器将传感器连接至传感器数据采集系统上，打开供电系统，对传感器进行满量程压力加载，维持半分钟后，释放压力，然后照此继续加压、泄压，总共三次；
第三步，对传感器的输出进行采集，采集到的数据即为传感器的零点；
第四步，对伺服系统的两个压力源分别施加某个压力值，即使液压油通过左、右两个进油孔26、27进入压力敏感芯体1、2、3、4、5、6、7、8内腔，待压力稳定后，传感器两个压力接口对应的八只压力敏感芯体1、2、3、4、5、6、7、8均会受到一定的压力而产生形变，压力敏感芯体1、2、3、4、5、6、7、8上的薄膜式惠斯通电桥感应到压力信号后，其各自桥臂上的电阻也会发生相应地变化，通过桥路组合，将八个桥路电阻的变化转化为四个电信号并输出；再通过信号调理电路板的调理放大，将该电信号送至传感器的输出端，从而被数据采集系统采集到；由于传感器输出电压与两个压力信号差有对应关系(VO＝k(P1-P2)，VO为传感器的输出电压，P1为压力敏感芯体1、3、5、7所受到的压力，P2为压力敏感芯体2、4、6、8所受到的压力，k为比例系数)，则后续信号处理系统就可以在采集传感器输出电压后根据这个对应关系换算出两个压力源的压力差，从而实现对压力差信号的测量，最终提供一种测量精度高、正负向输出对称度高、频响特性优异、能够实现四路压差信号输出的采用桥路组合方式的高可靠性四余度压差传感器。

Claims (10)

1.一种采用组合桥路的四余度压差传感器，包括装有电连接器的底座和焊接封装在底座上的防护壳，其特征在于：在防护壳的壳体内对称设有一只信号转接板、一只信号调理板和四组组合桥路单元；每组组合桥路单元包括第一压力敏感芯体和第二压力敏感芯体，每只压力敏感芯体包括一只惠斯通电桥和配套调节电阻，所述的惠斯通电桥由四个具有压敏效应的薄膜电阻组成，当压力敏感芯体内腔受到压力作用时，薄膜电阻的阻值产生变化；惠斯通电桥的输出端与信号转接板相联，再通过信号调理板上的信号调理电路输出至电联接器，所述的底座的底面上开有两个进油孔，流经进油孔的液压油流过压力敏感芯体的内腔。
2.根据权利要求1所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：每组组合桥路单元中第一压力敏感芯体的正向输出端与第二压力敏感芯体的负向输出端短接，作为该组组合桥路单元的正向输出端；第一压力敏感芯体的负向输出端与第二压力敏感芯体的正向输出端短接，作为该组组合桥路单元的负向输出端；第一压力敏感芯体和第二压力敏感芯体的供电端串接各自的输出灵敏度调节电阻后短接，作为该组组合桥路单元的供电端；第一压力敏感芯体和第二压力敏感芯体的接地端直接短接，作为该组组合桥路单元的接地端。
3.根据权利要求2所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：所述的灵敏度调节电阻采用高精度、低温漂的电阻，并通过灵敏度调节电阻阻值的选取，确保每组组合桥路单元对应的两个芯体输出灵敏度相同。
4.根据权利要求2所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：每组组合桥路单元的供电端与正向输出端、供电端与负向输出端之间各并接一组电阻，用于调节组合桥路输出的零点。
5.根据权利要求1所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：所述的惠斯通电桥的输出端通过直径0.2mm的铝硅丝焊接引出至信号转接板。
6.根据权利要求1所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：信号调理板上设置有由AD584SH/883B和AD620SQ/883B组成的信号调理电路，每组组合桥路的正向输出端和负向输出端经信号调理电路接至电连接器。
7.根据权利要求1所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：在底座上方安装有支撑柱，用于支撑信号转接板。
8.根据权利要求1所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：压力敏感芯体通过激光焊接方式焊接在压力接口座上，压力接口座通过激光焊接方式焊接在底座上。
9.根据权利要求1所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：防护壳与底座通过激光焊接方式焊接在一起。
10.根据权利要求1所述的采用组合桥路的四余度压差传感器，其特征在于：在底座上设有四个用于与液压机械装置连接的安装孔。
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