RU2464538C1 - Pressure sensor - Google Patents
Pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2464538C1 RU2464538C1 RU2011126870/28A RU2011126870A RU2464538C1 RU 2464538 C1 RU2464538 C1 RU 2464538C1 RU 2011126870/28 A RU2011126870/28 A RU 2011126870/28A RU 2011126870 A RU2011126870 A RU 2011126870A RU 2464538 C1 RU2464538 C1 RU 2464538C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bridge circuit
- strain
- tensoresistors
- membrane
- bridge
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в широком диапазоне температур.The invention relates to instrumentation and can be used to measure pressure with increased accuracy in a wide temperature range.
Известен датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы тензорезисторы, соединенные в два измерительных моста, выполненные с одинаковой топологией, из одного и того же материала, при этом мостовые схемы соединены встречно и скоммутированы таким образом, что имеют противоположное чередование тензорезисторов в части знака изменения их сопротивлений при воздействии давления [1].A pressure sensor is known, comprising a housing with a membrane fixed in it, on which strain gages are formed, connected to two measuring bridges made with the same topology, from the same material, while the bridge circuits are connected in the opposite direction and connected in such a way that they have the opposite alternation strain gauges in terms of the sign of changes in their resistance when exposed to pressure [1].
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара).The disadvantage of this device is the low measurement accuracy under the influence of unsteady temperature of the measured medium (thermal shock).
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, выполненной за одно целое с утолщенным периферийным участком и жестким центром. На поверхности мембраны размещен измерительный мост из тензорезисторов, выполненных в виде множества идентичных тензоэлементов, соединенных низкоомными перемычками в окружном и радиальном направлениях. При этом половина каждого тензорезистора размещена около утолщенного периферийного участка, а половина - около жесткого центра [2].Closest to the proposed technical essence is a pressure sensor containing a housing with a membrane fixed therein, made in one piece with a thickened peripheral section and a rigid center. On the membrane surface there is a measuring bridge made of strain gauges made in the form of many identical strain gauges connected by low-resistance jumpers in the circumferential and radial directions. At the same time, half of each strain gauge is located near the thickened peripheral section, and half is near the rigid center [2].
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений, обусловленная неполной температурной компенсацией во всем рабочем диапазоне стационарных температур. Это связано с нелинейной температурной зависимостью выходного сигнала, вследствие чего температурную зависимость удается скомпенсировать на определенно узком температурном участке.The disadvantage of this device is the low measurement accuracy due to incomplete temperature compensation in the entire operating range of stationary temperatures. This is due to the nonlinear temperature dependence of the output signal, as a result of which the temperature dependence can be compensated for in a definitely narrow temperature range.
Цель изобретения - повышение точности измерения давления во всем рабочем диапазоне температур.The purpose of the invention is to improve the accuracy of pressure measurement over the entire operating temperature range.
Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, мембрану радиуса r1, выполненную с жестким центром радиуса r2 и утолщенным периферийным основанием, выполненным за одно целое с корпусом, размещенные по планарной поверхности мембраны контактные площадки и тензорезисторы, выполненные в виде множества идентичных тензоэлементов, при этом часть тензорезисторов соединена низкоомными перемычками в радиальном направлении, а часть - соединена низкоомными перемычками в окружном направлении, размещены по периферии мембраны и по периметру жесткого центра, согласно изобретению тензорезисторы соединены в две мостовые схемы, при этом одна мостовая схема расположена по периметру утолщенного периферийного основания, а вторая - по периметру жесткого центра, при этом тензорезисторы первой мостовой схемы, соединенные в радиальном направлении, расположены напротив соединенных в радиальном направлении тензорезисторов второй мостовой схемы, а тензорезисторы первой мостовой схемы, соединенные в окружном направлении, расположены напротив тензорезисторв, соединенных в окружном направлении второй мостовой схемы. Мостовые схемы диагоналями питания подключены к общим контактным площадкам, а выходные диагонали соединены встречно, при этом размеры сторон резистивных тензоэлементов радиальных и окружных тензорезисторов одинаковы. Все тензоэлементы первой мостовой схемы своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и периферийного основания, а все резистивные тензоэлементы второй мостовой схемы своими наиболее близкими от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и жесткого центра, при этом тензорезисторы выполнены из одного и того же материала в едином технологическом процессе.This goal is achieved by the fact that in the pressure sensor containing the housing, a membrane of radius r 1 , made with a rigid center of radius r 2 and a thickened peripheral base made in one piece with the housing, contact pads and strain gauges placed on the planar surface of the membrane, made in the form many identical strain gauges, while some of the strain gages are connected by low-resistance jumpers in the radial direction, and some are connected by low-resistance jumpers in the circumferential direction, located at the periphery of the gages and along the perimeter of the rigid center, according to the invention, the strain gages are connected in two bridge circuits, while one bridge circuit is located around the perimeter of the thickened peripheral base, and the second is along the perimeter of the hard center, while the strain gauges of the first bridge circuit connected in the radial direction are opposite connected in the radial direction of the strain gages of the second bridge circuit, and the strain gauges of the first bridge circuit, connected in the circumferential direction, are located opposite the strain gages, with of the connections in the circumferential direction of the second bridge circuit. The bridge circuits with power diagonals are connected to common pads, and the output diagonals are connected in the opposite direction, while the dimensions of the sides of the resistive strain elements of the radial and circumferential strain gages are the same. All the strain gauges of the first bridge circuit with their vertices farthest from the center of the membrane touch the interface between the membrane and the peripheral base, and all the resistive tensile elements of the second bridge circuit with their closest vertices from the center of the membrane touch the interface of the membrane and the rigid center, while the strain gauges are made of the same the same material in a single technological process.
На фиг.1 изображен разрез А-А тензорезистивного датчика давления, на фиг.2 - схема расположения тензорезисторов и контактных площадок на поверхности мембраны тензорезистивного датчика давления, на фиг.3 - электрическая схема соединения мостовых схем.Figure 1 shows a section aa of the strain gauge pressure sensor, figure 2 - arrangement of strain gauges and contact pads on the surface of the membrane of the strain gauge pressure sensor, figure 3 - electrical connection diagram of the bridge circuits.
Датчик включает мембрану 1 радиуса r1, жесткий центр 2 радиуса r2, периферийное основание 3, контактные площадки 4, 5, 6, тензорезисторы первой мостовой схемы R1-R4, тензорезисторы второй мостовой схемы R5-R8.The sensor includes a
Тензорезисторы R1, R3 первой мостовой схемы соединены в радиальном направлении и расположены напротив соединенных в радиальном направлении тензорезисторов R5, R7 второй мостовой схемы, а тензорезисторы R2, R4 первой мостовой схемы соединены в окружном направлении и расположены напротив соединенных в окружном направлении тензорезисторов R6, R8 второй мостовой схемы.The strain gages R1, R3 of the first bridge circuit are connected in a radial direction and are located opposite the radially connected strain gages R5, R7 of the second bridge circuit, and the strain gauges R2, R4 of the first bridge circuit are connected in the circumferential direction and opposite the second strain gauges R6, R8 of the second connected bridge circuit.
Контактные площадки (4) являются общими для обеих мостовых схем и служат для подключения к источнику питания. Контактные площадки (5) первой мостовой схемы и (6) второй мостовой схемы служат для подключения к регистрирующей аппаратуре.Contact pads (4) are common to both bridge circuits and are used to connect to a power source. Contact pads (5) of the first bridge circuit and (6) of the second bridge circuit are used to connect to the recording equipment.
Выходные диагонали мостовых схем посредством внешнего монтажа соединены встречно. При таком соединении тензорезисторы с отрицательным знаком изменения сопротивлений первой мостовой схемы подключены параллельно тензорезисторам с отрицательным знаком изменения сопротивлений второй мостовой схемы (R1||R6; R3||R8), тензорезисторы с положительным знаком изменения сопротивлений первой мостовой схемы подключены параллельно тензорезисторам с положительным знаком изменения сопротивлений второй мостовой схемы (R2||R5; R4||R7).The output diagonals of the bridge circuits are connected in the opposite way through external mounting. With this connection, strain gages with a negative sign of resistance changes of the first bridge circuit are connected in parallel to strain gages with a negative sign of resistance changes of the second bridge circuit (R1 || R6; R3 || R8), strain gages with a positive sign of resistance change of the first bridge circuit are connected in parallel with strain gauges with a positive sign changes in the resistances of the second bridge circuit (R2 || R5; R4 || R7).
Так как мостовые схемы расположены в противоположных зонах деформации мембраны, то при воздействии давления тензорезисторы R1, R3 первой мостовой схемы уменьшают свое сопротивление, а тензорезисторы R2, R4 увеличивают свое сопротивление; тензорезисторы R5, R7 второй мостовой схемы в данном случае увеличивают свое сопротивление, а тензорезисторы R6, R8 уменьшают свое сопротивление.Since the bridge circuits are located in opposite zones of the membrane deformation, under the influence of pressure, the strain gauges R1, R3 of the first bridge circuit decrease their resistance, and the strain gauges R2, R4 increase their resistance; strain gauges R5, R7 of the second bridge circuit in this case increase their resistance, and strain gauges R6, R8 reduce their resistance.
Датчик работает следующим образом.The sensor operates as follows.
При подаче напряжения питания на мостовые схемы на их выходных диагоналях возникают начальные выходные сигналы. Так как выходные диагонали мостовых схем включены встречно, то начальные выходные сигналы их вычитаются и на выходе получается разностный сигнал, в идеальном случае равный нулю.When a supply voltage is applied to the bridge circuits, initial output signals appear on their output diagonals. Since the output diagonals of the bridge circuits are turned on in the opposite direction, their initial output signals are subtracted and a difference signal is obtained at the output, ideally equal to zero.
При воздействии измеряемого давления на воспринимающую мембрану (1) последняя прогибается. Тензорезисторы (R1-R8) испытывают деформацию. Вследствие этого, на выходах (7, 8) мостовых измерительных схем появляются выходные сигналы. Ввиду того, что тензорезисторы (R1-R8) мостовых схем, подключенные встречно, соединены между собой с одинаковым знаком изменения сопротивления, вычитание выходных сигналов не происходит и на выходе объединенных выходных диагоналей (7) выходной сигнал имеет величину, равную величине выходного сигнала одной мостовой схемы.Under the influence of the measured pressure on the receiving membrane (1), the latter bends. Strain gages (R1-R8) are deformed. As a result, output signals appear at the outputs (7, 8) of the bridge measurement circuits. Due to the fact that the strain gauges (R1-R8) of the bridge circuits connected in the opposite direction are interconnected with the same sign of resistance change, the output signals are not subtracted and the output signal at the output of the combined output diagonals (7) is equal to the value of the output signal of one bridge scheme.
При влиянии на мостовые схемы температуры их начальные выходные сигналы изменяются. Так как тензорезисторы (R1-R8) обеих мостовых схем выполнены из одного и того же материала в едином технологическом цикле, то нелинейный характер изменения начальных выходных сигналов обеих мостовых схем во всем температурном диапазоне будет иметь одинаковое значение, и следовательно, при вычитании их друг из друга нелинейный характер температурной погрешности начальных выходных сигналов обеих мостовых схем взаимно компенсируется и изменение результирующего начального выходного сигнала от температуры во всем рабочем диапазоне будет иметь линейный характер, что позволит повысить точность измерения давления за счет более полной компенсации температурной погрешности начального выходного сигнала.When temperature is affected by bridge circuits, their initial output signals change. Since the strain gauges (R1-R8) of both bridge circuits are made of the same material in a single technological cycle, the nonlinear nature of the change in the initial output signals of both bridge circuits in the entire temperature range will have the same value, and therefore, when subtracting them from each the nonlinear nature of the temperature error of the initial output signals of both bridge circuits is mutually compensated and the change in the resulting initial output signal from the temperature in the entire operating range will be et linear character, which will improve the accuracy of the pressure measurement due to more complete compensation of the temperature error of the initial output signal.
При эксплуатации датчика в условиях воздействия быстропеременных температур, т.е. при воздействии термоудара на мембрану (1), изменяется сопротивление тензорезисторов (R1-R8), а следовательно, изменяется величина сопротивлений плеч мостов. Величина изменений сопротивлений от температуры пропорциональна изменению температуры в любой момент времени.When operating the sensor under the influence of rapidly varying temperatures, i.e. when a thermal shock acts on the membrane (1), the resistance of the strain gauges (R1-R8) changes, and therefore, the resistance value of the bridge arms changes. The magnitude of changes in resistance to temperature is proportional to the change in temperature at any given time.
В связи с тем, что размеры резистивных тензоэлементов радиальных (R1, R3, R6, R8) и окружных (R2, R4, R5, R7) тензорезисторов в мостовых схемах одинаковы, а все тензоэлементы первой мостовой схемы своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и периферийного основания, а все резистивные тензоэлементы второй мостовой схемы своими наиболее близкими от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и жесткого центра, то несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарный стороне мембраны (1) температура резистивных тензоэлементов окружных (R2, R4, R5, R7) и радиальных (R1, R3, R6, R8) тензорезисторов в каждой мостовой схеме, изменяясь со временем, будет одинакова в каждый конкретный момент времени.Due to the fact that the dimensions of the resistive strain gages of the radial (R1, R3, R6, R8) and circumferential (R2, R4, R5, R7) strain gages in the bridge circuits are the same, and all the strain elements of the first bridge circuit with their vertices farthest from the center of the membrane touch the interface between the membrane and the peripheral base, and all resistive strain elements of the second bridge circuit, with their vertices closest to the center of the membrane, touch the interface between the membrane and the rigid center, despite the unsteady nature of the temperature change by a planar On the membrane side (1), the temperature of the resistive strain elements of the circumferential (R2, R4, R5, R7) and radial (R1, R3, R6, R8) strain gauges in each bridge circuit, varying with time, will be the same at each particular point in time.
Одинаковая температура окружных и радиальных тензорезисторов (R1-R4) первой мостовой схемы, прилегающих к периферийному основанию (3), вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения в мостовую схему взаимно компенсируются.The same temperature of the circumferential and radial strain gauges (R1-R4) of the first bridge circuit adjacent to the peripheral base (3) causes the same resistance changes of the strain gauges, which are mutually compensated due to the inclusion in the bridge circuit.
Температура окружных и радиальных тензорезисторов (R5-R8) второй мостовой схемы, прилегающих к жесткому центру (2), вследствие идентичности условий отвода тепла от саморазогрева резистивных тензоэлементов также одинакова. Одинаковая температура окружных и радиальных тензорезисторов вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения в мостовую схему также взаимно компенсируются.The temperature of the circumferential and radial strain gauges (R5-R8) of the second bridge circuit adjacent to the rigid center (2), due to the identical conditions of heat removal from self-heating of resistive strain gauges, is also the same. The same temperature of the circumferential and radial strain gauges causes the same resistance changes of the strain gauges, which, due to the inclusion in the bridge circuit, are also mutually compensated.
Следовательно, температурная погрешность обеих измерительных мостовых схем при воздействии нестационарной температуры будет скомпенсирована.Consequently, the temperature error of both measuring bridge circuits under the influence of unsteady temperature will be compensated.
Таким образом, применение данного технического решения позволяет с высокой точностью проводить измерение давления не только при воздействии стационарных температур, но также и при воздействии термоудара.Thus, the use of this technical solution allows high precision measurement of pressure not only when exposed to stationary temperatures, but also when exposed to thermal shock.
Источники информацииInformation sources
1. Патент №2377517 C1 "Датчик давления" Приоритет 15.09.2008, опубликован 27.12.2009, Бюл. №36.1. Patent No. 2377517 C1 "Pressure sensor" Priority September 15, 2008, published December 27, 2009, Bull. Number 36.
2. AC №1712802 A1 "Датчик давления" Приоритет 13.02.89, опубликован 15.02.92, Бюл. №6.2. AC No. 1712802 A1 "Pressure sensor" Priority 13.02.89, published 02.15.92, Bull. No. 6.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011126870/28A RU2464538C1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011126870/28A RU2464538C1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | Pressure sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2464538C1 true RU2464538C1 (en) | 2012-10-20 |
Family
ID=47145487
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011126870/28A RU2464538C1 (en) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | Pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2464538C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU208475U1 (en) * | 2021-09-22 | 2021-12-21 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Capacitive pressure sensor |
| RU2805781C1 (en) * | 2023-05-25 | 2023-10-24 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Pressure sensor |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1431039A (en) * | 1972-05-25 | 1976-04-07 | Emi Ltd | Pressure transducer arrangements |
| SU1675702A1 (en) * | 1989-01-13 | 1991-09-07 | Предприятие П/Я А-1891 | Pressure pickup |
| SU1712802A1 (en) * | 1989-02-13 | 1992-02-15 | Предприятие П/Я А-1891 | Pressure pickup |
| SU1744530A1 (en) * | 1989-02-13 | 1992-06-30 | Предприятие П/Я А-1891 | Pressure transducer |
| US5349867A (en) * | 1991-12-02 | 1994-09-27 | Kavlico Corporation | Sensitive resistive pressure transducer |
| DE19754613A1 (en) * | 1996-12-10 | 1998-06-18 | Nok Corp | Pressure sensor with diaphragm responding to pressure and four strain gauge units esp. for vehicle hydraulic braking system |
| RU2345341C1 (en) * | 2007-06-19 | 2009-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт физических измерений | Thin-film data unit of pressure |
-
2011
- 2011-06-29 RU RU2011126870/28A patent/RU2464538C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1431039A (en) * | 1972-05-25 | 1976-04-07 | Emi Ltd | Pressure transducer arrangements |
| SU1675702A1 (en) * | 1989-01-13 | 1991-09-07 | Предприятие П/Я А-1891 | Pressure pickup |
| SU1712802A1 (en) * | 1989-02-13 | 1992-02-15 | Предприятие П/Я А-1891 | Pressure pickup |
| SU1744530A1 (en) * | 1989-02-13 | 1992-06-30 | Предприятие П/Я А-1891 | Pressure transducer |
| US5349867A (en) * | 1991-12-02 | 1994-09-27 | Kavlico Corporation | Sensitive resistive pressure transducer |
| DE19754613A1 (en) * | 1996-12-10 | 1998-06-18 | Nok Corp | Pressure sensor with diaphragm responding to pressure and four strain gauge units esp. for vehicle hydraulic braking system |
| RU2345341C1 (en) * | 2007-06-19 | 2009-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт физических измерений | Thin-film data unit of pressure |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU208475U1 (en) * | 2021-09-22 | 2021-12-21 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Capacitive pressure sensor |
| RU2805781C1 (en) * | 2023-05-25 | 2023-10-24 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Pressure sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104019931B (en) | A kind of determine horizontal centre-point load under the method for annular prestressed film maximum stress | |
| CN102368086B (en) | Wheatstone bridge compensation resistance test method | |
| CN106198611B (en) | Composite panel coefficient of thermal expansion computational methods based on fibre strain transition matrix | |
| CN108759652B (en) | A kind of curvature measurement method based on favour stone full-bridge principle | |
| RU2312319C2 (en) | Thin-film pressure gage | |
| RU2464538C1 (en) | Pressure sensor | |
| CN103983179A (en) | Battery thickness change detecting device and battery safety detecting and judging method | |
| CN207231625U (en) | Weighing sensor | |
| RU2805781C1 (en) | Pressure sensor | |
| RU2399030C1 (en) | Thin-film pressure sensor | |
| RU2377517C1 (en) | Pressure gauge | |
| RU2398196C1 (en) | Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
| JP2012207960A (en) | Strain gauge | |
| SU1615578A1 (en) | Pressure-transducer | |
| RU2601613C1 (en) | Thermally stable pressure sensor based on nano-and micro-electromechanical system with membrane having rigid centre | |
| RU2463570C1 (en) | Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system | |
| CN102052985A (en) | MEMS cylinder-type high-temperature and superhigh-pressure resistant sensor | |
| RU2395060C1 (en) | Frequency converter for disbalance signal of strain gauge bridge with low temperature error | |
| RU2261420C1 (en) | Thin-filmed pressure transducer | |
| SU1712802A1 (en) | Pressure pickup | |
| SU1744530A1 (en) | Pressure transducer | |
| CN104155024A (en) | Ultra-low-power high-precision standard digital thermometer stabilizing circuit and error correcting method | |
| RU2472125C1 (en) | Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system | |
| RU132539U1 (en) | BRIDGE PRESSURE TENSOR CONVERTER TYPE | |
| RU2342642C1 (en) | Pressure detector |