[发明专利]双侧压力传感器

说明书

本发明一般来说涉及压力传感器，具体地说，涉及既可测量高的绝对压力又可测量低的压差的双侧压力传感器。

已用种类繁多的传感器件组成了压差传感器，目前最常用的两种是电容传感器和安装在横梁上的应变仪传感器。电容传感器包括图1所示的三个膜片2、4和6。膜片2和6承受压力P₁和P₂，膜片4（中间的一个）不承受压力。这些膜片之间的体积8和10内填充介电液体。结果，构成了两个可变的电容器，它们能够与电子仪器结合起来形成一个可靠、精确的传感器。这种传感器的问题是很难使其精确度象另一些方法那样理想，而且静压力作用可能也是一个问题（见SAMA标准PMC31.1）。

图2所示的应变仪梁式传感器是另一种常用的压差传感技术。这种传感器包括横梁12，此梁与压力收集膜14联结在一起。该膜把由压力P₁-P₂所产生的力传递给横梁12。于是，该力被转换成由应变仪16测量的应变。最常见的是把这种应变传感器以惠斯顿电桥的形式放置在横梁上，以便电桥的一半承受压缩应变，而另一半测量拉伸应变。这类传感器的常见问题是制造可能非常困难而且成本高。

另一种传感器很少用在压差应用上，这是扁平膜传感器。这种传感器由一扁平圆片构成，该圆片沿直径外边缘被牢固地紧固着。传感器件是某种应变敏感元件，该元件能粘接在膜片上。这类传感器为人们所熟知，最常见的是用于检测测量仪器或在测量高压（通常每平方英吋1000磅）时检测绝对压力（参见Stedman的第3，341，794号，Vick的第3，456，226号以及Von    Vick的第3，505，634号美国专利）。

测量传感器或绝对压力传感器测量的压力范围比压差传感器测量的压力范围高得多。由于扁平膜片的物理特性，大的膜片应力增大，其原因是由于施加压力时材料是拉伸而不是弯曲的。这使传感器在位移相对于膜片的厚度增加时变得更加非线性。当位移-厚度比“K”（称为“K”因子）达到约0.1时，传感器在没有线性补偿的情况，下因性能过于非线性而无法使用了。这种方法只能用于高压的原因是，在测量低压时，必须使膜片上的应变保持在一定的水平，以产生一个足够的输出。要做到这点只有通过：①减少膜片的厚度或②增加膜片的半径。这两种方法均可能增加膜片的“K”因子。结果，，该传感器在用于低压范围时就显示出高的非线性。

扁平膜传感器最常见的安排示于图3。这是把四个应变敏感仪20放置于膜片22的一侧，以响应膜片中心的压缩、径向应变和膜片外缘的拉伸、切向应变。按惠斯顿电桥的形式将这些应变仪联接起来，以便使电桥的相邻臂感受到对传感器输出产生附加影响的符号相反的应变。这种设置产生的问题是放在外缘的应变仪承受的非线性和放在中心的应变仪所承受的不同。这些非线性符号相反，而且其大小随着由电桥产生的取决于“K”因子的非线性输出而改变。

近来，带有网板印刷和烧结的厚膜电阻器的陶瓷膜片作为压力传感器已引起了人们的兴趣（见Prudenziati的第4，311，980号美国专利）。这些陶瓷/厚膜传感器设计的方法与某种传感器非常相似，在这种传感器的前面按惠斯顿电桥的形式排列着电阻器。由于带有金属或硅的膜片，若将此传感器用于较低的压力范围，就必须增加“K”因子以达到足够的输出，这样该传感器就变成非线性的了。

厚膜电阻器的阻值随电阻器面积上的平均应变的影响而改变。和薄膜应变仪或粘接箔片的应变仪不同，厚膜应变仪对垂直应变敏感。这是在Z方向产生的应变，即垂直于膜片表面的应变。正是这个有意义的垂直应变灵敏度对厚膜传感器用于压差测量产生了一个附加的问题。如果象薄膜应变仪那样排列厚膜应变仪，即把两个应变仪放在中心，两个应变仪放在外缘附近，以便产生传感器的最大输出，那么，垂直应变就会变化，这取决于传感器的哪一侧被压。若待测的压力范围刚好集中在零点附近，那么，当压力加在传感器连接着应变仪的哪侧时，产生的输出将相当高。当压力穿过传感器到其另一侧时，输出将减小，所以非线性变得很高。（图4中表示出这一结果）。

使用惠斯顿电桥电路的优点之一是可消除所有相等的作用，所以不影响输出。然而，如果垂直应变灵敏度在各个应变仪之间不是一致的，那么作用就不相等，传感器就会变坏。为了解决这个问题，对于所有应变仪都在传感器一侧的传感器，制造者必须设法控制好垂直灵敏度。