RU2028584C1 - Method of tuning thin-film pressure transducer - Google Patents
Method of tuning thin-film pressure transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2028584C1 RU2028584C1 SU3110850A RU2028584C1 RU 2028584 C1 RU2028584 C1 RU 2028584C1 SU 3110850 A SU3110850 A SU 3110850A RU 2028584 C1 RU2028584 C1 RU 2028584C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- strain
- resistance
- compensation
- sensitive
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений давлений в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара). The invention relates to measuring equipment and can be used for measuring pressure under the influence of unsteady temperature of the measured medium (thermal shock).
Известны датчики давления, предназначенные для измерения давления в условиях нестационарной температуры измеряемой среды, содержащие упругий элемент в виде жесткозащемленной металлической мембраны, покрытой изоляционным слоем [1]. Known pressure sensors designed to measure pressure under conditions of unsteady temperature of the medium being measured, containing an elastic element in the form of a hard-pressed metal membrane coated with an insulating layer [1].
На изоляционном слое расположена тензочувствительная схема, а компенсация паразитного выходного сигнала, обусловленного нестационарной температурой измеряемой среды, осуществляется термопарами, расположенными на изоляционном слое. В данной конструкции происходит неполная компенсация температурной погрешности в нестационарном температурном режиме. A strain-sensitive circuit is located on the insulating layer, and compensation for the parasitic output signal due to the non-stationary temperature of the medium being measured is carried out by thermocouples located on the insulating layer. In this design, incomplete compensation of the temperature error in unsteady temperature conditions occurs.
Это обусловлено тем, что при воздействии на приемную полость датчика измеряемой среды с нестационарной температурой на поверхности мембраны в зоне установки тензорезисторов возникают неравномерные и изменяющиеся во времени температурные поля и температурные деформации. Поэтому на выходе датчика появляется паразитный сигнал, обусловленный реакцией тензорезисторов на изменяющееся температурное поле и поле температурных деформаций. Главной причиной неравномерности температурных полей является неравномерность тепловых потоков в различных частях упругого элемента тонкой мембраны и массивной заделки. Выравнивание тепловых потоков за счет уменьшения заделки не всегда оправдано в связи с определенным ухудшением характеристик свободно опорной мембраны по сравнению с жесткозащемленной. This is due to the fact that when a measured medium with an unsteady temperature is exposed to the sensor’s receiving cavity, non-uniform and time-varying temperature fields and temperature deformations appear on the membrane surface in the installation zone of the strain gauges. Therefore, a parasitic signal appears at the output of the sensor due to the response of the strain gages to a changing temperature field and the field of temperature deformations. The main reason for the non-uniformity of temperature fields is the non-uniformity of heat fluxes in various parts of the elastic element of a thin membrane and massive embedding. Alignment of heat flux due to a decrease in termination is not always justified in connection with a certain deterioration in the characteristics of a freely supported membrane compared to a hard-pressed one.
Причиной неравномерности температурных деформаций является неравномерность температурных полей самого упругого элемента. Применение термопар, установленных на диэлектрике, уменьшает погрешность, возникающую от неравномерного поля температур, но не компенсирует погрешность, обусловленную неравномерность поля температурных деформаций. The reason for the unevenness of temperature deformations is the unevenness of the temperature fields of the elastic element itself. The use of thermocouples mounted on a dielectric reduces the error arising from an uneven temperature field, but does not compensate for the error due to the non-uniformity of the temperature strain field.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тонкопленочный датчик давления, содержащий металлический упругий элемент, покрытый изоляционным слоем, на котором расположены мостовая тензочувствительная схема и два включенных в мостовую схему компенсационных резистора из материала с большим по сравнению с материалом тензорезисторов температурным коэффициентом сопротивления. Closest to the proposed technical solution is a thin-film pressure sensor containing a metal elastic element coated with an insulating layer on which are located a bridge strain gauge circuit and two compensation resistors included in the bridge circuit made of a material with a high temperature coefficient of resistance compared to the strain gauge material.
Наиболее близким к предлагаемому является также способ настройки датчиков, заключающийся в том, что временно вводят в мостовую схему два компенсационных резистора, изменяют температуру мостовой схемы, определяют начальный выходной сигнал и его изменение от температуры, а также сопротивления компенсационных резисторов, при которых изменение начального выходного сигнала от температуры будет близко к нулю, и окончательно вводят их в мостовую схему [2]. Closest to the proposed one is also a method of tuning sensors, which consists in the fact that two compensation resistors are temporarily introduced into the bridge circuit, the bridge circuit temperature is changed, the initial output signal and its change from temperature are determined, as well as the resistance of the compensation resistors at which the initial output change the signal from the temperature will be close to zero, and they are finally introduced into the bridge circuit [2].
Общими признаками изобретения и прототипа является то, что металлический упругий элемент, покрытый изоляционным слоем, на котором расположены мостовая тензочувствительная схема и два, включенных в мостовую схему, компенсационных резистора из материала с большим по сравнению с материалом тензорезисторов температурным коэффициентом сопротивления. Кроме того, временное введение в мостовую схему двух компенсационных резисторов, изменение температуры мостовой схемы, определение начального выходного сигнала и его изменения от температуры, определение сопротивлений компенсационных резисторов, при которых изменение начального выходного сигнала от температуры будет близко к нулю и окончательное введение их в мостовую схему. Common features of the invention and the prototype is that a metal elastic element coated with an insulating layer on which a bridge strain-sensitive circuit is located and two compensation resistors made of a material with a higher temperature coefficient of resistance compared to the material of the strain gages are included in the bridge circuit. In addition, the temporary introduction of two compensation resistors into the bridge circuit, the change in the temperature of the bridge circuit, the determination of the initial output signal and its change in temperature, the determination of the resistance of the compensation resistors at which the change in the initial output signal from temperature is close to zero and their final introduction into the bridge scheme.
Целью изобретения является уменьшение погрешности датчика при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды за счет учета изменения поля температурных деформаций, вызванного изменением температурного поля. The aim of the invention is to reduce the error of the sensor when exposed to unsteady temperature of the measured medium by taking into account changes in the field of thermal deformations caused by changes in the temperature field.
Для этого усовершенствуется известная конструкция датчика давления, содержащего металлический упругий элемент в виде жесткозащемленной мембраны, покрытой изоляционным слоем, на котором расположена мостовая тензочувствительная схема и два, включенных в мостовую схему компенсационных резистора с большим по сравнению с тензорезисторами температурными коэффициентами сопротивления. Кроме того, усовершенствуется известный способ настройки тонкопленочных датчиков давления, заключающийся в том что временно вводят в мостовую схему два компенсационных резистора, изменяют температуру мостовой схемы, определяют начальный выходной сигнал и его изменение от температуры, определяют сопротивления компенсационных резисторов, при которых изменение начального выходного сигнала от температуры будет близко к нулю, и окончательно вводят их в мостовую схему. To do this, the known design of a pressure sensor containing a metal elastic element in the form of a rigidly-insulated membrane coated with an insulating layer on which a bridge strain-sensitive circuit and two compensation resistors included in the bridge circuit with large temperature resistance coefficients compared to strain gauges is improved will be improved. In addition, the known method for adjusting thin-film pressure sensors is improved, which consists of temporarily introducing two compensation resistors into the bridge circuit, changing the temperature of the bridge circuit, determining the initial output signal and its change in temperature, and determining the resistance of the compensation resistors at which the initial output signal changes from the temperature will be close to zero, and they are finally introduced into the bridge circuit.
Отличительными признаками предлагаемого датчика давления по сравнению с прототипом, является то, что компенсационные резисторы расположены в зоне промежуточного по сравнению с максимальным и минимальным изменением температурного поля и поля температурных деформаций и один из компенсационных резисторов выполнены преимущественно тензочувствительным с большим по сравнению с тензорезисторами коэффициентом тензочувствительности, а другой компенсационный резистор выполнен преимущественно термочувствительным с меньшим по сравнению с тензорезисторами коэффициентом тензочувствительности. Distinctive features of the proposed pressure sensor in comparison with the prototype is that the compensation resistors are located in the intermediate zone in comparison with the maximum and minimum changes in the temperature field and the field of thermal deformations and one of the compensation resistors is made mainly of strain sensitivity with a higher strain sensitivity coefficient compared to strain gauges, and another compensation resistor is made mainly thermosensitive with a smaller compared strain gauges gauge factor.
Отличительными признаками предлагаемого способа настройки по сравнению с прототипом, является то, что полностью закорачивают термочувствительный компенсационный резистор, определяют требуемое сопротивление тензочувствительного компенсационного резистора по соотношению
r
Un - напряжение питания мостовой схемы;
ΔUt(K1) - изменение начального выходного сигнала датчика при изменении сопротивления тензочувствительного компенсационного резистора от нуля до его максимального значения при постоянной температуре;
ΔUK1(t) - максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении тензочувствительного компенсационного резистора, равном его максиальному значению;
ΔU01(t) - максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измерямой среды при постоянном сопротивлении тензочувствительного компенсационного резистора, равном нулю, закорачивают тензочувствительный компенсационный резистор до требуемого сопротивления, определяют требуемое сопротивление термочувствительного компенсационного резистора по соотношению
r
ΔUK2(t) - максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении термочувствительного компенсационного резистора, равном его максимальному значению;
ΔU02(t) - максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры размеряемой среды при постоянном сопротивлении термочувствительного компенсационного резистора, равном нулю, и закорачивают термочувствительный компенсационный резистор до требуемого сопротивления.Distinctive features of the proposed tuning method compared to the prototype is that the thermosensitive compensation resistor is completely short-circuited, the required resistance of the strain-sensitive compensation resistor is determined by the ratio
r
U n is the supply voltage of the bridge circuit;
ΔU t (K 1 ) is the change in the initial output signal of the sensor when the resistance of the strain-sensitive compensation resistor changes from zero to its maximum value at a constant temperature;
ΔU K1 (t) is the maximum change in the initial output signal of the sensor during a sharp change in the temperature of the medium being measured at a constant resistance of the strain-sensitive compensation resistor equal to its maximum value;
ΔU 01 (t) is the maximum change in the initial output signal of the sensor with a sharp change in the temperature of the measured medium with a constant resistance of the strain-sensitive compensation resistor to zero, short-circuit the strain-sensitive compensation resistor to the required resistance, determine the required resistance of the heat-sensitive compensation resistor by the ratio
r
ΔU K2 (t) is the maximum change in the initial output signal of the sensor during a sharp change in the temperature of the medium being measured at a constant resistance of the thermosensitive compensation resistor equal to its maximum value;
ΔU 02 (t) is the maximum change in the initial output signal of the sensor with a sharp change in the temperature of the medium being measured at a constant resistance of the thermosensitive compensation resistor equal to zero, and the thermosensitive compensation resistor is shorted to the required resistance.
На фиг.1 изображен общий вид датчика, разрез; на фиг.2 то же, фиг.3-10 поясняют изобретение, вид сверху. Figure 1 shows a General view of the sensor, section; figure 2 is the same, figure 3-10 explain the invention, a top view.
Датчик давления содержит металлический упругий элемент 1 в виде жесткозащемленной мембраны. покрытой изоляционным слоем 2, на котором расположена мостовая тензочувствительная схема, состоящая из тензорезисторов R1-R4 и контактных площадок 3 - 8. Металлический упругий элемент выполнен, например из сплава 36НХТЮ-Ш. В качестве изоляционного слоя использована моноокись кремния типа А, фракции 2, которая нанесена на поверхность мембраны упругого элемента способом термического испарения в вакууме. Толщина изоляционного слоя 3,0-4,5 мкм. Для согласования термомеханических характеристик моноокиси кремния со сплавом 36НХТЮ и улучшения адгезии на мембрану предварительно напыляют подслой электролитического хрома ЭРХ толщиной 0,2-0,3 мкм (на фиг.1 не показан) способом термического испарения в вакууме. Тензорезисторы формируются способом термического испарения в вакууме через трафарет из сплава Х20Н75Ю. Удельное поверхностное сопротивлений тензорезисторов 70 Ом/□ . Величина сопротивлений тензорезисторов выбрана 700 ± 35 Ом. Коэффициент тензочувствительности после окончательного формирования и термообработки тензорезисторов находится в пределах 2,1-2,3. Температурный коэффициент сопротивления тензорезисторов находится в пределах 1 ˙ 10-6 - 5 ˙ 10-5 оС-1. Контактные площадки выполнены способом термического испарения в вакууме через трафарет из золота 3л999,9. Толщина контактных площадок выбрана в пределах 0,7-1,0 мкм.The pressure sensor contains a metal
В мостовую схему включены два компенсационных резистора. Один из них тензочувствительный компенсационный резистор 9 выполнен с большим по сравнению с тензорезисторами коэффициентом тензочувствительности. Тензочувствительный компенсационный резистор формировался методом ионно-плазменного распыления сплава. Two compensation resistors are included in the bridge circuit. One of them is a strain-sensitive compensation resistor 9 made with a large coefficient of strain sensitivity compared to strain gauges. A strain-sensitive compensation resistor was formed by ion-plasma spraying of the alloy.
Для удобства закорачивания тензочувствительного резистора 9 на нем выполнены из золота 3 л 999,9 аналогично и в едином цикле с контактными площадками 3-8 дополнительные контактные площадки 10-14, которые разбивают тензочувствительный компенсационный резистор на отдельные части для уменьшения дискретности при включении в мостовую схему, причем сопротивление каждой последующей части в 2 раза меньше предыдущей. For the convenience of short-circuiting the strain-sensing resistor 9, it is made of gold 3 l 999.9 similarly and in a single cycle with contact pads 3-8 additional contact pads 10-14, which divide the strain-sensitive compensation resistor into separate parts to reduce discreteness when included in the bridge circuit and the resistance of each subsequent part is 2 times less than the previous one.
Сопротивление тензочувствительного компенсационного резистора при реальном изготовлении находится в пределах 10-20 Ом. После окончательного формирования и термообработки коэффициент тензочувствительности и температурный коэффициент сопротивления тензочувствительного компенсационного резистора соответственно находятся в пределах 80-130 и 1 ˙ 10-4 - -1 ˙ 10-3 оС-1.The resistance of the strain-sensitive compensation resistor in actual manufacture is in the range of 10-20 ohms. After the final formation and heat treatment, the coefficient of strain sensitivity and temperature coefficient of resistance of the strain-sensitive compensation resistor are respectively in the range of 80-130 and 1 ˙ 10 -4 - -1 ˙ 10 -3 о С-1.
Термочувствительный компенсационный резистор 15 выполнен из золота 3 л 999,9 в едином цикле с изготовлением контактных площадок. После окончательного формирования и термообработке максимальное сопротивление термочувствительного компенсационного резистора находится в пределах 2-8 Ом. Температурный коэффициент сопротивления термочувствительного компенсационного резистора примерно равен 3,9 ˙ 10-3оС-1, его коэффициент тензочувствительности находится в пределах 1,5-1,8, т.е. меньше коэффициента тензочувствительности тензорезисторов.The thermosensitive compensation resistor 15 is made of gold 3 l 999.9 in a single cycle with the manufacture of contact pads. After the final formation and heat treatment, the maximum resistance of the heat-sensitive compensation resistor is in the range of 2-8 Ohms. The temperature coefficient of resistance of a thermosensitive compensation resistor is approximately 3.9 ˙ 10 -3 ° C -1 , its coefficient of strain sensitivity is in the range of 1.5-1.8, i.e. less than the coefficient of strain sensitivity of strain gauges.
Датчик работает следующим образом. The sensor operates as follows.
При воздействии давления Р на мембрану упругого элемента на ее поверхности появляются деформации, которые приводят к изменению сопротивлений тензорезисторов, преобразуемые мостовой схемой в выходной сигнал. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды, например при резком изменении температуры измеряемой среды (термоударе) наиболее характерном режиме работы ЖРД, на мебране датчика вследствие различия тепловых потоков через мембрану и ее заделку, обусловленного неоптимальным соотношением толщины мембраны и ее заделки, возникают неравномерное температурное поле и неравномерное поле температурных деформаций, вызванное температурным полем. Неравномерное температурное поле приводит к неидентичности среднеинтегральных температур, воспринимаемых тензорезисторами, во время нестационарного процесса. Экспериментально определенные зависимости среднеинтегральных температур tсрi, воспринимаемых тензорезисторами для датчика, изображенного на фиг.1, с мембраной толщиной 0,32 мм и толщиной заделки (цилиндрическая часть) 1,5 мм, приведены на фиг.3.Under the influence of pressure P on the membrane of the elastic element, deformations appear on its surface, which lead to a change in the resistance of the strain gages, which are converted by the bridge circuit into an output signal. When exposed to unsteady temperature of the measured medium, for example, when the temperature of the measured medium (thermal shock) changes sharply, the most typical operation mode of the liquid propellant rocket engine, due to the difference in heat fluxes through the membrane and its sealing due to the non-optimal ratio of the membrane thickness and its sealing, an uneven temperature field and uneven field of thermal deformations caused by the temperature field. An uneven temperature field leads to the non-identity of the average integral temperatures perceived by the strain gauges during an unsteady process. The experimentally determined dependences of the average integral temperatures t cr perceived by the strain gauges for the sensor depicted in Fig. 1 with a membrane thickness of 0.32 mm and a termination thickness (cylindrical part) of 1.5 mm are shown in Fig. 3.
Из фиг. 3 видно, что скорость изменения среднеинтегральной температуры тензорезисторов R2 и R4, расположенных в центре мембраны, больше по сравнению со среднеинтегральной температурой тензорезисторов R1 и R3, расположенных на периферии мембраны. При этом среднеинтегральная температура компенсационных резисторов RК1, RK2занимает промежуточное положение как по величине), так и по характеру изменения. При воздействии нестационарной температуры компенсационные резисторы воспринимают изменение температурного поля, так как они расположены в зоне промежуточного по сравнению с максимальным и минимальным изменения температурного поля на мембране. Так как температурные коэффициенты сопротивления компенсационных резисторов выбраны больше температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов, то изменение сопротивлений тензорезисторов можно скомпенсировать сравнительно небольшими сопротивлениями компенсационных резисторов. Неравномерность поля температурных деформаций при термоударе приводит к неидентичности среднеинтегральных деформаций, воспринимаемых тензорезисторами во время нестационарного температурного процесса и, следовательно, к неидентичности относительных среднеинтегральных сопротивлений тензорезисторов.From FIG. Figure 3 shows that the rate of change of the average integral temperature of the strain gages R 2 and R 4 located in the center of the membrane is greater than the average integral temperature of the strain gages R 1 and R 3 located on the periphery of the membrane. In this case, the average integral temperature of the compensation resistors R K1 , R K2 occupies an intermediate position both in magnitude) and in the nature of the change. When exposed to unsteady temperature, the compensation resistors perceive a change in the temperature field, since they are located in the intermediate zone compared to the maximum and minimum changes in the temperature field on the membrane. Since the temperature coefficients of resistance of the compensation resistors are chosen to be greater than the temperature coefficient of resistance of the strain gauges, the change in the resistance of the strain gauges can be compensated by the relatively small resistances of the compensation resistors. The unevenness of the field of thermal deformations during thermal shock leads to the non-identity of the average integral deformations perceived by the strain gauges during the non-stationary temperature process and, therefore, to the non-identity of the relative average integral resistances of the strain gauges.
Экспериментально определенные зависимости средних деформаций, воспринимаемых тензорезисторами для датчика, изображенного на фиг.1, с мембраной толщиной 0,32 мм и толщиной заделки 1,5 мм, приведены на фиг.4. The experimentally determined dependences of the average strains perceived by the strain gauges for the sensor depicted in Fig. 1 with a membrane thickness of 0.32 mm and a termination thickness of 1.5 mm are shown in Fig. 4.
Из фиг. 4 видно, что скорость и величина изменения среднеинтегральных деформаций тензорезисторов R2 и R4, расположенных в центре мембраны, больше по сравнению со средними деформациями тензорезисторов R1 и R3, расположенных на периферии мембраны. При этом среднеинтегральные деформации компенсационных резисторов RK1 и RK2занимают промежуточное положение как по величине. так и по характеру изменения. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды компенсационные резисторы воспринимают изменение поля температурных деформаций, так как они расположены в зоне промежуточного по сравнению с максимальным и минимальным изменения поля температурных деформаций на мембране. Так как коэффициент тензочувствительности одного из компенсационных резисторов выбран больше коэффициента тензочувствительности тензорезисторов, то изменение сопротивлений тензорезисторов можно скомпенсировать сравнительно небольшим сопротивлением тензочувствительного компенсационного резистора.From FIG. Figure 4 shows that the rate and magnitude of the change in the average integral deformations of the strain gauges R 2 and R 4 located in the center of the membrane is greater than the average deformations of the strain gauges R 1 and R 3 located on the periphery of the membrane. In this case, the average integral deformations of the compensation resistors R K1 and R K2 occupy an intermediate position as in magnitude. and the nature of the change. When exposed to unsteady temperature of the measured medium, the compensation resistors perceive a change in the field of temperature deformations, since they are located in the intermediate zone compared to the maximum and minimum changes in the field of temperature deformations on the membrane. Since the coefficient of strain sensitivity of one of the compensation resistors is selected to be greater than the coefficient of strain sensitivity of the strain gauges, the change in the resistance of the strain gauges can be compensated by the relatively small resistance of the strain gauge compensation resistor.
На фиг.3 и 4 видно, что характер изменения среднеинтегральных температур тензорезисторов отличается от характера изменения среднеинтегральных температурных деформаций. В связи с этим необходима комплексная компенсация изменений среднеинтегральных температур и среднеинтегральных температурных деформаций тензорезисторов. Такая компенсация может осуществляться одним резистором, но в связи с тем, что получение резисторов с заранее заданными соотношениями температурного коэффициента сопротивления и коэффициента тензочувствительности практически невозможно, используются два компенсационных резистора. Один из них, преимущественно тензочувствительный, в основном обеспечивает компенсацию изменений температурных деформаций тензорезисторов. Другой, преимуществено термочувствительный, обеспечивает в основном компенсацию изменения среднеинтегральных температур. Причем, включая термочувствительный компенсационный резистор в то или иное плечо мостовой схемы, можно добиться увеличения или уменьшения суммарного температурного коэффициента сопротивления компенсационных резисторов. Если термочувствительный резистор включен в противоположное по сравнению с тензочувствительным резистором плечо, то суммарный температурный коэффициент сопротивления равен разности ТКС термочувствительного и тензочувствительного компенсационных резисторов. Если термочувствительный резистор включен в соседнее с тензочувствительным резистором, то суммарный температурный коэффициент сопртивления равен разности ТКС термочувствительного и тензочувствительного и тензочувситвительного компенсационных резисторов. При воздействии термоудара на приемную полость датчика на выходе датчика (при отсутствии компенсации) появляется паразитный начальный выходной сигнал, форма и максимальное изменение кторого определяются взаимным соотношением среднеинтегральных температур и деформаций тензорезисторов, а также взаимным соотношением температурных коэффициентов сопротивления и коэффициентов тензочувствительности тензорезисторов. Figures 3 and 4 show that the nature of the change in the average integral temperatures of the strain gages differs from the nature of the change in the average integral temperature deformations. In this regard, comprehensive compensation is required for changes in the average integral temperatures and the average integral temperature deformations of strain gauges. Such compensation can be carried out by one resistor, but due to the fact that it is practically impossible to obtain resistors with predetermined ratios of the temperature coefficient of resistance and the coefficient of strain sensitivity, two compensation resistors are used. One of them, mainly strain-sensitive, mainly provides compensation for changes in temperature deformations of strain gauges. Another, mainly thermosensitive, provides mainly compensation for changes in the average integral temperatures. Moreover, by including a heat-sensitive compensation resistor in one arm or another of the bridge circuit, it is possible to increase or decrease the total temperature coefficient of resistance of the compensation resistors. If the thermosensitive resistor is included in the arm that is opposite in comparison with the strain sensing resistor, then the total temperature coefficient of resistance is equal to the difference between the TCS of the thermosensitive and strain-sensitive compensation resistors. If the temperature-sensitive resistor is included in the adjacent to the strain-sensing resistor, then the total temperature coefficient of resistance is equal to the difference between the TCS of the temperature-sensitive and strain-sensitive and strain-sensing compensation resistors. When a thermal shock acts on the sensor receiving cavity, a parasitic initial output signal appears at the sensor output (in the absence of compensation), the shape and maximum change of which are determined by the mutual ratio of the average integral temperatures and strain gauge deformations, as well as the mutual ratio of temperature resistance coefficients and strain gauge sensitivity coefficients.
Экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала датчика, изготовленного по прототипу, при воздействии на его приемную полость жидкого азота с температурой (-196)оС приведена на фиг.5.Experimentally determined dependence of the initial sensor output produced according to the prototype, under the action of its receiving cavity with liquid nitrogen temperature (-196) ° C is shown in Figure 5.
Из фиг.5 видно, что погрешность датчика в нестационарном температурном режиме в 2-3 раза превышает погрешность датчика в стационарном температурном режиме. Поэтому соотношение между суммарным ТКС и суммарным коэффициентом тензочувствительности компенсационных резисторов предлагается выбрать в зависимости от соотношений ТКС и коэффициентов тензочувствительности тензорезисторов, максимальных среднеинтегральных температур и максимальных относительных среднеинтегральных деформаций на тензорезисторах и компенсационных резисторах. Справедливость выбранного соотношения поясняется следующим. Чем больше разница максимальных среднеинтегральных температур тензорезисторов, т.е. чем больше неравномерность температурного поля и разность ТКС и тензорезисторов, тем больше потребуется ТКС компенсационных резисторов при определенной максимальной среднеинтегральной температуре компенсационных резисторов. С другой стороны, чем больше разница максимальных относительных среднеинтегральных температур деформаций тензорезисторов, т. е. чем больше неравномерность поля температурных деформаций и разность коэффициентов тензочувствительности тензорезисторов, тем больше потребуется коэффициент тензочувствительности компенсационных резисторов при определенной максимальной относительной среднеинтегральной температурной деформации компенсационных резисторов. Таким образом, при воздействии на предлагаемый датчик нестационарной температурой измеряемой среды на выходе датчика появляется скомпенсированный начальный выходной сигнал. From figure 5 it is seen that the error of the sensor in an unsteady temperature mode is 2-3 times higher than the error of the sensor in a stationary temperature mode. Therefore, the relationship between the total TCS and the total coefficient of strain sensitivity of the compensation resistors is proposed to be selected depending on the ratios of the TCS and the coefficient of strain sensitivity of the strain gauges, the maximum average integral temperatures and the maximum relative average integral deformations on the strain gauges and compensation resistors. The validity of the selected ratio is explained as follows. The greater the difference in the maximum average integral temperatures of the strain gages, i.e. the greater the unevenness of the temperature field and the difference between the TCS and the strain gages, the more TCS of the compensation resistors will be required at a certain maximum average integral temperature of the compensation resistors. On the other hand, the larger the difference in the maximum relative average integral strain temperatures of the strain gages, i.e., the greater the unevenness of the temperature strain field and the difference in the strain sensitivity coefficients of the strain gages, the greater the strain sensitivity coefficient of the compensation resistors at a certain maximum relative average integral temperature strain of the compensation resistors. Thus, when the measured sensor is exposed to a non-stationary temperature of the measured medium, a compensated initial output signal appears at the sensor output.
Экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала предлагаемого датчика при воздействии на его приемную полость жидким азотом с температурой (-196)оС приведена на фиг.6.Experimentally determined dependence of the initial output of the proposed sensor signal when exposed at its reception cavity with liquid nitrogen temperature (-196) ° C is shown in Figure 6.
Из фиг. 6 видно, что погрешность в нестационарном температурном режиме (0-80с) не превышает погрешности в стационарном температурном режиме (80с и далее). From FIG. Figure 6 shows that the error in the non-stationary temperature regime (0-80 s) does not exceed the error in the stationary temperature regime (80 s and beyond).
Способ настройки реализуется следующим образом. The configuration method is implemented as follows.
Тензорезисторный датчик помещают в технологическое приспособление 16 (см. фиг. 7), обеспечивающее возможность подачи измерямой среды, например, жидкого азота с температурой (-196)оС, только на приемную полость датчика (показано стрелками на фиг.1), что соответствует реальным условиям эксплуатации датчиков в составе ЖРД. Приспособление в простейшем случае может быть выполнено в виде стакана, в дно которого укрепляют датчик давления, контактные плошадки 3 - 8 датчика соединяют с контактами технологической колодки 17, источником напряжения 18 и вольтметром 19 (см.фиг.7). Замыкают переключатель S2, чем полностью закорачивают термочувствительный компенсационный резистор.Strain gauge sensor is placed into the process tool 16 (see. Fig. 7), providing the possibility for the medium to be, for example, liquid nitrogen temperature (-196) ° C, only to the receiving sensor cavity (shown by the arrows in Figure 1), which corresponds to the actual operating conditions of the sensors as part of the rocket engine. The device in the simplest case can be made in the form of a glass, in the bottom of which a pressure sensor is fixed, contact plates 3 - 8 of the sensor are connected to the contacts of the
Включают напряжение питания. В нормальных климатических условиях замыкают переключатель S1, чем полностью закорачивают тензочувствительный компенсационный резистор, т.е. RK1 = 0. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал Uto датчика при полностью закороченном тензочувствительном компенсационном резисторе и постоянной температуре. Размыкают переключатель S1, включая тем самым в схему моста тензочувствительный компенсационный резистор с его максимальным сопротивлением. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал UtK1датчика при полностью включенном тензочувствительном компенсационном резисторе и постоянной температуре. Вычисляют изменение начального выходного сигнала датчика при изменении сопротивления тензочувствительного компенсационного резистора от нуля до его максимального значения при постоянной температуре по формуле
ΔUt(K1)=Uto-UtK1 ' (3) заливают жидкий азот в приспособление, изменяя тем самым температуру измеряемой среды от температуры нормальных климатических условий 25 ± 10оС до (-196)оС. По вольтметру измеряют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика UK1(t) относительно напряжения UtK1.Turn on the supply voltage. Under normal climatic conditions, close switch S1, which completely shortens the strain-sensitive compensation resistor, i.e. R K1 = 0. Using a voltmeter, measure the initial output signal Ut o of the sensor at a fully shorted strain-sensitive compensation resistor and a constant temperature. Switch S1 is opened, thereby including into the bridge circuit a strain-sensitive compensation resistor with its maximum resistance. The voltmeter measures the initial output signal Ut K1 of the sensor with the strain gauge compensation resistor fully turned on and at a constant temperature. The change in the initial sensor output signal is calculated when the resistance of the strain-sensitive compensation resistor changes from zero to its maximum value at a constant temperature according to the formula
ΔUt (K 1 ) = Ut o -Ut K1 ' (3) pour liquid nitrogen into the device, thereby changing the temperature of the medium to be measured from the temperature of normal climatic conditions 25 ± 10 о С to (-196) о С. The maximum change is measured using a voltmeter the initial output signal of the sensor U K1 (t) relative to the voltage Ut K1 .
Экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды от нормальной до (-196)оС при постоянном сопротивлении тензочувствительного компенсационного резистора, равного его максимальному значению, приведена на фиг.8.The experimentally determined dependence of the initial output signal of the sensor during a sharp change in the temperature of the medium being measured from normal to (-196) о С with constant resistance of the strain-sensitive compensation resistor equal to its maximum value is shown in Fig. 8.
Вычисляют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении тензочувствительного компенсационного резистора, равном его максимальному значению, по формуле
ΔU
Выливают жидкий азот из приспособления. Выдерживают датчик в нормальных климатических условиях до полного восприятия датчиком температуры нормальных климатических условий. Замыкают переключатель S1, уменьшая тем самым сопротивление тензочувствительного компенсационного резистора до нуля. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал Utoдатчика при полностью закороченном тензочувствительном компенсационном резисторе и постоянной температуре.The maximum change in the initial output signal of the sensor is calculated with a sharp change in the temperature of the medium being measured at a constant resistance of the strain-sensitive compensation resistor equal to its maximum value, according to the formula
ΔU
Liquid nitrogen is poured from the fixture. They withstand the sensor in normal climatic conditions until the sensor completely accepts the temperature in normal climatic conditions. The switch S1 is closed, thereby reducing the resistance of the strain-sensing compensation resistor to zero. The voltmeter measures the initial output signal U to the sensor at a fully shorted strain-sensitive compensation resistor and constant temperature.
Заливают жидкий азот в приспособление, изменяя тем самым температуру измеряемой среды от температуры нормальных климатических условий до (-196)оС. По вольтметру измеряют максимальное изменение начального выходного сигнала Uo(t) относительно напряжения Uto. Экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды от нормальной до (-196)оС при постоянном сопротивлении тензочувствительного компенсационного резистора, равном нулю, приведена на фиг. 5. Выливают жидкий азот из приспособления. Выдерживают датчик в нормальных клитматических условиях до полного восприятия датчиком температуры нормальных климатических условий. Вычисляют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении тензочувствительного компенсационного резистора, равном нулю
ΔU01(t) = U0 (t) - Ut0 (4a)
Определяют требуемое сопротивление тензочувствительного компенсационного резистора по соотношению (1). Закорачивают тензочувствительный компенсационный резистор до требуемого сопротвления перемычкой 20, например сваркой золотой проволоки с контактной площадкой 12 (см.фиг.1).Pour liquid nitrogen into the device, thereby changing the temperature of the medium to be measured from the temperature of normal climatic conditions to (-196) о С. The maximum change in the initial output signal U o (t) relative to the voltage U to is measured with a voltmeter. The experimentally determined dependence of the initial sensor output signal upon a sharp change in the temperature of the measured medium from normal to (-196) о С with a constant resistance of the strain-sensitive compensation resistor to zero, is shown in FIG. 5. Pour liquid nitrogen from the device. Withstand the sensor in normal climatic conditions until the sensor completely perceives the temperature in normal climatic conditions. The maximum change in the initial output signal of the sensor is calculated with a sharp change in the temperature of the medium being measured with a constant resistance of the strain-sensitive compensation resistor equal to zero
ΔU 01 (t) = U 0 (t) - Ut 0 (4a)
The required resistance of the strain-sensitive compensation resistor is determined by the relation (1). The strain-sensitive compensation resistor is shorted to the required resistance with a
Если по соотношению (1) получают отрицательный знак сопротивления RK1, то его включают в плечо R3 мостовой схемы. Для этого проводник, идущий с контактной площадки 8, перебрасывают с контакта 9 на контакт 11 технологической колодки 17, а проводник, соединяющий контактную площадку 5 с контактом 11 колодки 17, перекидывают с контакта 11 на контакт 9 технологической колодки 17.If by the relation (1) a negative sign of resistance R K1 is obtained, then it is included in the shoulder R 3 of the bridge circuit. For this, the conductor going from the contact pad 8 is transferred from contact 9 to contact 11 of the
Экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала датчика с включенным тензочувствительным компенсационным резистором, сопротивление которого определено по соотношению (1), приведено на фиг.9. The experimentally determined dependence of the initial output signal of the sensor with the included strain-sensitive compensation resistor, the resistance of which is determined by the relation (1), is shown in Fig. 9.
Из фиг. 9 видно, что аддитивная погрешность датчика при нестационарной температуре (0-80с) не превышает погрешности датчика при стандартной температуре (80с и далее). Размыкают переключатель S1. В нормальных климатических условиях (при замкнутом переключателе S2) по вольтметру измеряют начальный выходной сигнал датчика при полностью закороченном термочувствительном резисторе и постоянной температуре Utо2. Размыкают переключатель S2, включая тем самым в схему моста термочувствительный компенсационный резистор. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал датчика при полностью включенном термочувствительном компенсационном резисторе и постоянной температуре UtK2. Вычисляют изменение начального выходного сигнала датчика при изменении сопротивления термочувствительного компенсационного резистора от нуля до его максимального значения при постоянной температуре по формуле
ΔUt(K2) = Ut02 - Ut
ΔUt (K 2 ) = Ut 02 - Ut
По вольтметру измеряют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика UK2(t) относительно напряжения UtK2.The voltmeter measures the maximum change in the initial output signal of the sensor U K2 (t) relative to the voltage Ut K2 .
Вычисляют максимальное изменение начальнонго выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении термочувствительного компенсаци- онного резистора, равном его максимальному значению, по формуле
ΔU
Выливают жидкий азот из приспособления. Выдерживают датчик в нормальных климатических условиях до полного восприятия датчиком температуры нормальных климатических условий. Замыкают переключатель S2, уменьшая тем самым сопротивление термочувствительного компенсационного резистора до нуля. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал датчика при полностью закороченном термочувствительном резисторе и постоянной темпратуре Uto2.The maximum change in the initial output signal of the sensor is calculated with a sharp change in the temperature of the medium being measured at a constant resistance of the thermosensitive compensation resistor equal to its maximum value, according to the formula
ΔU
Liquid nitrogen is poured from the fixture. They withstand the sensor in normal climatic conditions until the sensor completely accepts the temperature in normal climatic conditions. Switch S2 is closed, thereby reducing the resistance of the thermosensitive compensation resistor to zero. The voltmeter measures the initial output signal of the sensor with a fully shorted temperature-sensitive resistor and a constant temperature Ut o2 .
Заливают жидкий азот в приспособление, изменяя тем самым температуру измеряемой среды от температуры нормальных климатических условий до (-196)оС.Pour liquid nitrogen into the device, thereby changing the temperature of the medium being measured from the temperature of normal climatic conditions to (-196) о С.
По вольтметру измеряют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика Uo2(t) относительно напряжения Uto2. Вычисляют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении термочувствительного компенсационного резистора, равном нулю
ΔU02(t) = U02(t) - Ut02 (4г)
Определяют требуемое сопротивление термочувствительного компенсационного резистора по соотношению (3). Закорачивают термочувствительный компенсационный резистор до требуемого сопротивления перемычкой 21, например, сваркой, (см.фиг.1). Если по соотношению (2) получается отрицательный знак сопротивления RK2, то его включают в плечо R1, перебрасывая соответствующие перемычки как для тензочувствительного компенсационного резистора. Экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала датчика, настроенного по предлагаемому способу, при резком изменении температуры измеряемой среды от нормальной до температуры (-196)оС показана на фиг.6.The voltmeter measures the maximum change in the initial output signal of the sensor U o2 (t) relative to the voltage Ut o2 . The maximum change in the initial output signal of the sensor is calculated with a sharp change in the temperature of the medium being measured at a constant resistance of a thermosensitive compensation resistor equal to zero
ΔU 02 (t) = U 02 (t) - Ut 02 (4g)
The required resistance of the thermosensitive compensation resistor is determined by the relation (3). Short-circuit the temperature-sensitive compensation resistor to the required resistance with a jumper 21, for example, by welding, (see figure 1). If, according to relation (2), a negative sign of resistance R K2 is obtained, then it is included in the shoulder R 1 , transferring the corresponding jumpers as for a strain-sensitive compensation resistor. The experimentally determined dependence of the initial output signal of the sensor tuned by the proposed method, with a sharp change in the temperature of the measured medium from normal to temperature (-196) о С is shown in Fig.6.
После окончательной балансировки датчика экспериментально определенная зависимость начального выходного сигнала датчика, настроенного по предлагаемому способу, приведена на фиг.10. After the final balancing of the sensor, the experimentally determined dependence of the initial output signal of the sensor configured by the proposed method is shown in FIG. 10.
Из фиг. 10 видно, что аддитивная погрешность предлагаемого датчика при нестационарной температуре (0-80с) не превышает погрешности датчика при стационарной температуре (80с и далее) и в 5-10 раз меньше аддитивной погрешности датчика, изготовленного по прототипу. From FIG. 10 shows that the additive error of the proposed sensor at an unsteady temperature (0-80 s) does not exceed the error of the sensor at a stationary temperature (80 s and beyond) and is 5-10 times less than the additive error of the sensor made according to the prototype.
Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемого решения по сравнению с прототипом является уменьшение аддитивной температурной погрешности датчика при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды за счет учета изменения поля температурных деформаций, вызванного изменением температурного поля. Аддитивная температурная погрешность датчиков, изготовленных по прототипу, при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от 25 ± 10 до (-196)оС в несколько раз превышает аддитивную температурную погрешность при стационарной температуре и достигает 16%.Thus, the technical and economic advantage of the proposed solution compared to the prototype is to reduce the additive temperature error of the sensor when exposed to unsteady temperature of the medium being measured by taking into account changes in the field of temperature deformations caused by changes in the temperature field. The additive temperature error of the sensors manufactured according to the prototype when exposed to unsteady temperature of the measured medium from 25 ± 10 to (-196) о С is several times higher than the additive temperature error at a stationary temperature and reaches 16%.
Аддитивная температурная погрешность датчиков, изготовленных по изобретению, при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от 25 ± 10 до (-196)оС не превышает аддитивной температурной погрешности при стационарной температуре и достигает 2,5%.Additive temperature error sensors manufactured according to the invention, when exposed to a non-stationary temperature of the medium from ± 10 to 25 (-196) C does not exceed the additive temperature error during steady temperature and reaches 2.5%.
Claims (3)
где ΔUt(K1); ΔUt(K2) - соответственно изменение начального выходного сигнала при изменении сопротивления тензочувствительного и термочувствительного компенсационного резисторов от нуля до его максимального значения при постоянной температуре;
ΔU01(t); ΔU02(t) - соответственно максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при перепаде температуры от комнатной до минус 196oС при сопротивлении тензочувствительного и термочувствительного компенсационных резисторов, равном нулю;
R и Uп - соответственно сопротивление плеча и напряжение питания мостовой схемы,
после чего закорачивают термочувствительный компенсационный резистор до требуемого сопротивления.2. The way to configure a thin-film pressure sensor, which consists in temporarily introducing two compensation resistors into the bridge circuit, changing the external temperature, determining the initial output signal and changing it from the action of temperature, determining the resistance of these resistors with an initial output signal close to zero, and the final introduction them into a bridge measuring circuit, characterized in that, in order to reduce the additive measurement error, the temperature sensor is completely short-circuited in it an effective compensation resistor and a strain-sensitive compensation resistor and determine the required resistance of the strain-sensitive and heat-sensitive resistors from the ratios
where ΔU t (K 1 ); ΔU t (K 2 ) - respectively, the change in the initial output signal when the resistance of the strain-sensitive and thermosensitive compensation resistors changes from zero to its maximum value at a constant temperature;
ΔU 01 (t); ΔU 02 (t) - respectively, the maximum change in the initial output signal of the sensor when the temperature drops from room temperature to minus 196 o With the resistance of strain-sensitive and thermosensitive compensation resistors equal to zero;
R and U p - respectively, the shoulder resistance and the supply voltage of the bridge circuit,
then short-circuit the thermosensitive compensation resistor to the desired resistance.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU3110850 RU2028584C1 (en) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | Method of tuning thin-film pressure transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU3110850 RU2028584C1 (en) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | Method of tuning thin-film pressure transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2028584C1 true RU2028584C1 (en) | 1995-02-09 |
Family
ID=20928517
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU3110850 RU2028584C1 (en) | 1985-04-01 | 1985-04-01 | Method of tuning thin-film pressure transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2028584C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2801425C1 (en) * | 2023-04-24 | 2023-08-08 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method for adjusting a thin-film pressure sensor |
-
1985
- 1985-04-01 RU SU3110850 patent/RU2028584C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Авторское свидетельство СССР N 501314, кл. G 01L 9/04, 1972. * |
| 2. Патент США N 3303693, кл. G 01L 1/22, 1980. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2801425C1 (en) * | 2023-04-24 | 2023-08-08 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method for adjusting a thin-film pressure sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4500864A (en) | Pressure sensor | |
| US4299130A (en) | Thin film strain gage apparatus with unstrained temperature compensation resistances | |
| US4331035A (en) | Geometric balance adjustment of thin film strain gage sensors | |
| US6003380A (en) | Strain gage pressure sensor wherein a gap is maintained between the diaphragm and the substrate | |
| US4311980A (en) | Device for pressure measurement using a resistor strain gauge | |
| US5154247A (en) | Load cell | |
| US4329878A (en) | Bridge circuit formed of two or more resistance strain gauges | |
| US7934430B2 (en) | Die scale strain gauge | |
| KR100424025B1 (en) | Mechanical-electrical transducer | |
| US5184520A (en) | Load sensor | |
| US5092177A (en) | Device for measuring the deformations of a diaphragm | |
| JP3662018B2 (en) | Pressure sensor for detecting the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine | |
| US3230763A (en) | Semiconductor pressure diaphragm | |
| US3130578A (en) | Strain gauge bridge calibration | |
| US3787764A (en) | Solid dielectric capacitance gauge for measuring fluid pressure having temperature compensation and guard electrode | |
| US5606117A (en) | Pressure sensor for measuring pressure in an internal combustion engine | |
| RU2028584C1 (en) | Method of tuning thin-film pressure transducer | |
| US4442718A (en) | Strain gauge and electric circuit for adjustment and calibration of same | |
| GB2326719A (en) | Force sensitive devices | |
| US3743926A (en) | Fine linearity control in integral silicon transducers | |
| JPH0542613B2 (en) | ||
| JPH08136363A (en) | Load cell and weighing device using the load cell | |
| RU2687307C1 (en) | Integrated pressure converter | |
| RU2244970C1 (en) | Method for manufacturing temperature-compensated resistive-strain sensor | |
| JP2006524795A (en) | High-pressure sensor that measures temperature independently of pressure |