KR960014000B1 - Pressure sensor structure and circuit - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 본 발명을 설명키 위한 다이어그램.1 is a diagram for explaining the present invention.
제2도는 본 발명 실시예의 회로도로,2 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention;
(a)는 정전압 공급회로(a) is a constant voltage supply circuit
(b)는 측정센서회로와 증폭 및 오프세트 조정회로.(b) is a measuring sensor circuit and amplification and offset adjustment circuit.
(c)는 기준전압용 버퍼회로와 비교회로에 의한 릴레이 구동회로(c) shows the relay driving circuit by the reference voltage buffer circuit and the comparison circuit.
(d)는 트라이악 구동회로(d) triac driving circuit
(e)는 디스프레이회로를 의미하며,(e) means the display circuit,
제3도는 압력센서의 일체식 하우징의 구조설명도.3 is a structural diagram of the integrated housing of the pressure sensor.
제4도는 본 발명 실시예의 하우징 구조설명도로,4 is an explanatory view of a housing structure of an embodiment of the present invention;
(a)는 하우징 설명을 위한 단면도.(a) is sectional drawing for housing description.
(b)는 다이어프램의 단면도.(b) is sectional drawing of a diaphragm.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 정전압 공급부 2 : 측정센서부1: constant voltage supply part 2: measurement sensor part
3 : 증폭부 4 : 디지탈 표시부3: amplifying section 4: digital display section
5 : 압력스위치부 TS : 트랜스포머5: pressure switch TS: transformer
BD : 브리지 다이오드 C1-C4 : 콘덴서BD: Bridge Diode C1-C4: Capacitor
Reg : 레규레이터 Sen : 센서Reg: Regulator Sen: Sensor
U1-U4 : OP암프 Ry : 릴레이U1-U4: OP amp Ry: Relay
TRIAC : 트라이악 IC1 : 2중 적분형 A/D컨버터TRIAC: Triac IC1: Dual Integral A / D Converter
IC2 : 7세그먼트 디스프레이 Lead : 부하IC2: 7-segment display Lead: Load
VR1,VR2 : 가변저항 a : 하우징VR1, VR2: Variable resistor a: Housing
b : 다이어그램 c : 스트레인 게이지b: diagram c: strain gauge
d : 중간페드 e : 전기회로기판d: middle ped e: electric circuit board
f : 가변저항 g : 증폭부f: variable resistor g: amplifier
h : 리이드선.h: lead wire.
본 발명은 금속박막형 압력센서 및 그 새로운 회로에 관한 것으로 특히 스트레인 게이지형 금속박막형 압력센서에 관한 것이다.The present invention relates to a metal thin film pressure sensor and a novel circuit thereof, and more particularly to a strain gauge type metal thin film pressure sensor.
이미 실리콘 압력센서에 비해 스테인레스 다이어프램형 금속박 압력센서는 열악한 환경 조건에서도 압력의 측정이 가능하다는 것은 알려져 있고 또 일본국 공개특허 평4-265831호에 의하면, 별도의 온도센서나 특별한 센서접속이 불필요하고 또 간단한 저항브리지용 아나로그 온도보상의 회로 방법으로서 기준전압에 비례하는 출력전류를 저항브리지에 부여하는 전압제어전류원이 설치되고 버퍼증폭기가 상기한 출력전류에 비례하는 버퍼출력전류를 발생시켜 계장증폭기가 출력되는 응답에 비례하는 초기출력을 발생시켜 프로그램 가능 이득증폭기가 브리지의 압력응답과는 독립하는 보상된 출력을 발생하고, 보상네트워크의 이득보상부가 브리지응답에 있어서의 변동을 보상하여 오프세트 보정부가 버퍼출력전압에 응답하여 초기오프세트 전류를 발생시키도록 되고 오프세트 보정증폭기가 보정신호를 발생하도록 하는 것이다.It is already known that a stainless diaphragm type metal foil pressure sensor can measure pressure even in harsh environmental conditions, and according to Japanese Patent Laid-Open No. 4-265831, it is not necessary to connect a separate temperature sensor or a special sensor. In addition, a simple analog temperature compensation circuit method for resistance bridges is provided with a voltage-controlled current source that provides an output current proportional to the reference voltage to the resistance bridge, and the buffer amplifier generates a buffer output current proportional to the output current described above. Generates an initial output that is proportional to the response that is output so that the programmable gain amplifier produces a compensated output independent of the bridge's pressure response, and the gain compensation portion of the compensation network compensates for variations in the bridge response to offset offset. Initial offset current in response to the additional buffer output voltage To the production so as to be offset correction amplifier to generate a correction signal.
그러나 이와같은 종래의 압력센서에서의 측정회로는 센서신호의 오프세트 전압조정 및 증폭회로의 이득 조정에 있어서, 복잡해지는 문제점과 또 4개의 센서를 감지판에 부착시켜야 하는 것이므로 조립하기가 불편하여 불량품의 발생율이 높다는 문제점이 있다.However, such a measurement circuit in the conventional pressure sensor has a complicated problem in adjusting the offset voltage of the sensor signal and the gain of the amplification circuit, and it is inconvenient to assemble because it is necessary to attach four sensors to the sensing plate. There is a problem that the rate of occurrence is high.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결코자 함에 있어서, 퀴드연산증포기 하나로 오프세트 조정과 증폭회로의 이득조정 및 증폭기 기능을 다할 수 있도록 함으로서 간단하며, 조립이 편리하며 가격이 저렴함으로 경제적이며, 나아가 버퍼와 비교기용으로 퀴드 연산증폭기 하나를 이용하여 원하는 값 내에서 릴레이를 ON-OFF 할 수 있는 압력스위치와 아날로그 디지탈 변환기 하나로 측정 압력을 디지탈로 표시할 수 있도록 한 것이다.The present invention is to solve the conventional problems as described above, it is simple to perform the offset adjustment and gain adjustment of the amplifier circuit and the amplifier function with one of the quid operation amplifier, simple, easy to assemble and inexpensive and economical Furthermore, using a quip op amp for buffers and comparators, a pressure switch can be used to turn the relay on and off within a desired value, and one analog digital converter can display the measured pressure digitally.
또한 측정센서는 콘스반탄과 같은 금속박막으로 되는 저항으로 스트레인 게이지를 하도록 함으로서 목적을 달성한 것이다.In addition, the measuring sensor achieves the object by allowing the strain gauge to be a resistance of a metal thin film such as cons vantan.
즉 측정센서는 압력을 받는 스테인레스 스틸 다이어프램 위에 접착되며, 이와 같은 다이어프램은 이득이 들어오는 취입부에 놓이게 하여 여기서 측정센서가 압력을 받으면, 그 압력에 의해 휘게되는 것이 비례하여 측정센서의 저항값이 변하도록 한 것이다.In other words, the measuring sensor is bonded on the stainless steel diaphragm under pressure, and this diaphragm is placed on the blowing part where the gain is received. When the measuring sensor is pressurized, the resistance of the measuring sensor changes in proportion to the bending by the pressure. I did it.
따라서 하우징과 다이어프램에는 SUS304 또는 SUS606 계열을 사용하여 주위의 악조건하에서도 측정이 가능토록 한 것이다.Therefore, the SUS304 or SUS606 series of housings and diaphragms can be used to measure under adverse environmental conditions.
즉 종래의 실리콘으로 사용함에 있어서는 온도변화에 대한 보상이 필요할 뿐 아니라 주위의 유독 및 부식성 가스나 액체에 대해 사용이 불가능하나 본 발명에서 스테인레스 스틸 다이어프램을 사용함으로서 열악한 환경에서도 사용이 가능하며, 온도특성이 뛰어나 온도보상이 필요없으며, 장기 안정성이 뛰어나 경제적인 특징이 있다.That is, in the conventional silicon, not only compensation for temperature change is required but also it cannot be used for toxic and corrosive gases or liquids. However, in the present invention, it is possible to use in a harsh environment by using a stainless steel diaphragm. Its excellent temperature elimination is not required and its long-term stability makes it economical.
이하 본 발명을 첨부된 실시예의 도면에 따라 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명회로부에 대한 다이어그램으로 정전압 공급부(1)로부터 각 회로에 동작전류를 공급토록 되고, 측정센서부(2)에서 감지된 신호는 증폭부(3)에서 증폭되어 디지탈 표시부(4)와 압력스위치부(5)를 동작하도록 구성되어 있음을 도시하고 있다.FIG. 1 is a diagram of the circuit part of the present invention, and supplies an operating current to each circuit from the constant voltage supply part 1, and the signal sensed by the measuring sensor part 2 is amplified by the amplification part 3 and the digital display part 4. And the pressure switch unit 5 is configured to operate.
제2도는 상기한 제1도에 표시한 정전압 공급부(1)의 회로도로 1차측 교류전원이 인가되는 트랜스포머(TS)의 2차측에 브리지 다이오드(BD)가 연결되며, 그 출력측에는 트랜스포머(TS)의 2차측 중간 단자 사이에 평활용 콘덴서(C1,C2)가 연결되고 정전압소자로 되는 레규레이터(Reg1,Reg2)를 통해 출력단자(+Vin)(-Vin)에 정전압이 출력되어 이하 설명하는 각 회로부에 전원을 공급토록 됨은 공지와 같은 것이다. 또 제2도(a)에서 C3,C4는 콘덴서를 의미한다.FIG. 2 is a circuit diagram of the constant voltage supply unit 1 shown in FIG. 1, and a bridge diode BD is connected to a secondary side of a transformer TS to which primary AC power is applied, and a transformer TS is connected to an output side thereof. Smoothing capacitors (C1, C2) are connected between the secondary terminal of the secondary side, and constant voltage is output to the output terminal (+ Vin) (-Vin) through the regulators (Reg1, Reg2) that are constant voltage elements. It is known to supply power to the circuit. In FIG. 2A, C3 and C4 mean capacitors.
제2(b)는 센서에서 감지된 신호를 1단 증폭하고 또다시 2단 증폭하여 오프세트 조정을 위한 회로도가 도시된다.Second (b) shows a circuit diagram for offset adjustment by amplifying the signal sensed by the sensor in one stage and then again in two stages.
즉 센서(Sen)의 출력은 1단 증폭용 op암프(U1,U2)의 반전단자(+)에 연결되고, op암프(U1,U2)의 출력은 저항(R4,R5)를 통해 2단 증폭용 op암프(U4)에 입력되며, 또 오프세트 조정용 op암프(U3)의 반전단자(+)에는 가변저항(VR)을 통해 조정하도록 되어 있어서 브리지 불평형 전압을 0으로 조정하도록 되며, 그 출력은 비반전단자(-)에 궤환되어 저항(R6)을 통해 상기한 op암프(U4)의 반전단자(+)에 연결되어 있다. 제2도(b)에 있어서 부호 R1-R3,R5,R7은 저항을 의미하며, 상기한 제2도(b)의 op암프(U4)의 출력(Vol)은 제2도(c)에 도시된 기준전압용 버퍼회로와 비교회로에 의한 릴레이구동회로의 비교기(U6)의 비반전단자(-)에 연결하여 증폭된 전압과 기준전압을 비교하여 히스테리시스 특성을 이용한 버퍼회로를 구성하고 있다.That is, the output of the sensor Sen is connected to the inverting terminals (+) of the first stage amplification op amps U1 and U2, and the output of the op amps U1 and U2 is amplified in two stages through the resistors R4 and R5. It is input to the op amp U4, and the inverting terminal (+) of the offset adjustment op amp U3 is controlled through the variable resistor VR so that the bridge unbalance voltage is adjusted to zero. It is fed back to the non-inverting terminal (-) and is connected to the inverting terminal (+) of the op amp (U4) through the resistor (R6). In FIG. 2 (b), the symbols R1-R3, R5, and R7 denote resistances, and the output Vol of the op amp U4 of FIG. 2 (b) is shown in FIG. The non-inverting terminal (-) of the comparator U6 of the relay drive circuit by the reference voltage buffer circuit and the comparison circuit is connected to each other to form a buffer circuit using hysteresis characteristics by comparing the amplified voltage with the reference voltage.
즉 상기한 비교기(U6)의 기준전압을 공급키 위한 버퍼용 암프(U5)가 설치되어 가변저항(VR2)에 의해 기준전압이 조정되어 공급되고, 상기한 비교기(U6)의 출력은 저항(R11)을 통해 에미터 접지된 트랜지스터(Q1)의 베이스에 연결됨과 동시에 접지 사이에 연결된 발광 다이오드(LED)가 연결되어 동작을 표시토록 되고 트랜지스터(Q2)를 통해 트라이악(TRIAC)의 게이트를 트리거 하도록 하여 교류전원(AC)과 상기한 트라이악(TRIAC) 사이에 연결되는 부하(LOAD)를 제어할 수도 있도록 되어 있다.That is, the buffer amp U5 for supplying the reference voltage of the comparator U6 is provided, the reference voltage is adjusted and supplied by the variable resistor VR2, and the output of the comparator U6 is the resistor R11. To the base of the emitter grounded transistor (Q1) and at the same time a light emitting diode (LED) connected between grounds to indicate the operation and to trigger the gate of the triac (TRIAC) through transistor (Q2). It is also possible to control the load (LOAD) connected between the AC power source (AC) and the triac (TRIAC).
제2도(e)는 상기한 비교기(U6)의 출력을 2중 적분형 A/D컨버터(IC1)를 통해 7세그먼트 디스프레이(IC2)에 의해 제2도(b) 또는 제1도(2)에서의 브리지 출력은 다음 식(1)과 같이 된다.FIG. 2E shows the output of the comparator U6 by the 7-segment display IC2 through the dual-integrated A / D converter IC1. The bridge output at is given by the following equation (1).
상기 식에서 Vin은 브리지 전압, 또는 변형, K는 게이지율, Vo1은 브리지 차동출력전압이다.Where Vin is the bridge voltage, or a variation, K is the gauge rate, and Vo1 is the bridge differential output voltage.
또 증폭회로에서의 출력전압은 다음 식(2)와 같다.The output voltage of the amplifier circuit is shown in the following equation (2).
로 되어 저항 R1으로 게인조정을 하며, 가변저항(VR)으로는 오프셋 조정을 할 수가 있게 되는 것이다.The gain is adjusted by the resistor R1, and the offset is adjusted by the variable resistor VR.
또한 스위치의 원하는 압력범위를 설정하는 식은 다음 식(3)(4)와 같다.In addition, the equation for setting the desired pressure range of the switch is as shown in the following equation (3) (4).
상기 식에서 Vut는 압력 스위치가 OFF되는 전압Where Vut is the voltage at which the pressure switch is OFF
V1t는 압력 스위치가 ON되는 전압V1t is the voltage at which the pressure switch is turned on
n=R13/R11n = R13 / R11
Vr=(Vin+R12)/(R11+R12)Vr = (Vin + R12) / (R11 + R12)
+Vsat는 op암프+Saturation 전압+ Vsat is opamp + Saturation voltage
-Vsat는 op암프-Saturation 전압-Vsat is opamp-Saturation Voltage
즉 증폭회로의 출력전압 Vo1dl Vut가 되기까지 비교기(U6)의 출력전압기(+Vsat)가 되어 트랜지스터(Q1)의 베이스에 전류가 유입되어 트랜지스터(Q1)가 동작하는 동시에 콜렉터에 전류가 유입되어 릴레이(Ry)가 ON되고, Vut가 되면 비교기(U6)의 출력전압이 (-Vsat)가 되어 트랜지스터(Q1)가 동작하지 않아 릴레이(Ry)가 OFF된다.That is, until the output voltage Vo1dl Vut of the amplifier circuit becomes the output voltage (+ Vsat) of the comparator U6, current flows into the base of the transistor Q1, the transistor Q1 operates, and the current flows into the collector. When the relay Ry is turned on and Vut is reached, the output voltage of the comparator U6 becomes (-Vsat) and the transistor Q1 does not operate so that the relay Ry is turned off.
이와 같은 OFF 상태에서 입력이 낮아져 Vo1가 V1t가 되면, 릴레이(Ry)가 ON된다. 트라이악(TRIAC)도 같은 원리로 구동된다.In this OFF state, when the input becomes low and Vo1 becomes V1t, the relay Ry is turned on. TRIAC is driven on the same principle.
또 2중 적분형 A/D컨버터(IC1)을 이용한 압력의 디지틀 디스프레이를 위한 7세그먼트(IC2)는 아나로그의 출력값을 갖는 증폭회로의 출력전압(Vo1)을 A/D컨버터(IC1)와 저항 및 콘덴서를 이용하여 디지탈로 디스프레이할 수가 있게 되는 것이다.In addition, the 7-segment (IC2) for digital display of pressure using the dual integral type A / D converter (IC1) converts the output voltage Vo1 of the amplifying circuit having the analog output value to the A / D converter (IC1) and the resistor. And it becomes possible to display digitally using a capacitor | condenser.
여기서 디스프레이되는 값은 다음 식(5)와 같이 주어진다.The value to be displayed is given by the following equation (5).
한편 압력센서의 하우징은 제3도에 도시된 바와 같이 일체적으로 되거나 제4도와 같은 조립식으로 구성할 수가 있다.On the other hand, the housing of the pressure sensor may be integrated as shown in FIG. 3 or assembled as shown in FIG.
그러나 제3도와 같은 일체식은 SUS304 또는 SUS606을 사용하여 일체로 만들어지는 관계로 주위 환경이 열악해도 사용할 수 있어서 안정성이 있는 반면, 다이어프램 두께를 예를 들어 0.5t 이하는 가공이 힘들고 비용이 드는 관계로 고압부에 취부하여 사용할 수가 없는 단점이 있다.However, since the integral type as shown in FIG. 3 is made integrally by using SUS304 or SUS606, it can be used even in a poor environment, while it is stable, and the diaphragm thickness of 0.5t or less, for example, is difficult and expensive. There is a disadvantage that can not be used by mounting on the high pressure.
반면 제4도와 같은 조립식은 SUS304 또는 SUS606을 사용하여 제4도(a)와 (b)에 도시와 같이 2단으로 각기 제작하여 (b)의 다이어프램(b)를 (a)의 후레임으로 되는 하우징(a)의 스트레인 게이지(C)를 끼우는 단(ⅰ)에 나사식으로 끼워 고정시킬 수가 있다.On the other hand, as shown in FIG. 4, the prefabricated type is made of SUS304 or SUS606 in two stages as shown in FIGS. 4A and 4B, respectively, so that the diaphragm b of frame (b) becomes the frame of (a). The strain gauge C of (a) can be screwed into the end to which it fits.
따라서 제4도와 같은 조립식으로 하면, 다이어프램(b)을 따로 제작하여 조립할 수가 있으므로 두께를 0.1t까지도 가공할 수가 있어서 저압부에도 사용할 수 있는 특징이 있다.Therefore, when the assembly type as shown in FIG. 4 is used, the diaphragm b can be manufactured and assembled separately, so that the thickness can be processed up to 0.1t, and thus it can be used for the low pressure part.
제5도는 본 발명 또다른 실시예도로 하우징(a)속에 다이어프램(b)이 설치되고 스트레인 게이지(c)가 부착되어 압력을 받음으로서 저항변화가 일어나도록 되고, 상기한 스트레인 게이지(c)가 파손되지 않도록 중간패드(d)를 사용하여 접속선을 연결 고정시키고, 전자회로 기판(e)에는 영점조정용 가변저항(f)과 압력센서의 출력신호를 증폭하는 증폭부(g)를 설치 고정하고 외부의 리이드선(h)으로 전원을 공급토록 하고, 상기한 하우징(a)에는 가변저항(f)이 위치하는 부위에 구멍(j)을 천공함으로서 외부로부터 가변저항(f)을 조정할 수 있도록 한 것이다.5 is another embodiment of the present invention, the diaphragm (b) is installed in the housing (a) and the strain gauge (c) is attached to the pressure change to cause a change in resistance, the strain gauge (c) is broken Connect and fix the connection line by using an intermediate pad (d) so that the electronic circuit board (e) has a variable resistor (f) for zero adjustment and an amplification part (g) for amplifying the output signal of the pressure sensor. The power supply is supplied to the lead wire h, and the variable resistor f can be adjusted from the outside by drilling a hole j in a portion where the variable resistor f is located in the housing a. .
상기와 같이 스트레인 게이지(c)를 다이어프램(b)에 고정하는 것이므로 가공성과 경제성은 물론 조립이 용이하고 조정이 편리하다.Since the strain gauge (c) is fixed to the diaphragm (b) as described above, as well as workability and economical efficiency, assembling is easy and adjustment is convenient.
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