CN105628289B - 一种采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器 - Google Patents

一种采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，包括一个其上装有电连接器的顶盖、防护壳及压力接口座组件，在防护壳的壳体内设有一块信号调理板、一块信号放大板、一块信号转接板以及四只对称的压力敏感芯体；每只压力敏感芯体的表面采用离子束溅射方法制作有一组惠斯通电桥，所述的惠斯通电桥由四个具有压敏效应的薄膜电阻组成，并采用低温度系数的锰铜丝和特定温度系数的漆包线，对芯体的零点和温度特性进行调整；本发明相比于传统的单余度压力传感器，极大地提高了传感器测量的可靠性，且温度特性好、精度高。

Description

一种采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器
技术领域
本发明涉及一种采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，主要用于测量精度要求高、宽温区及需要多路冗余备份的高可靠性的压力测量领域。
背景技术
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，广泛应用于各种工业测压环境，涉及航空、航天、石化、电力、船舶等众多行业，因此，压力传感器技术成熟非常成熟，单价也很低。随着社会物价水平的不断上涨，人工成本也相应地水涨船高。相比于压力传感器的低廉成本，对出故障压力传感器的维修成本高得多。因此，压力传感器在使用过程中一旦出现故障，为了降低成本，有些单位采取的措施是直接整机更换。但是，对于某些特殊的应用环境，如高温、高湿、剧毒、辐射等，对出现故障的传感器进行整机更换，显得困难得多，压力传感器一旦安装完成，必须保证长时间、高可靠性地工作。虽然可以在待测压力源处安装多个单余度压力传感器，来提高压力信号测量的可靠性，进而保证系统的正常工作，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力传感器来保证压力信号测量可靠性的方式，并不可行。因此，体积和成本增加有限、但能够实现多路冗余备份的多余度压力传感器，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某些特殊应用场合压力测量可靠性相对较低、只能实现单余度输出等缺陷，进而提供一种测量精度高、宽温区、能够实现四路压力信号输出的采用溅射薄膜芯体的高可靠性的四余度压力传感器。
为实现上述发明目的而采用的技术解决方案如下所述：
一种采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，包括一个其上装有电连接器的顶盖、一个防护壳及一套压力接口座组件，其特征在于：在防护壳的壳体内设有一块信号调理板、一块信号放大板、一块信号转接板以及四只对称的压力敏感芯体；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，而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和电源端通过直径仅有0.2mm的硅铝丝与信号转接板相连，再依次通过信号放大板和信号调理板输出至电连接器。
上述采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器中，惠斯通桥路采用开桥方式，即芯体正向输出端B、芯体正向输出端B’不直接短接，而是在其后端分别串接特定的锰铜丝和漆包线，然后再短接；所述锰铜丝阻抗为2Ω/mm，温度系数＜15ppm，并根据芯体的实测零点与要求零点的偏差进行相应长度的截取；所述漆包线具有和芯体相反的温度特性，温度系数≈100ppm，用于减小温度变化对芯体输出造成的影响，并根据芯体的实测温度特性与要求温度特性的偏差进行相应长度的截取。其中补偿用的锰铜丝和漆包线均位于信号转接板上。
上述采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器中，在信号放大板上设有由AD8221ARM和若干电阻、电容组成的四组独立的信号放大电路。其中，AD8221ARM用来实现对压力敏感芯体的几mV输出信号放大至几十mV输出信号的功能，并将信号输出至信号调理电路。
上述采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器中，在信号调理板上设有由4片LT1461DHS8-5和4片MAX1452AAE+组成的4组独立的信号调理电路。其中，LT1461DHS8-5可以将系统提供的+15V电源转化为精准的5V，送至MAX1452AAE+供电端；MAX1452AAE+借助配套的软件对已经放大的四路信号进行二次放大，并利用软件所提供的特定算法对不同温度下所测的输出信号进行修正，以满足技术条件对传感器输出温度特性的要求。
上述采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器中，压力敏感芯体通过激光焊接方式焊接在压力接口座组件上，顶盖与防护壳、防护壳与压力接口座组件之间也均通过激光焊接方式焊接在一起。
上述采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器中，信号放大板和信号调理板上的电子元器件采用高精度、宽温区、高可靠性、功耗低的器件。
上述采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器中，顶盖和防护壳采用金属制成。
实际工作中，液压油通过压力接口座组件的进油孔进入四只压力敏感芯体内腔，四只压力敏感芯体表面溅射薄膜式惠斯通桥路将感受到的压力信号转换成电信号，再信号放大板和信号调理板的放大、调理，最后通过电连接器输出四路压力信号，实现对待测压力信号的测量的同时，极大地提高了输出信号地可靠性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用四只压力敏感芯体组合的方式来对待测压力信号进行测量，四只压力敏感芯体与对应的四路电路，只要有一路正常工作，待测点的压力信号就可以测得，而四组电路之间完全电气隔离，一路电路出现故障，不会影响到其它几路的正常工作，因此，相比于传统的单余度压力传感器，本发明极大地提高了传感器测量的可靠性。
2、本发明所述四余度压力传感器采用溅射薄膜式压力敏感芯体，增加了低温度系数的锰铜丝和特定温度系数的漆包线，用于对芯体的零点和温度特性进行调整，因此相比于常见的硅压阻式压力敏感芯体，温度特性好、精度高(≤0.3％)。
3、本发明采用高精度、宽温区、高可靠性、功耗低的电子元器件，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)，输出精度高(≤0.5％)。
4、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。
5、本发明压力敏感芯体与压力接口座通过激光焊接的方式焊接在一起，焊缝承压达到50MPa，保证了传感器的结构可靠性，因此抗振动、冲击能力强。
附图说明
图1是本发明四余度压力传感器的结构示意图。
图2是图1的A向结构示意图。
图3是图1内部的压力敏感部分硅铝丝连线示意图。
图4是芯体表面溅射的惠斯通电桥示意图。
图5是惠斯通电桥与锰铜丝、漆包线接线示意图。
图6是本发明工作原理流程图。
图1中的各数字标记分别是：1－电连接器，2－防护壳，3－信号调理板，4－信号放大板，5－信号转接板，6－压力接口座组件，7－顶盖，8、9、10、11－压力敏感芯体，12－芯体正向输出端B’，14－芯体正向输出端B，13、15、18、19－薄膜电阻，16－芯体供电端，17－芯体接地端，20－芯体负向输出端，21－锰铜丝，22－漆包线，23－硅铝丝。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明所述四余度压力传感器由电连接器1、防护壳2、信号调理板3、信号放大板4、信号转接板5、压力接口座组件6、顶盖7及压力敏感芯体8、9、10、11等部分组成。防护壳2通过焊接密封安装在压力接口座组件6上，四只压力敏感芯体8、9、10、11按左右对称设置在防护壳2压力接口座组件6之间形成的壳体内，在壳体内同时还设置有与压力敏感芯体8、9、10、11电连接的信号转接板3信号放大板4信号调理板5，在顶盖7上安装有与信号调理板5电连接的电连接器1，压力接口座组件6与待测量的压力源相联通。
应用中，待测量的液压油通过压力接口座组件的进油孔进入四只压力敏感芯体内腔，四只压力敏感芯体表面溅射薄膜式惠斯通桥路将感受到的压力信号转换成电信号，再信号放大板和信号调理板的放大、调理，最后通过电连接器输出四路压力信号，实现对待测压力信号的测量的同时，极大地提高了输出信号地可靠性。
如图3和图4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，而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和电源端通过直径仅有0.2mm的硅铝丝与信号转接板相连，再依次通过信号放大板和信号调理板输出至电连接器。
惠斯通桥路采用开桥方式，即芯体正向输出端B、芯体正向输出端B’不直接短接，而是在其后端分别串接特定的锰铜丝和漆包线，然后再短接；所述锰铜丝阻抗为2Ω/mm，温度系数＜15ppm，并根据芯体的实测零点与要求零点的偏差进行相应长度的截取；所述漆包线具有和芯体相反的温度特性，温度系数≈100ppm，用于减小温度变化对芯体输出造成的影响，并根据芯体的实测温度特性与要求温度特性的偏差进行相应长度的截取。其中补偿用的锰铜丝和漆包线均位于信号转接板上。
本发明的电路设计结构参见图5和图6，在信号放大板4上设有由4片AD8221ARM和若干电阻、电容组成的四路独立的信号放大电路。其中，4片AD8221ARM分别用来实现对压力敏感芯体8、9、10、11的几mV输出信号放大至几十mV输出信号的功能，并将信号输出至信号调理电路。在信号调理板3上设有由4片LT1461DHS8-5和4片MAX1452AAE+组成的4组独立的信号调理电路。其中，LT1461DHS8-5可以将系统提供的+15V电源转化为精准的5V，送至MAX1452AAE+供电端；MAX1452AAE+借助配套的软件对已经放大的四路信号进行二次放大，并利用软件所提供的特定算法对不同温度下所测的输出信号进行修正，以满足技术条件对传感器输出温度特性的要求。
【应用实例】
采用本发明四余度压力传感器测量待测点压力的方法按以下步骤实现：
第一步，将传感器通过螺纹接口安装到待测压力源处；
第二步，通过传感器的电连接器将传感器连接至数据采集系统上，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，向待测压力源处施加某个压力值，即使液压油通过压力接口座组件6的进油孔进入到压力敏感芯体8、9、10、11内腔，待压力稳定后，传感器的四只压力敏感芯体8、9、10、11表面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，通过惠斯通桥路将电阻的变化转化为电信号输出；再依次通过信号放大板4、信号调理板5的放大、调理，四路电信号被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压力信号有对应关系(VO＝kP+b，VO为传感器的输出电压，P为压力敏感芯体8、9、10、11所受到的压力，k为比例系数，b是常数)，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压力源的压力值。

Claims (8)

1.一种采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，包括一个其上装有电连接器(1)的顶盖(7)、防护壳(2)及压力接口座组件(6),其特征在于：在防护壳(2)的壳体内设有一块信号调理板(3)、一块信号放大板(4)、一块信号转接板(5)以及四只对称的压力敏感芯体；每只压力敏感芯体的表面采用离子束溅射方法制作有一组惠斯通电桥，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通过与信号转接板(5)相连，再依次通过信号放大板(4)和信号调理板(3)输出至电连接器(1)；所述的压力接口座组件(6)与待测量的压力源相联通；所述惠斯通电桥的一个输出端采用开桥方式，该输出端的两只薄膜电阻串接零偏补偿用锰铜丝和温度补偿用漆包线后，再短接为输出端。
2.根据权利要求1所述的采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，其特征在于：所述锰铜丝参数阻抗为2Ω/mm，温度系数＜15ppm，长度根据压力敏感芯体的实测零点与要求零点的偏差而定；所述漆包线具有和压力敏感芯体相反的温度特性，温度系数≈100ppm，长度根据压力敏感芯体的实测温度特性与要求温度特性的偏差而定。
3.根据权利要求1所述的采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，其特征在于：所述的惠斯通电桥的输出端和电源端通过直径0.2mm的硅铝丝焊接在信号转接板上。
4.根据权利要求1所述的采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，其特征在于：在信号放大板(4)上设有由4片AD8221ARM和若干电阻、电容组成的四路独立的信号放大电路。
5.根据权利要求1所述的采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，其特征在于：在信号调理板(3)上设有由4片LT1461DHS8-5和4片MAX1452AAE+组成的4组独立的信号调理电路；其中LT1461DHS8-5可以将系统提供的+15V电源转化为精准的5V，送至MAX1452AAE+供电端；MAX1452AAE+及外围电路实现二次信号放大及传感器的温度修正。
6.根据权利要求1所述的采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，其特征在于：四只压力敏感芯体通过激光焊接方式焊接在压力接口座组件(6)上，顶盖(7)与防护壳(2)、防护壳(2)与压力接口座组件(6)之间也均通过激光焊接方式焊接在一起。
7.根据权利要求4或5所述的采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，其特征在于：信号放大板和信号调理板上的电子元器件采用高精度、宽温区、高可靠性、功耗低的器件。
8.根据权利要求1所述的采用溅射薄膜芯体的四余度压力传感器，其特征在于：所述的顶盖(7)和防护壳(2)采用金属制成。
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