CN1987385A - 压阻式土应力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压阻式土应力传感器由传感器壳体、应力敏感组件和输出电缆组成，传感器壳体前端固设有感受应力的弹性体，传感器壳体内部形成一个具有孔洞结构的固支台阶，敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅压阻式组件，且固定于固支台阶端面，与弹性体间形成的腔体填充有液体压力传递介质，敏感组件的内引线经固定于传感器壳体后端的转接板后外接引出电缆，引出电缆经信号调理电路后外接输出电缆，本发明就是将成熟的硅压阻式敏感元件引入到土应力力学研究领域，制作了压阻式土应力传感器，本发明提供的压阻式土应力传感器可以用集成电路技术大批量生产，具有一致性好、廉价、低频特性好、信号处理简单、方便及可以小型化等特点。

Description

压阻式土应力传感器

技术领域

本发明涉及一种土应力传感器，特别是涉及一种硅压阻式土应力传感器。

背景技术

所谓的土应力就是指土体(包括土壤、沙石、混凝土、山体、水坝的坝基、桥梁的桥基、道路的路基、楼房的房基等)在受到重物(包括楼房、桥梁、水库的蓄水、公路上的车辆等)的压迫、在其内部产生的应力。随着科学技术的发展，尤其是建筑业的发展，促使人们对土体承载能力、土壤与结构物相互作用关系产生极大兴趣。这就提出了如何准确地测量土应力问题。

国外早在1913年前后就着手研究土应力的测量，后来发展到各主要国家的运输、水道、建筑、桥梁、工程、大学等部门都设立了相关的研究机构。国内大约从六十年代初期才着手研制，目前从土应力传感器原理、结构形式来说：有活塞式、变电阻式、变电容式、变磁阻式、压电式、压磁式、振弦式等。

硅压阻式压力传感器诞生于20世纪50年代，以后随着集成电路技术的成熟而开始实用化，随着它的设计技术、信息处理技术和微机械加工技术的发展而不断扩大其应用领域，但目前尚未将压阻式压力传感器应用于土应力测量。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明就是将成熟的硅压阻式敏感元件引入到土应力力学研究领域，制作了压阻式土应力传感器，本发明提供的压阻式土应力传感器可以用集成电路技术大批量生产，具有一致性好、廉价、低频特性好、信号处理简单、方便及可以小型化等特点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种压阻式土应力传感器，由传感器壳体、应力敏感组件和输出电缆组成，该传感器壳体前端固设有感受应力的弹性体，该传感器壳体内部形成一个具有孔洞结构的固支台阶，该敏感组件为硅压阻式组件，且固定于该固支台阶端面，与该弹性平膜片间形成的腔体填充有液体压力传递介质，该敏感组件的内引线经固定于该传感器壳体后端的转接板后外接引出电缆，该引出电缆经信号调理电路后外接该输出电缆。

作为本发明的进一步改进，该敏感组件为，具有惠斯通电桥结构的硅压阻式敏感元件之背面作为受压面而正面为敏感部，该敏感部周部区域裸露出单晶硅衬底，并与PYREX玻璃固支环静电封接后与该固支台阶端面基于黏合剂密封连结，该敏感部表面设有多个基于金属化层形成的应变电阻引出电极而金属化层之外的该敏感部表面形成绝缘层，该引出电极焊接金丝或硅铝丝作为该内引线。

作为本发明的进一步改进，作为该信号调理电路输入端，该惠斯通电桥之应变电阻具有1～10KΩ的阻值。

作为本发明的进一步改进，该弹性体为金属弹性平膜片，并焊接于该传感器壳体前端，该压力传递介质为甲级硅油。

作为本发明的进一步改进，该转接板固定于该固支台阶后端，该转接板设有多组电极端子，每组端子中的一个经该固支台阶之孔洞与该对应内引线相接，而另一个与该引出电缆之导线相连。

作为本发明的进一步改进，该传感器设有温度补偿，该温度补偿为焊接在该转接板上的调整电阻。

作为本发明的进一步改进，该引出电缆依次穿过该传感器外壳底部的固线咀和带有螺纹的固线帽后引出，该固线帽密封旋固于该固线咀便于锁紧该引出电缆，该传感器外壳底部侧面或者底部背板可以设有该固线咀，便于该引出电缆从该传感器底部侧面或底部面引出。

作为本发明的进一步改进，该传感器外形直径为Φ20mm至Φ100mm，该传感器厚度不大于该外形直径的1/3。

作为本发明的进一步改进，该信号调理电路将该传感器的输出转化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC标准信号输出。

本发明的有益技术效果

该传感器壳体采用扁平结构，感受应力的弹性体为一金属弹性平膜片，将它齐平焊接于该传感器壳体的前端区域，该敏感元件采用扩散硅压阻式敏感元件，并通过压力传递介质将被测压力从弹性平膜片上无损耗的传递到硅压阻式敏感元件上，敏感元件产生的输出通过内引线、转接板、电缆传递出去或者经过一个分体的调理电路进行输出。

由于采用单晶硅制作的全桥芯片作为本发明的压阻式土应力传感器的敏感元件，通过特殊设计来提高它的稳定特性；通过一种称作齐平焊接的方法将传感器壳体和感受应力的弹性体组装成一体，为了减少温度变化对传感器特性的影响，对敏感元件进行温度补偿，通过填充压力传递介质，可以扩大传感器的受力面积、提高传感器的测量准确性，并可以在壳体后部装配信号调理的电路，使之形成标准化输出。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中所述的传感器壳体之结构主视图；

图3是本发明中所述的敏感组件之结构主视图；

图4是本发明中所述的敏感元件之结构俯视图。

对照图1至图4作以下说明：

1-传感器壳体      13-信号调理电路

2-弹性体          14-输出电缆

3-压力传递介质    15-单晶硅衬底

4-敏感组件    16-绝缘层

5-内引线      17-应变电阻

6-转接板      18-金属化层

7-调整电阻    19-玻璃固支环

8-引出电缆    20-固支台阶

9-密封塞      21-固线嘴

10-固线帽     22-填充通道

11-背板       23-孔洞

具体实施方式

以下结合附图1至附图4作进一步描述：

一种压阻式土应力传感器，由传感器壳体1、应力敏感组件4和输出电缆14组成，该传感器壳体前端焊接有感受应力的平膜金属之弹性体2，该传感器壳体内部形成一个具有孔洞23结构的固支台阶20，该敏感组件为硅压阻式组件，且固定于该固支台阶端面，与该弹性体2间形成的腔体填充有甲级硅油压力传递介质3，该敏感组件的内引线5经固定于该传感器壳体后端的转接板6后外接引出电缆8，该引出电缆经信号调理电路13后外接该输出电缆。

该敏感组件为，具有惠斯通电桥结构的硅压阻式敏感元件正面敏感部外的区域裸露出单晶硅衬底15，并与PYREX玻璃固支环19静电封接后形成硅敏感芯座(Pyrex玻璃固支环是康宁公司(Corning)的产品，专为半导体封装设计，具有与硅接近的物理性能，我们用的是Pyrex-7740型，业内都知道它，国产替代产品为GG-17硼硅玻璃，业内皆知，市场上可以买到)，该硅敏感芯座之金属化层18焊接金丝内引线5，该玻璃固支环的端面与该传感器壳体的固支台阶20固定，并使该敏感元件之背面作为二级受压面与作为一级受压面、与该传感器壳体前端齐平安装的金属平膜弹性体2之间通过真空填充工艺将压力传递介质3从该固支台阶之填充通道22填入，并用密封塞9将该压力传递介质密封。而该硅敏感元件之正面电极上焊接有内引线，而该内引线另一端焊接于该转接板6的相应电极上，与该内引线对应端的该转接板部位焊接有该引出电缆8，该引出电缆的另一端可以直接连接输出电缆或者作为外接的该信号调理电路的输入端。该硅敏感元件之力敏区面积不超过Φ8mm，该力敏区之外通过静电封接于该玻璃环固支环，该力敏区通过形成的金属化层由金丝或硅铝丝作内引线将电极引出。

该转接板固定于该固支台阶后端，该转接板设有多组电极端子，每组端子中的一个经该固支台阶之孔洞与该对应内引线相接，而另一个与该引出电缆之导线相连。该传感器设有温度补偿，该温度补偿为焊接在该转接板上的调整电阻7。该引出电缆依次穿过该传感器外壳底部侧面的固线咀21和带有螺纹的固线帽10后引出，该固线帽密封旋固于该固线咀便于锁紧该引出电缆。

该传感器外形直径为Φ20mm至Φ100mm，该传感器厚度不大于该外形直径的1/3。该信号调理电路将该传感器的输出转化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC标准信号输出。作为该信号调理电路输入端，该惠斯通电桥之应变电阻具有1～10KΩ的阻值。

当按照规定的技术措施将传感器填埋在被测区域的土体中时，土体受到外力的作用到达传感器处时，土体的变形由传感器的第一受压面(弹性平模片)感受，第一受压面感受到的压力通过密封在传感器壳体内的压力传递介质传递到第二受压面，在第二受压面内产生应变，该应变δ的大小与第二受压面感受到的压力P有如下的关系：

${\mathrm{\δ}}_r=\frac{3p}{8{\mathrm{Eh}}^2}\[r_o^2(1+\mathrm{\μ})-r^2(3+\mathrm{\μ})\]$

${\mathrm{\δ}}_t=\frac{3p}{8{\mathrm{Eh}}^2}\[r_o^2(1+\mathrm{\μ})-r^2(1+3\mathrm{\μ})\]$

式中：δ_r----径向应力

δ_t----切向应力

E----硅的弹性模量

h----硅膜片的厚度

r_o----膜片的工作半径

μ----泊松比

传感器的输出信号为：

V_OUT＝∏EδV_in

式中：∏为单晶硅的压阻系数，它依赖于元件的掺杂浓度；

V_in为对传感器施加的激励电压.

Claims (10)

1、一种压阻式土应力传感器，由传感器壳体(1)、应力敏感组件(4)和输出电缆(14)组成，其特征在于，该传感器壳体前端固设有感受应力的弹性体(2)，该传感器壳体内部形成一个具有孔洞(23)结构的固支台阶(20)，该敏感组件为硅压阻式组件，且固定于该固支台阶端面，与该弹性体间形成的腔体填充有液体压力传递介质(3)，该敏感组件的内引线(5)经固定于该传感器壳体后端的转接板(6)后外接引出电缆(8)，该引出电缆经信号调理电路(13)后外接该输出电缆。

2、如权利要求1所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，该敏感组件为，具有惠斯通电桥结构的硅压阻式敏感元件之背面作为受压面而正面为敏感部，该敏感部周部区域裸露出单晶硅衬底(15)，并与PYREX玻璃固支环(19)静电封接后与该固支台阶(20)端面基于黏合剂密封连结，该敏感部表面设有多个基于金属化层(18)形成的应变电阻(17)引出电极而金属化层之外的该敏感部表面形成绝缘层(16)，该引出电极焊接金丝或硅铝丝作为该内引线。

3、如权利要求2所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，作为该信号调理电路的输入端，该惠斯通电桥之应变电阻具有1～10KΩ的阻值。

4、如权利要求1所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，该弹性体为金属弹性平膜片(2)，并焊接于该传感器壳体前端，该压力传递介质为甲级硅油。

5、如权利要求1所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，该转接板固定于该固支台阶后端，该转接板设有多组电极端子，每组端子中的一个经该固支台阶之孔洞与该对应内引线相接，而另一个与该引出电缆之导线相连。

6、如权利要求1所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，该传感器设有温度补偿，该温度补偿为焊接在该转接板上的调整电阻(7)。

7、如权利要求1所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，该引出电缆依次穿过该传感器外壳底部的固线咀(21)和带有螺纹的固线帽(10)后引出，该固线帽密封旋固于该固线咀便于锁紧该引出电缆。

8、如权利要求7所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，该传感器外壳底部侧面或者底部背板(11)设有该固线咀，便于该引出电缆从该传感器底部侧面或底部面引出。

9、如权利要求1所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，该传感器外形直径为Ф20mm至Ф100mm，该传感器厚度不大于该外形直径的1/3。

10、如权利要求1所述的一种压阻式土应力传感器，其特征在于，该信号调理电路将该传感器的输出转化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC标准信号输出。