CN107690573A - 具有改善的可靠性的压力测量设备以及相关联的校准方法 - Google Patents

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Abstract

一种压力测量设备(1)，包括第一类型的压力传感器(2)和与该第一类型不同的第二类型的压力传感器(3)，这些压力传感器被安装在共同支撑件(6)上以便经受相同压力，其中，第一类型的压力传感器(2)是电容传感器，其特征在于，第一类型的压力传感器(2)包括至少一个膜(26)和穿过共同支撑件(6)的第一内部通道(30)、用于将流体传递到膜(26)的第二内部通道(33)，该第二内部通道(33)与第一内部通道(30)处于流体连接。与设备(1)相关联的校准方法。

Description

具有改善的可靠性的压力测量设备以及相关联的校准方法
发明领域
本发明涉及测量压力的领域，尤其涉及用于航天应用的流体压力的机电传感器，具体而言是微机电系统(MEMS)类型的传感器。
发明背景
机电压力传感器通常包括由硅或硅合金制成的膜，在该膜的前表面上安装有压电应变仪，这些压电应变仪被布置为惠斯通电桥并通过连接线连接到电子处理器单元。与装载应变仪的表面相对的后表面经受待测量的压力，该压力通过使膜变形而使仪表受到应变并使得能够电测量该压力。膜通常被安装在同样由硅制成的支撑件上。由于硅对于电化腐蚀特别敏感，因此将膜安装在填充有传递流体(一般是硅油)的管道的一端。管道的另一端由不锈钢小球封闭，该不锈钢小球的外表面与待测量压力的流体相接触。施加到不锈钢小球的压力经由传递流体传送到硅膜并由处理器单元基于由应变仪提供的信号来测量。由处理器单元生成的电信号随后被传送给通信网络。
以此方式获得的传感器通常体积大、笨重并且昂贵，特别是由于存在填充有油的管道以及相关联的密封元件。具体而言，油必须绝对不可压缩，因为这些油是昂贵的并且在低温下冻结到传送振动的程度。如果它们不是完全无杂质和/或自由基，则这些油在它们暴露于电压时生成电漂移。必须以非常严密的方式来填充圆柱形管道，因为管道中存在任何空气将使传感器不准确或者甚至不能运行。执行该操作并对其进行检查增加了生产传感器的成本。传感器的膜通常通过粘合剂或通过焊接来安装在传感器的支撑件上。该连结必须是密封的，以避免任何流体侵入到膜下，其将最终破坏传感器。该操作受到与手动执行相关联的可变性的影响，并且该可变性是经常出现的缺陷源。最后，这种传感器对于待测量压力的流体的温度的快速变化非常敏感。具体而言，尽管压电传感器对于呈现对温度变化的低敏感性是公知的，但是传递流体和管道的行为导致难以补偿的错误。最后，在非常低的温度下，传递流体可冻结并且使得传感器不能运行。
特别是由于电阻传感器对温度的敏感性，电阻传感器需要常规校准以保存可接受的准确性水平。校准压电传感器通常需要经校准的测量设备连接到传感器的端子，因此必须可以在物理上接入传感器。这种操作需要使其中安装有传感器的装备不操作，这导致(特别是对于飞行器机载的传感器)有害的停机时间(down-time)。最后，压电传感器的操作缺陷可难以与传输电路中的缺陷区分。于是有必要提供用于监视操作的本地系统。
发明目的
本发明的目的是降低机电压力测量设备的成本和温度敏感性，同时改善其可靠性和准确性。
发明概述
为此，本发明提供了一种压力测量设备，该设备包括第一类型的压力传感器和与该第一类型不同的第二类型的压力传感器，这些压力传感器被安装在共同支撑件上以便经受相同压力，其中，第一类型的压力传感器是电容型，该设备的特征在于，第一类型的压力传感器包括至少一个膜和穿过共同支撑件的第一内部通道、将流体传递到膜的第二内部通道，该第二内部通道与第一内部通道处于流体流动连接。
随后可以利用特定于每个传感器的属性，特别是当它们在某些环境条件下(诸如温度、湿度、速度、离心力、或其它类型的应力)具有降低的敏感性时。该特定配置使得可以提出一种设备，在该设备中仅与第一类型的传感器相对的表面需要经受待测量压力的流体。第二内部通道充当约束并保护电容传感器免受压力瞬变。在将该传感器用于监视飞行器轮胎的压力时这是特别有利的。具体而言，压力峰值可在着陆、滑行阶段期间或者在撞击事件下出现，当这些事件在现有技术的传感器冷的时候发生时，这些事件对于这些传感器是特别有害的。第二内部通道还执行对流体的过滤并防止由流体携带的灰尘或颗粒到达膜并通过局部地修改电介质来扰乱电容测量。有利地，第一类型的压力传感器和第二类型的压力传感器具有不同的故障模式。
由于故障模式不同，因此各传感器之间的显著测量差揭示了各传感器中的一个传感器的故障。当测量差超过每个传感器的预期测量误差时，该测量差应当被认为是显著的。
在特定实施例中，第一类型的压力传感器和第二类型的压力传感器具有不同的准确性范围。由此，可以对各种类型的传感器利用特定的准确性范围。有利地，当各传感器中的一个传感器是电容型并且第二传感器是电阻型时，由电容传感器进行的测量几乎不受其压力被测量的流体的温度的影响。电阻传感器能够进行独立于其经受的任何惯性力的测量，这对于轮压力传感器是特别有利的。
通过在公共支撑件上安装处理器单元并通过将该处理器单元连接到第一类型和第二类型的压力传感器，可以使测量设备非常紧凑。该实施例还使得可以在工厂中以自动方式在传感器与处理器单元之间建立连结，而不是在组装设备时手动地建立这些连结，由此使得可以减少敏感的组装操作并有助于降低安装设备的成本。
有利地，第一类型的压力传感器和第二类型的压力传感器被安装在公共支撑件的相应相对表面上。该配置使得可以通过充分处理每个表面来使用适于传感器的特定特征的保护模式(覆盖、遮蔽)。
处理器单元随后可以被安装在公共支撑件的第一表面上、靠近各传感器中的一个传感器，并且可以接收与该传感器相同的保护处理。
有利地，公共支撑件的各表面中的一个表面包括以聚对二甲苯或者以为类金刚石碳(DLC)类型的碳的覆盖物覆盖的至少一部分。这些覆盖物用于在测量腐蚀性流体的压力时或者在测量侵蚀介质中的压力时为传感器提供有效保护。
在特定实施例中，各压力传感器中的一个压力传感器被包封在固定到公共支撑件的气密封盖下。这使得可以限定并隔离支撑件表面的携带传感器的部分，该部分将经受待测量压力的流体的压力。
压力传感器中的一者或二者可以连接到无线通信装置，由此使得可以远程地询问该无线通信装置而无需执行任何拆卸，并且由此使得可以减少停机时间。电容型传感器的小电力消耗特别适合于这种通信模式。
本发明还提供了一种校准此类压力测量设备的方法，此类压力测量设备具有被安装在单个支撑件上的至少一个第一类型的压力传感器和至少一个第二类型的压力传感器，该方法包括如下步骤：将由各传感器中的一个传感器进行的测量与由另一传感器进行的对相同压力的测量进行比较。由此可以通过取决于哪个传感器处于已知来自该传感器的测量比来自另一传感器的测量更可靠的情形中来保留各传感器中的一个或另一传感器的测量，进而实时地执行对每个传感器的校准。
该方法还可包括如下附加步骤：在由每个传感器进行的测量之间的比较使得很可能这些传感器中的一个传感器有缺陷的情况下，发出完整性警报。
附图简述
对各附图作出引用，在附图中：
-图1是本发明的压力测量设备的第一实施例的图解截面视图；
-图2是示出了本发明的校准方法的各个步骤的流程图；
-图3是示出了本发明的压力测量设备的第二实施例的与图1的视图相同的视图；以及
-图4是示出了本发明的压力测量设备的第三实施例的与图1的视图相同的视图。
发明详细描述
参考图1，给予总标记1的本发明的压力测量设备包括电容型的压力传感器2和压电型的压力传感器3，这些传感器分别被安装在公共支撑件6的相对的第一和第二表面4和5上。在该示例中，支撑件6由硅制成并在其第一表面4上接纳处理器单元7，该处理器单元7通过第一导线10连接到印刷在表面4上的导体迹线11的一端。第一导线10具有相对的第二端，该第二端连接到与传感器2相连的第二导线12。第三导线13将处理器单元7连接到内部导体迹线14，该内部导体迹线14从第一表面4穿过支撑件6到达第二表面5并将传感器3连接到处理器单元7。
在该示例中，处理器单元7是专用集成电路(ASIC)并且其被布置成传递电信号，该电信号因变于在传感器2和3的端子处测得的阻抗值(传感器3的电阻、电容器2的电容)。处理器单元7还被布置成对测得的阻抗执行逻辑运算。处理器单元7还通过第四导线15连接到蓝牙模块16并通过第五导线17连接到外部有线传输电路(未示出)。
支撑件6的第一表面4接纳为聚对二甲苯的覆盖物40，覆盖物40随后覆盖传感器2、导线10、12、13和15以及还有处理器单元7和蓝牙模块16。为类金刚石碳(DLC)类型的碳的覆盖物也适合于保护支撑件6的第一表面4、传感器2、导线10、12、13和15以及还有处理器单元7和蓝牙模块16。
传感器2具有直圆柱体的形式，该直圆柱体具有固定到支撑件6的基部20。中央腿部21从基部20突出以接合硅基板23的第一表面22。在基板23与第一表面22相对的第二表面24上，该基板23具有第一板25和可变形膜26，该可变形膜26在离基板23的第二表面24距离d处面向该第二表面24延伸。可变形膜26由硅制成并包括面向板25延伸的板27。
可变形膜26包括环形形状的外周突起部28，从而在其底面中呈现与基板23的第二表面24接触的平面连结部分。可变形膜26、其突起部28以及基板23的第二表面24限定围绕第一板25的密封腔体30。密封腔体30处于基本上为零的绝对压力下。
在操作中，压力测量设备1被放置在待测量压力P的流体中。压力P随后通过覆盖件40作用于电容传感器2并作用于压电传感器3。在压力P的影响下，膜26变形并且第一板25与第二板27之间的距离d变化。由一对板25和27形成的电容器的(基本上电容性)阻抗Z2随后被修改并通过导线10和12以及导体迹线11传送给处理器单元7。内部导体迹线14使得处理器单元7能够测量压电传感器3的(基本上电阻性)阻抗Z3。处理器单元7随后将这些值转换成一个或多个电信号，处理器单元7能够经由导线17、或使用蓝牙模块16通过无线通信将这些电信号传送给有线传输电路。
腿部21使传感器22自由地热膨胀，从而减弱热机械应力并用于降低设备1的温度敏感性。
参考图2，在步骤50中测量传感器2和3的相应阻抗Z2和Z3之后，处理器单元7将它们转换成表示测得的压力的相应电信号E2和E3(步骤51)。在飞行中，在假设压电传感器3更可靠时，处理器单元7将信号E2与信号E3进行比较(步骤52)。如果值E2与E3之差大于第一阈值S1(步骤53)，则来自压电传感器3的信号E2的值被用于重置电容传感器2的零(步骤54)。如果值E2与E3之差大于第二阈值S2(步骤55)，则处理器单元7发出完整性警报57(步骤56)。该完整性警报57可以经由蓝牙模块16以蓝牙信号的形式发出，或者它可以通过导线17被传送给有线传输电路。
当然，还可以在其它情形中(非常高的温度，非常低的温度，飞行器在地面上、滑行等等)执行该方法，在这些情形中传感器2和3中的一者或另一者被用作校准的参考或用于检测故障。
在对本发明的第二和第三实施例的以下描述中，与上述那些元件相同或相似的元件被给予相同的附图标记。
参考图3，在该示例中，传感器2包括第一内部通道30，该第一内部通道30在腿部21中从支撑件6的第二表面5中的孔31延伸并通过基部20和支撑件6以便馈送延伸通过基板23和突起部28的两个第二通道33。这两个第二通道33优选地具有位于10微米(μm)至50μm的范围中的直径。非常优先地，第二通道33的直径位于10μm至20μm的范围中。最后，以优选的方式，第二通道33具有基本上等于10μm的直径。优选地，第一内部通道30的直径与第二通道33的直径之间的比位于30至50的范围中。非常优先地，第一内部通道30的直径与第二通道33的直径之间的比基本上等于50。
盖34与膜26的顶平面连结部分相接触并面向该顶平面连结部分延伸。盖34随后与突起部28和膜26协同操作以限定通道33通向其中的密封腔体35。支撑件6的第一表面4接纳聚对二甲苯覆盖物，该聚对二甲苯覆盖物随后还覆盖传感器2、导线10、12、13和15、以及处理器单元7和蓝牙模块16。替换地，并且如图4中所示，传感器2可被固定到支撑件6的第一表面4的金属封盖36围绕以限定传感器2周围的密封腔体37。腔体37可以处于基本上为零的绝对压力下，或者它可以填充有惰性气体(诸如氮气)。支撑件6的表面4的包括处理器单元7的部分被聚对二甲苯覆盖。在这些情况下，用延伸通过支撑件6的内部导体迹线38来替代导体迹线11。
测量设备1的该配置(其中经由孔31向传感器2馈送受压流体)使得有可能在进行利用位于支撑件6的两个表面4和5上的传感器2和3的测量时，使支撑件6的两个表面中的仅一个表面(在该示例中为表面5)经受待测量的流体的压力。
在本申请的含义中，术语“板”指定任何导电元件。板由此涵盖安装到基板或膜上的元件或者实际上是基板或膜的具有电属性的一部分(有可能其全部)，该电属性使得板能够限定电容器板。至少部分传导的陶瓷膜由此构成本申请的含义中的板。
当然，本发明不限于所描述的各实施例，而是涵盖由权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。
具体而言：
-尽管本文中传感器的基板由硅制成，但本发明等效地适用于其它类型的基板，诸如举例而言，由硅合金制成的基板、由多层高温共烧陶瓷(HTTC)制成的基板或由多层低温共烧陶瓷(LTTC)制成的基板；
-尽管本文中可变形膜由硅制成，但本发明等效地适用于其它类型的膜，诸如举例而言，陶瓷膜；
-尽管本文中可变形膜的外周由环形突起部限定，但本发明等效地适用于以某种其它方式形成的外周，诸如举例而言，矩形截面的壁或者以粘合方式绑定到基板和/或膜的外周间隔体；
-尽管本文中传感器具有将受压流体从穿过支撑件的第一通道向上传递到可变形膜的两个通道，但本发明等效地适用于将受压流体向上传递到可变形膜的单个通道，或两个以上通道；
-尽管本文中处理器单元是位于支撑件的第一表面上的ASIC，但本发明等效地适用于其它处理器装置，诸如举例而言，可以是位于支撑件的表面中的任何表面上的微控制器；
-尽管本文中处理器单元与电容传感器与蓝牙模块之间的电连接包括印刷在支撑件上的内部导体迹线和导线，但本发明等效地适用于其它连接装置，其可以例如包括在可变形膜中延伸的内部导体迹线；
-尽管本文中中央紧固腿部用于减弱传感器上的热机械应力，但本发明等效地适用于减弱热机械应力的其它类型的设备，诸如举例而言，弹性支撑件；
-尽管本文中处理器单元连接到蓝牙模块，但本发明等效地适用于其它无线通信装置，诸如举例而言，WiFi通信装置、无线电波装置、或红外装置；
-尽管本文中处理器单元7在由每个传感器测得的压力值之差大于预定阈值时发出完整性警报，但本发明的方法等效地适用于能够生成完整性警报的其它类型的事件，诸如举例而言，由各传感器中的一个传感器测得的值的变化(其未被另一个传感器拾取)，或者各传感器之间的大于预定值的反应时间差；以及
-尽管本文中第一类型的压力传感器是电容型传感器并且第二类型的压力传感器是压电型传感器，但本发明等效地适用于其它类型的传感器及其组合，诸如举例而言，压阻或谐振型的传感器。

Claims (12)

1.一种压力测量设备(1)，包括第一类型的压力传感器(2)和与所述第一类型不同的第二类型的压力传感器(3)，所述压力传感器(2)和所述压力传感器(3)被安装在共同支撑件(6)上以便经受相同压力，其中，所述第一类型的压力传感器(2)是电容型，所述设备的特征在于，所述第一类型的压力传感器(2)包括至少一个膜(26)和穿过所述共同支撑件(6)的第一内部通道(30)、将流体传递到所述膜(26)的第二内部通道(33)，所述第二内部通道(33)与所述第一内部通道(30)处于流体流动连接。
2.如任一前述权利要求所述的设备(1)，其特征在于，所述第二类型的压力传感器(3)是电阻型。
3.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述第一类型的压力传感器(2)和所述第二类型的压力传感器(3)具有不同的故障模式。
4.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述第一类型的压力传感器(2)和所述第二类型的压力传感器(3)具有不同的准确性范围。
5.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，包括处理器单元(7)，所述处理器单元(7)被安装在所述公共支撑件(6)上并连接到所述压力传感器(2；3)。
6.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述第一类型的压力传感器(2)和所述第二类型的压力传感器(3)被安装在所述公共支撑件(6)的相应相对表面(4,5)上。
7.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述公共支撑件(6)的各表面中的一个表面(4)包括被聚对二甲苯覆盖的至少一个部分。
8.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述压力传感器(2；3)中的一个压力传感器被包封在固定到所述公共支撑件(6)的气密封盖(36)下。
9.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述压力传感器(2；3)中的一个压力传感器连接到无线通信装置(16)。
10.一种校准压力测量设备(1)的方法，所述压力测量设备(1)具有被安装在单个支撑件(6)上的至少一个第一类型的压力传感器(2)和至少一个所述第一类型的压力传感器(3)，所述方法包括将由所述传感器(2,3)中的一个传感器进行的测量与由另一传感器(2,3)进行的对相同压力的测量进行比较的步骤(52)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，由所述传感器(2,3)中的一个传感器测得的压力值用于重置另一传感器的零。
12.如权利要求13所述的方法，其特征在于，包括发出完整性警报的附加步骤(56)。
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