CN1157595C - 传感器用补偿元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器用补偿元件(4)，它在电桥电路(1)中配备有应变片(2)。此外，补偿元件(4)由金属基板(20)构成，一层结构电阻膜(24)绝缘地设置在基板上。将电阻膜(23)制成平面状或栅状的低欧姆值的补偿电阻(6，19)以及高欧姆值的补偿电阻(13，18)，用于TKO补偿和TKK补偿。补偿元件(4)可以通过带有适当塑料并且导热性良好的平面基板(20)而与传感器相连。在制成的传感器中，用密封材料保护补偿元件不受机械损伤。
Description
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的传感器用补偿元件。
这样的传感器用补偿元件被用于通过应变片来补偿传感器电路的温度变化。尤其是在称量部件和其它测力传感器和测压传感器中设置了这样的补偿元件。此外，无论是测量目标完全没有机械应力(TKO)还是所述应力始终不变(TKK)，在这样的测量位置上的温度变化都应该被理解为根据温度变化的测量信号变化。
当传感器或其周围的温度在观测期间内变化时，就可能出现温度变化。这样的温度变化的起因可能是传感器材料的热膨胀、应变片栅状测量材料的热膨胀、以及电阻的温度系数。测量目标在存在机械应力的情况下同时经受温度改变，这时的结果为机械应变与热应变之和。在这里，应变计的热应变部分作为误差地被包括在内了。
众所周知，借助补偿元件来尽可能补偿这种误差。在这种情况下，人们就想到了能尽可能地校正温度对传感器的影响。为此，在馈电线路中以及在电桥支路中设置了补偿电阻，利用补偿电阻，使承受负载或没有负载的电桥在不同温度下得到补偿。由于补偿电路因热方面的原因而必须总是安装在传感器附近，所以，电路被设计成独立电路元件并且主要被固定在传感器材上。
实际上，常常为此设置环氧树脂基的电路板，在电路板上焊接了固定电阻以便进行特性值温度变化补偿(TKK补偿)。对于零点温度变化的补偿(TKO补偿)来说，也使用了漆包绝缘的细铜线。电路板通过粘接或螺纹连接被固定在传感器上并且连接了应变片，从而随后可以在不同温度下补偿传感器。这种电路具有这样的缺点，即作为补偿电阻，采用了固定电阻或导线电阻，它们被设计成特殊的低欧姆值测量电阻，它们在制作和补偿时需要比较高的成本。
将柔软的电路板用作补偿元件也是众所周知的，其中，用漆包绝缘细铜线或膜电阻作为补偿电阻，它们可以与作为电阻材料的镍膜或铜膜一起被焊到电路中。在这里，软膜直接被粘在传感器体上。在这种情况下，按照所需精确度来制作出低欧姆值的补偿电阻是比较费事的。在很精密的导线电阻中，在大多数情况下需要很长的导线，它们要在电路板上占据比较大的地方并且在补偿时工作强度很高。此外，膜电阻的导热性还比较差，因而，补偿效果差。
因此，本发明的任务是改进上述类型的传感器用补偿元件，由此，在补偿最省事的情况下提高测量精度。
通过权利要求1所述的发明方案来完成上述任务。在从属权利要求中给出了改进的方案和有利的实施例。
本发明的优点是，通过金属基板而直接对传感器材料导热，从而可以实现很精确的温度变化补偿，这种补偿也紧跟在快速温度变化之后进行。尤其是，有利地实现了本身的热量向补偿电阻的良好传导，由此一来，避免了附加的电阻升高。
本发明还具有这样的优点，即，可以通过结构电阻薄膜很精确且最紧凑地自动生产出具有很低电阻值的补偿电阻，从而不必补偿补偿电阻差，其中只要人为地补偿应变片的细微制造差异。
下面结合附图所示的实施例来详细说明本发明。附图中：
图1是具有可布设的电桥电路的补偿元件的示意图；
图2表示补偿元件的示意结构；以及
图3是补偿元件与传感器电桥电路的电路图。
在图1中，示意地示出了具有电桥电路1的传感器用补偿元件4，它成独立元件形式，其中主要的补偿电阻6、19、13、18为结构电阻膜23，被粘在金属基板20上。
补偿元件4主要由金属基板20构成，它是支座。支座20必须由导热性优良的材料制成，因而，基板20最好由铝构成。但也可以使用导热性能良好的其它金属板或片。
最好使用0.2毫米-1.5毫米厚的金属基板20。在这种情况下，选择18毫米×20毫米的矩形基面，因为这样尺寸的金属基板很适合于安装在连续的测力传感器和称量部件上。但是，只要传感器需要，也能以其它的尺寸和形状来制造这样的基板20。此外，也可以想象到正方形、圆形或与之不同的基面形状。
图2中示出了补偿元件4的层状结构，如图2所示，按比例但很放大地示出了一些层的厚度比。金属基板20是底层，它的厚度最大，而且厚得多。在金属板20上，粘上了结构电阻膜23，它包含了低欧姆值的补偿电阻6、19、13、18以及带焊点5、7、11、12、15、16的印刷线路8。此外，设置了均匀的约0.005毫米-0.025毫米厚的粘性层，它同时起到了与基板20绝缘的绝缘层的作用。对置的电阻膜23可以由镍、铜或温度系数高的其它导电材料构成。电阻膜23以约为0.005毫米-0.025毫米的厚度被涂在基板20上。借助光刻工艺将电阻膜23制作图形，随后，与应变片2的已知生产方式类似，蚀刻出电阻6、19、13、18、印刷线路8以及焊点5、7、11、12、15、16。此外，按照图1所示，在基板20上布置印刷线路8、焊点5、7、11、12、15、16以及补偿电阻6、19、13、18。补偿电阻6、19被设置成用于零点温度变化的补偿，其电阻值约为0.1Ω，并且电阻膜23的平面形状为矩形，其边长为几毫米。根据电阻膜23和应变片2电阻的情况，0.5Ω-1Ω的或1Ω以上的电阻值可能是必需的。由于电阻膜23可能是最均匀的膜，所以，可以不用补偿而很精确地产生这样的电阻值，从而电阻6、19没有在初始状态下提高零点温度变化的漏散(streuung)。
用于特性值温度变化补偿(TKK补偿)的两个补偿电阻13、18以结构电阻膜23的形式形成于基板20上。在其中采用350Ω应变片2的现有传感器电路中，这种随温度而变化的电阻13、18必须具有约40Ω的电阻值，它们与并联电阻10、17相连接，以便在特性值方面和在铝制传感器中温度变化达到最佳线性化。这个电阻最好为测量栅，以便在尺寸最小的情况下确保高精度。由于补偿电阻13、18可以通过上述结构并根据所选层结构以±0.1％的公差制成，所以，不需要事后分别补偿特性值温度变化(TKK补偿)。这尤其是由于可以通过栅格结构产生任意的电阻值，所述电阻值通过预先计算或实验方式并根据适当的传感器类型而计算出来的。在采用其它应变片电阻和其它传感器材料时，补偿电阻13、18也可能需要约10Ω-100Ω的电阻值。
为了使特性值温度变化补偿线性化(TKK补偿)，在补偿电阻13、18上并联了固定电阻10、17，它事后被焊接到预设的焊点9、14上。在这里，设置了温度系数最小且在SMD技术中常用的固定电阻，它例如具有约为200Ω的电阻值。根据总电路的布设形式，为此可以采用70Ω-200Ω的电阻值。200Ω的电阻值是根据-10℃-+40℃的温度范围而测量的，以使这个温度范围线性化。对于这样的温度范围来说，也可以设置其它的补偿电阻6、19、13、18。在高一些或低一些的温度范围内，也可以采用其它电阻值，可以通过简单地改变电阻膜23的设计来改变电阻值。
在高一些的温度范围以及传感器输出信号波动大一些的情况下，也可以设置附加的固定电阻，对此要在印刷线路结构中设置附加的连接焊点7、11、12，固定电阻可以焊接到这些焊点上。
在设计电阻膜23时，还在基板20的左侧设置了六个连接焊点5，以便接入应变片2，并且在右侧分别设置了两个用于输出信号的连接焊点A和两个用于电桥电源的连接焊点E。在其它的补偿元件中，也可以在基板20上设置其它的连接焊点7、11、12，可以通过这些焊点实现电连接。
根据蚀刻法，尤其测量出用于特性值温度变化补偿的补偿电阻13、18(TKK补偿)并且在特殊的补偿法中使之很精确地补偿事先计算出的电阻值。由于补尝值是事先根据传感器结构类型而确定的，所以，补偿电阻13、18在接入应变片2前就被很精确地调节到所计算出的值。随后，为了保护电路，对在以后工序中不再需要接触的区域设置覆盖层24。漆24可以是所谓的焊面漆，如通常在电路板技术中所用的那样，并且是通过丝网印刷而涂敷的。其它涂敷方法如喷涂、刷涂等也是可行的。不过需要耐用的漆24，它适用于以后的回流焊过程。
在涂敷后，利用带孔的掩模，在输入和输出端的接触区以及并联电阻的接触面上印刷焊剂。随后，在自动插装机中给元件4插装上并联电阻10、17并用回流焊方法进行焊接。
在图3中，示出了具有补偿元件4和传感器电桥电路1的传感器的电路图。在这里，图1所示的两个装有应变片2的半桥被连接成全电桥。全电桥也可以由具有附加桥电阻的应变片四分之一电桥或应变片半桥构成。应变片2具有如350Ω的电阻值并且可以被用于-10℃-+40℃的温度范围。为此，在用于特性值温度变化被偿(TKK补偿)的电路15中分别串联一个补偿电阻RTKK，每个补偿电阻RTKK上各并联一个固定电阻RP。通过并联具有高电阻温度系数(TKR)的电阻13、18和电阻10、17，可以使传感器输出信号的温度误差范围小并且比较线性。
应变片的伸缩灵敏度(k系数)和传感器材料的弹性模量与温度有关。当康铜被用作具有正的k系数温度系数(TKK)和负的弹性模量温度系数(TKE)的应变片—栅状测量材料时，这两个系数在存在机械应力以及温度升高的情况下导致了力信号、重力信号或压力信号的升高。为了确定这个误差，传感器在不同温度下承受标准质量或标准力并由此测量出对应的补偿电阻13、18和并联电阻10、17的补偿电阻值，这个值对补偿误差来说是必不可少的。由于补偿电阻RTKK随着温度升高而造成其电阻值比较剧烈地增大，所以在电线15中出现了附加的电压降，这个电压降抵消了由传感器材的正的k系数温度系数(TKK)和负的弹性模量温度系数(TKE)引起的测量信号变化。
由于热特性在各个同类传感器电路中是一样的，所以，平衡电桥的补偿电阻值和并联电阻值是确定的，所述值可以随后被转给所有其它同类传感器。此外，对于所有补偿元件来说，所制成的补偿电阻RTKK必须精确地具有计算出的电阻值，从而可以为所有后续传感器电路省去单独进行的特性值补偿。根据基板20的所选厚度，在两个位于基板上的电阻中，当温度变化时，不会通过基板中的断层或电压而预计到电阻变化。此外，直接与导热基板20粘接的层22在外界温度影响和可能因基板电阻的自然加热而产生的温度变化时造成快速温度补偿，从而，不可能出现额外的测量误差。
为了补偿零点温度变化(TKO补偿)，在下桥臂25中设置了两个根据温度变化且具有高温度系数的补偿电阻RTKO。如果需要的话，它们被用于补偿在制造和应用应变片2时的不对称，以便实现TKO精密补偿。为了确定TKO输出数据，将补偿器件4与应变片2进行连接。随后，在不承受机械应力的状态下，在不同温度下测量传感器的零点并且确定由此推算出的TKO。为了补偿，根据TKO的正负号而如此改变其中一个电阻6、19，以致于电桥1的输出信号在所有温度范围内都在预定界限内。此外，进行“蚀刻过程”，其中电阻层22因磨损而缩小，从而电阻值升高。由于电阻值因“蚀刻”而只能在一个方向上改变并且是不可预见的(它具有TKO的正负号)，因此，在各电桥中设置了补偿电阻6、19，以便能进行双向补偿。
用很精确的方法来制造补偿电阻6、19，使它们的低欧姆电阻值几乎一样，所以，有利的是，在所述电阻6、19之间不必进行补偿。由此一来，在传感器制造完成后，不用很费事，只要进行很细微的零点温度变化补偿(TKO补偿)就行了。此外，零点温度变化补偿(TKO补偿)也需要根据温度变化且具有高温度系数的电阻，以便尽可能少地在全电桥桥臂中使伸缩时易变的附加电阻保持不变，并进而尽可能小地保持低灵敏度。对于TKO补偿来说，特别有利的是，通过所选层结构来确保在基板20上的电阻6、19在温度变化时具有同样的温度，并因而具有同样的作用。
为了制造出在有负载时有相同输出信号(特性值)的传感器，在补偿元件4中，在输出线路8上设置了焊点，在所述焊点上可以焊接高欧姆值电阻如1000Ω的电阻，该电阻与输出端并联，以便进行特性值补偿。
Claims (10)
1.一种传感器用补偿元件，它具有带应变片的电桥电路，所述应变片由一个独立的支座及安装在其上的电补偿元件构成，其特征在于，支座由一个导热性能良好的基板(20)构成，一个结构电阻膜(23)绝缘地设置在该基板(20)上，由所述电阻膜(23)构成多个补偿电阻(6，19，13，18)。
2.如权利要求1所述的补偿元件，其特征在于，基板(20)由矩形、正方形、圆形或其它不同形状的基面构成，它由导热性能优良的材料制成。
3.如权利要求1或2所述的补偿元件，其特征在于，电阻膜(23)由铜、镍或具有高电阻温度系数的导电材料构成。
4.如权利要求1所述的补偿元件，其特征在于，将电阻膜(23)制成了栅状或平面状的低欧姆值的补偿电阻(6，19，13，18)。
5.如权利要求4所述的补偿元件，其特征在于，除了补偿电阻(6，19，13，18)外，还将电阻膜(23)制成了用于连接电路和/或其它补偿元件的印刷线路(8)和连接焊点(5，7，11，12，15，16)。
6.如权利要求1所述的补偿元件，其特征在于，基板(20)的厚度约为0.2毫米-1.5毫米，大小约为0.5平方厘米-10平方厘米。
7.如权利要求1所述的补偿元件，其特征在于，在基板(20)上设置了一个均匀的绝缘层(22)，用于与均匀的电阻膜(23)相连，其中绝缘层(22)和电阻膜(23)的厚度为0.005毫米-0.025毫米。
8.如权利要求1所述的补偿元件，其特征在于，将电阻膜(23)制成了两个相同的补偿电阻，其电阻值为0.1Ω-5Ω，用于零点温度变化补偿(TKO补偿)。
9.如权利要求1所述的补偿元件，其特征在于，将电阻膜(23)制成了两个相同的补偿电阻，其电阻值为10Ω-100Ω，用于特性值补偿。
10.如权利要求1所述的补偿元件，其特征在于，补偿电阻(6，19，13，18)的电阻值可以通过减小(磨损)膜的厚度而改变。
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