Способ изготовления тензорезисторных чувствительных элементов

 

Способ относится к измерительной технике и может быть использован при изготовлении тензорезисторных датчиков, работающих в условиях нестационарных температур. На поверхности упругого элемента определяют зону деформации от воздействия измеряемого параметра и зону, нечувствительную к измеряемому параметру. Воздействуют на упругий элемент термоударом. Определяют на поверхности упругого элемента температурные поля и поля температурных деформаций. В указанных зонах размещают по два тензорезистора таким образом, чтобы все тензорезисторы находились в равномерных температурных условиях. Тензорезисторы включают в мостовую схему. Способ позволяет компенсировать аддитивную температурную погрешность чувствительного элемента при работе в нестационарных тепловых режимах.

Способ относится к тензорезисторным датчикам механических величин и может быть использован при изготовлении датчиков, работающих в условиях воздействия нестационарных температур.

Известен способ изготовления тензорезистивных чувствительных элементов (прототип авторское свидетельство №1293474), согласно которому для компенсации аддитивной температурной погрешности при работе датчика в условиях воздействия нестационарных температур, все четыре тензорезистора располагаются на упругом элементе в местах, где температура и температурные деформации в каждый момент времени в течение всего времени термоудара имеют одинаковую величину и знак (равномерные температурные условия). При этом выбираются зоны на упругом элементе, чтобы тензорезисторы, находясь в равномерных температурных условиях, одновременно могли воспринимать попарно деформации разного знака от измеряемого параметра. В этом случае все четыре тензорезистора мостовой схемы являются рабочими (воспринимают информационный параметр через деформацию упругого элемента), а в связи с тем, что все они находятся в равномерных температурных условиях, то изменение сопротивлений всех тензорезисторов как от температуры, так и от температурных деформаций упругого элемента в каждый момент воздействия термоудара будут одинаковыми как по знаку, так и по амплитуде (при условии равенства температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) и температурных коэффициентов тензочувствительности (ТКЧ)). Это позволяет, при соединении тензорезисторов в мостовую измерительную цепь, попарно в противолежащие плечи тензорезисторов воспринимающих деформацию одного знака, не только получить выходной сигнал, прямо пропорциональный измеряемому параметру, но и осуществить компенсацию аддитивной температурной погрешности в течение всего времени воздействия термоудара. Это объясняется свойством мостовой схемы вычитать суммы падений напряжений на тензорезисторах, попарно расположенных в противолежащих плечах, тогда из условия баланса мостовой схемы R₁·R₄=R₂·R₃, при одинаковых изменениях сопротивлений всех четырех тензорезисторов мостовой схемы ее баланс не нарушится. Условие же равенства ТКЧ для всех тензорезисторов выполняется с достаточной точностью в связи с тем, что наклеиваемые тензорезисторы, как правило, изготавливаются из одной партии и даже из одной катушки выпуска тензопровода, а тензорезисторы, изготавливаемые по микроэлектронной технологии, выполняются в едином вакуумном цикле из одной навески. Для обеспечения равенства номиналов и ТКС всех тензорезисторов в настоящее время разработано достаточно методов технологических, конструктивных и схемных.

Полученный эффект в прототипе достигается тем, что перед установкой рабочих тензорезисторов на упругий элемент, на технологическом упругом элементе принятой конструкции определяют, например, методом тензометрирования (см. Тихоненков В.А. и др. Влияние конструкции упругого элемента на температурные погрешности тензорезисторного датчика давления. Приборы и системы управления, № 6, 1991 г.) температурные поля и поля температурных деформаций при воздействии термоудара, например, путем воздействия на приемную полость датчика жидкого азота. Одновременно, либо по эпюре деформаций, либо экспериментальным путем, определяют зоны на упругом элементе, в которых имеются деформации разного знака от измеряемого параметра. Находят наличие в обеих зонах деформаций мест, в которых температура и температурные деформации имеют одинаковые значения как по величине, так и по знаку в каждый момент времени действия термоудара (равномерные температурные условия), и наносят в этих местах линии разметки для установки в каждой зоне по два тензорезистора. При сборке рабочего чувствительного элемента производят установку тензорезисторов по линиям разметки с последующим соединением их в мостовую измерительную цепь таким образом, чтобы тензорезисторы, воспринимающие деформацию разного знака, находились в смежных плечах.

Конструктивным исполнением рассмотренного способа изготовления чувствительного элемента является авторское свидетельство №599170. Анализ чувствительного элемента по данному авторскому свидетельству показывает, что для выполнения требования равномерных температурных условий в месте установки тензорезисторов требуется создание довольно сложных в конструктивном исполнении упругих элементов. А это, в свою очередь, не только ограничивает диапазон измерения датчика (данная конструкция рассчитана на средние диапазоны измеряемого давления), но и значительно увеличивает габариты датчика, приводит к неудобству в процессе эксплуатации (глубокое проникновение конструкции датчика в исследуемый объем трубопровода), резко снижает технологичность конструкции датчика.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способов изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, которые бы позволили расширить область использования различных существующих конструктивных исполнений упругих элементов для датчиков работоспособных в нестационарных температурных режимах, что в свою очередь позволяет расширить диапазон измеряемого параметра, минимизировать габаритные размеры и повысить технологичность изготовления датчиков.

Технический результат - расширение диапазона измерения информационного параметра, минимизация габаритных размеров и повышение технологичности в процессе изготовления датчиков.

Указанный технический результат достигается тем, что разработан метод изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, позволяющий расширить перечень упругих элементов и упростить их конструкцию по сравнению с прототипом, использование которых обеспечивает достижение поставленной цели.

При отсутствии на упругом элементе одновременно двух зон с разными знаками деформации от измеряемого параметра, в каждой из которых имеются места для двух тензорезисторов с равномерными температурными условиями при воздействии нестационарных температурных режимов, как относительно друг друга, так и относительно мест в другой зоне деформаций, достаточно определить только одну зону с любым знаком деформации и вторую зону, нечувствительную к измеряемому параметру. При этом обязательным условием остается отыскание места для установки по два тензорезистора в каждую зону, в которых для всех четырех тензорезисторов будет выполняться равномерность температурных условий при воздействии нестационарных температурных режимов. После установки рабочих тензорезисторов по линиям разметки, определенным по результатам экспериментальных исследований зон деформации от измеряемого параметра, температурных полей и полей температурных деформаций, два тензорезистора будут воспринимать деформацию от измеряемого параметра, а два - будут нечувствительными к измеряемому параметру, но все четыре тензорезистора будут находиться в равномерных температурных условиях в течение всего времени воздействия нестационарных температур. Тогда, если собрать из этих тензорезисторов мостовую схему с установкой попарно тензорезисторов, находящихся в одной зоне в противолежащие плечи, можно получить чувствительный элемент с мостовой измерительной цепью, имеющей два рабочих тензорезистора. А в силу того, что все четыре тензорезистора в каждый момент времени воздействия нестационарных температур находятся в равномерных температурных условиях, то изменения их сопротивлений от температурных полей и полей температурных деформаций будет одинаково как по амплитуде, так и по знаку. Это позволяет минимизировать в мостовой схеме аддитивную температурную погрешность при нестационарных температурных режимах. При этом тензорезисторы, расположенные в зоне нечувствительности к измеряемому параметру, играют роль компенсационных элементов для компенсации аддитивной температурной погрешности в нестационарных температурных режимах работы датчика.

Способ осуществляется следующим образом.

С целью расширения области применения существующих конструкций упругих элементов для создания чувствительных элементов, работоспособных в условиях нестационарных тепловых режимах, разработан способ, позволяющий для данных целей использовать упругие элементы, которые не могут иметь две зоны деформации от измеряемого параметра, в которых выполняется требование по равномерности температурных условий при нестационарных тепловых режимах. В частности предлагается способ изготовления чувствительных элементов, на поверхности упругих элементов которых имеется только одна зона деформаций от измеряемого параметра и зона, нечувствительная к измеряемому параметру, в которых конструктивными методами могут быть созданы равномерные температурные условия при работе в нестационарных тепловых режимах.

Примером конструктивного исполнения предлагаемого способа могут служить колпачковые упругие элементы, используемые при измерении давления.

Подобные конструкции в днище колпачка имеют зону деформации от измеряемого параметра только с одним знаком, как для радиальных, так и для окружных деформаций и вторую зону, нечувствительную к измеряемому параметру, для окружных деформаций в месте заделки днища в цилиндрическую часть колпачка. Соответствующими конструктивными решениями, например используя конструктивные методы, изложенные в авторском свидетельстве №599170 можно получить для соответствующих конструктивных исполнений, равномерные температурные условия в обеих зонах деформаций от измеряемого параметра. Определив расчетным или экспериментальным путем эти зоны и определив экспериментальным путем температурные поля и поля температурных деформаций на упругом элементе при воздействии термоудара на его приемную полость, можно выявить места установки тензорезисторов и зафиксировать линиями разметки, по паре в каждой зоне деформаций от измеряемого параметра, в которых они будут находиться в равномерных температурных условиях. Если установить тензорезисторы по линиям разметки, то в каждый момент времени воздействия термоудара их сопротивления будут изменяться в одну сторону и на одинаковую величину. Если собрать из этих тензорезисторов мостовую схему, разместив попарно в противолежащих плечах тензорезисторы, находящиеся в одной зоне деформации от измеряемого параметра, то получим чувствительный элемент с мостовой измерительной цепью с двумя рабочими тензорезисторами. А так как все четыре тензорезистора изменяют свое сопротивление одинаково в каждый момент в течение всего времени термоудара, то произойдет компенсация аддитивной температурной погрешности в нестационарных температурных режимах эксплуатации датчика. При этом тензорезисторы, расположенные в зоне, нечувствительной к измеряемому параметру, будут играть роль компенсационных тензорезисторов для компенсации аддитивной температурной погрешности в нестационарных температурных режимах эксплуатации датчика.

При этом конструкции, основанные на колпачковых упругих элементах, обеспечивают измерение высоких и средних диапазонов измеряемого параметра, высоко технологичны в изготовлении и обладают малыми габаритными размерами по сравнению с конструктивным исполнением по прототипу.

Формула изобретения

Способ изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, заключающийся в том, что на поверхности упругого элемента определяют зоны деформации от измеряемого параметра, воздействуют на упругий элемент термоударом и определяют температурные поля и поля температурных деформаций по его поверхности, определяют как минимум две зоны на упругом элементе, в которых деформации от измеряемого параметра имеют противоположные знаки, в этих зонах определяют сопряженные точки, в которых температура и температурные деформации в каждый момент времени воздействия термоудара имеют одинаковые значения и знак, в этих местах устанавливают по два тензорезистора, которые собирают в мостовую схему таким образом, чтобы тензорезисторы, воспринимающие деформации разного знака, располагались в смежных плечах, отличающийся тем, что на упругом элементе определяют хотя бы одну зону, в которой имеются деформации от измеряемого параметра, и вторую зону, нечувствительную к измеряемому параметру, в этих зонах определяют сопряженные точки, в которых температура и температурные деформации в каждый момент времени в течение всего времени воздействия термоудара имеют одинаковую величину и знак, в этих местах устанавливают по два тензорезистора, которые собирают в мостовую схему таким образом, чтобы каждая пара находилась в противолежащих плечах.