CN103837271A

CN103837271A - 用于测量物理量的测量装置

Info

Publication number: CN103837271A
Application number: CN201310757336.8A
Authority: CN
Inventors: R·兹维泽; S·伯韦尔林; S·格伦胡伊岑; W·克莱森
Original assignee: Sensata Technologies Inc
Current assignee: Sensata Technologies Inc
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2014-06-04
Also published as: US20140137654A1; JP2014102252A; KR20140065363A; EP2735855A1

Abstract

本发明公开了一种用于测量物理量的测量装置(100)。该物理量可以是压力和/或作用力。测量装置包括具有膜片区段(102A)的圆形感测结构(102)，当作用到圆形感测结构(102)的力变化时，膜片区段偏转。第一和第二应变计附接至膜片区段。第一应变计构造用于测量膜片区段的第一表面区域中的径向应变。第二应变计构造用于测量膜片区段的第二表面区域中的切向应变。作用到传感结构上的作用力增加导致由第一应变计测量的第一表面区域收缩和由第二应变计测量的第二表面区域拉伸。

Description

用于测量物理量的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量诸如压力和/或作用力这类物理量的测量装置。更具体地，本发明涉及压阻式测量装置。

背景技术

上述类型的测量装置可以从EP1790964A1中获知。该压力测量装置包括圆形感测结构和附接至该检测结构的应变计。该圆形感测结构包括膜片区段，该膜片区段由于作用到圆形感测结构上的流体压力变化而变形。应变计测量膜片区段表面中的依赖于压力的应变。第一应变计构造用于测量膜片区段的第一表面区域中的径向应变。第二应变计构造用于测量膜片区段的第二表面区域中的径向应变。随着作用到检测结构上的压力增大，由第一应变计测量的第一表面区域缩(＝负应变)而由第二应变计测量的第二表面区域拦伸(＝正应变)。第一和第二应变计整合在感测电元件中。两个这种感测电元件附接至圆形感测结构。一个感测元件可在半惠斯通电桥中。各包括一对应变计的两个感测电元件可用在全惠斯通电桥中。

应变计由硅制成，并且其电阻与在表面中测得的应变相关。通过减小感测电元件的尺寸可减少感测电元件的成本。减小尺寸意味着减小两个应变计之间的径向距离，并且两个应变计下方表面区域中的径向应变差将减小。这样降低了感测电元件的灵敏度。

此外，压阻应变计的电阻值非常依赖于温度。感测元件的两个电阻器之间的0.2℃的温差已经导致了1％的全量程误差。在目前的设计中，温差可以达到2℃，这样会导致非常大的误差。通过减小两个应变计之间的径向距离可以减小温差，并且因此可以减小误差。但这以减小灵敏度为代价，因为两个电阻器之间在压力作用下的径向应变会减小。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种改进的用于测量物理量的测量装置，其克服了至少一个上述缺点。物理量可以是压力、作用力或压力和作用力的组合。本发明的另一个目的在于，提供一种测量装置，其具有至少一个以下优点：可靠、制造较便宜、对苛刻的压力介质具有耐久性和坚固性、耐受内燃机中典型的高温和振动。

根据本发明的第一方面，该目的通过具有权利要求1特征的测量装置来达到。实施本发明的有利实施例和进一步方式可通过附属权利要求中提及的措施得到。

根据本发明的测量装置其特征在于，第一应变计测量膜片区段中的径向应变，而第二应变计测量膜片区段的切向应变。

本发明基于这种见解，即当作用到圆形感测结构上的作用力增大时，圆形感测结构上存在拉伸的区域(＝正应变)并且圆形感测结构上还存在收缩的区域(＝负应变)。这种作用力可以具有作用到圆形感测结构上的压力的形式。已发现径向方向上的应变可能会不同于切向方向上的应变。这种见解增加了设计圆形感测结构的自由度和在圆形感测结构上定位应变计的自由度，从而当作用力增加时，一个应变计测量正应变(即拉伸)，而另一个应变计测量负应变(即收缩)。

在一个实施例中，第一应变计中由作用力的预定增加所导致的电阻变化通过以下方程式限定：

ΔR₁＝GF₁×ε^一×R₀

其中，GF₁是应变计灵敏系数，ε-是第一表面中的负应变，并且R₀是应变计的无应变电阻。第二应变计中由作用力的预定增加所导致的电阻变化通过以下方程式限定：

ΔR₂＝GF₂×ε⁺×R₀

其中，GF₂是应变计灵敏系数，ε⁺是第二表面的负应变，并且R₀是应变计的无应变电阻。第一应变计和第二应变计具有以下相互关系：

GF₁×ε^一＝GF₂×ε⁺。

这些特征使得能够提供一对应变计，尽管在表面中的应变可能不同，但却具有可比较的电阻变化。这样可以提高从这对应变计的电阻值中得到的电信号的准确度。

在实施例中，第一应变计以及第二应变计与圆形感测结构的柱轴线具有相等距离。这可以在膜片区段上的表面区域上实现，使得径向方向上的应变与切向方向上的应变相反。圆形结构使得能够从圆形结构的中心轴线以相同的距离附接两个应变计，其中一个应变计在径向方向上测量，而另一个应变计在切向方向上测量。这样还进一步使得两个应变计之间的距离能够最小化，从而在不降低应变计灵敏度的情形下减小两个应变计之间的可能温差。

在实施例中，膜片结构在使用时在径向上包括温度梯度，并且第一和第二应变计彼此之间的平均温差小于0.2℃。这样的特征使得可将电输出信号的热冲击效应减小到全量程的1％以下。

在实施例中，第一应变计和第二应变计具有中点，第一和第二应变计的中点与圆形感测结构的柱轴线具有相等距离。这样的特征减小了两个应变计之间的温差。

在实施例中，第一应变计和第二应变计整合在一个感测元件。这样进一步减小了两个应变计之间的温差。

在另一实施例中，感测电元件具有第一联结路径(bond path)、第二联结路径和第三联结路径。第二联结路径位于第一联结路径和第三联结路径之间。第一应变计的第一部分位于第一联结路径和第二联结路径之间，第一应变计的第二部分位于第二联结路径和第三联结路径之间，第二应变计与第一、第二和第三联结路径的一侧相邻地定位。这些特征使得可以将感测电元件通过与以前使用的导线联结技术一样的方法进行导线联结，但具有减小的尺寸。

在实施例中，该装置进一步包括第三应变计和第四应变计。第三应变计构造用于测量膜片区段的径向应变，而第四应变计构造用于测量膜片区段的切向应变。这些特征能够提高装置的灵敏度。在另一实施例中，第一、第二、第三和第四应变计整合在一个感测元件中。这样的特征能够减少制造成本，却无需牺牲温度灵敏度和信号质量。

在实施例中，圆形感测结构包括外区段和内区段。由于膜片区段的变形，圆形感测结构的内区段能够沿着圆形感测结构的柱轴线相对于外区段运动。已发现这种类型的检测结构的膜片区段表面的径向应变与切向应变相反。这也同样适用于内区段包括通孔的情形。具有更小的感测电元件使得能够可以减小圆形感测结构的尺寸。这样增加了测量装置的适用性。

其它特征和优点将从与以下附图相结合的详细说明而更明显，附图以示例方式示出了实施例的各种特征。

附图说明

下文将根据参考附图的以下说明详细解释本发明的各个方面、属性以及优点，其中类同的附图标记表示类同或类似的部件，其中：

图1示意性地示出了压力测量装置的剖视图；

图2示出了根据第一实施例的圆形感测结构的俯视图；

图3示出了根据第二实施例的圆形感测结构的俯视图；

图4示出了与半径有关的径向应变和切向应变的图表；

图5示出了现有技术的感测电元件；

图6示出了感测电元件的第一实施例；

图7示出了感测电元件的第二实施例；

图8示意性地示出了细合型温度和压力测量装置的剖视图；图9示出了根据第一实施例的图8所示圆形感测结构的俯视图；

图10示出了根据第二实施例的图8所示圆形感测结构的俯视图；

图11示意性地示出了另一压力测量装置的剖视图；和

图12示出了图11所示圆形感测结构的俯视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于测量流体中压力的压力测量装置100的剖视图。流体可以是气体或液体的形式。装置100具有压力测量塞的形式，并包括圆形感测结构102。圆形感测结构102包括具有外螺纹的塞体区段150，所述外螺纹用于将压力测量装置100安装到发动机或设备的孔中。该圆形感测结构进一步包括膜片区段102A。膜片区段102A位于塞体区段150的近侧端部处。塞体区段150包括从近侧端部到远侧端部的通路160。流体的压力通过该通路可作用到膜片区段102A上。应变计120附接至膜片区段102A的外侧。该外侧是膜片区段102A的与该膜片区段接触流体经由通路160的表面相对的表面。

应变计120构造用于测量膜片区段102A的表面中的应变。该应变计可以具有压阻元件的形式。这种类型的应变计比金属应变计具有更高的应变计灵敏系数(GF)。但是，本发明的观点也可应用到具有金属应变计的压力测量装置或作用力测量装置。图5示出了包括两个应变计51、52的现有技术感测电元件50的布局。应变计构造用于测量沿着感测电元件50的长度轴线的应变。三个联结路径50A、50B和50C位于感测电元件的第一应变计51和第二应变计52之间。因为应变计的工作原理是公知的，因此不再进一步详细说明。应变计的特点在于可以测量特定方向上的应变。应变计可以具有微熔硅应变计的形式。在该方法中，硅MEMS应变计元件通过玻璃联结至不锈钢隔膜。感测电元件50的长度为1.56mm(毫米)并且宽度为0.48mm。

图4示出了与半径相关的径向应变和切向应变的图表。正应变是具有正值的应变，并对应于表面中特定方向上的拉伸。负应变是在图表中具有负值的应变，并对应于表面中特定方向上的收缩。当压力作用在膜片区段上时，圆形感测结构中心轴线102B附近的表面在径向和切向上都存在拉伸。还可以进一步看到，径向应变随着半径(即到中心轴线102A的距离)的增加而减小。半径大约为1.2mm处的径向应变几乎为零。之后，应变随着半径的增加而变为负值，即在径向方向上收缩。半径为2mm处的收缩量最大。之后，随着半径的增加，收缩量减少。图4还示出了切向应变随着半径的增加逐渐减小，但却总是正值。

现有技术应变计工作原理是感测电元件的应变计都用于测量径向应变，但在两个不同的半径处测量。图2中示出了图1的圆形感测结构的俯视图，半径用R1和R2表示。图4中示出了由图5所示现有技术MSG(微熔硅应变计)的两个径向应变计测量的半径区域。可以发现，一个应变计测量正应变，并且另一个应变计测量负应变。这两个应变计用于惠斯通电桥的半桥中。

可以进一步发现，可以在直径为1.7mm的位置处用可比较的数值测量到正应变和负应变。这可以通过测量径向应变和切向应变得到。图2示出了现有技术感测电元件的实施例，其中仅有一个应变计用于测量径向应变或切向应变。应变计103和105通过图5所示现有技术感测电元件的一个应变计来测量径向应变。这些现有技术应变计定位成其长度轴线位于径向方向上。应变计104和106通过图5所示现有技术感测电元件的一个应变计来测量切向应变。这些现有技术应变计定位成其长度轴线与径向方向垂直。

图3示出了根据用于图1的检测结构的第二实施例的圆形感测结构的俯视图。这个实施例中的半径R对应于图2中的半径R2。两个感测电元件107附接至膜片区段的表面的半径R处。感测电元件107的布局如图6所示。由第一部分103A和第二部分103B形成的第一应变计测量第一方向上的应变。第二应变计104测量第二方向上的应变。第二方向垂直于第一方向。图4中的“小、型应变计”表示图6所示感测电元件在其上测量径向和切向应变的区域。在切向方向上测量正应变，并在径向方向上测量负应变。

感测电元件107进一步包括第一联结路径107A、第二联结路径107B和第三联结路径107C。第二联结路径位于第一联结路径和第三联结路径之间。第一应变计的第一部分103A位于第一联结路径和第二联结路径之间，第一应变计的第二部分103B位于第二联结路径和第三联结路径之间。第二应变计104与第一、第二和第三联结路径的一侧相邻地定位。感测电元件107的长为0.52mm(毫米)并且宽为0.46mm。联结路径107A、107B和107C具有如图5所示现有技术感测电元件50的联结路径的对应尺寸和位置。这样使得能够对感测电元件采用相同的导线联结技术。感测电元件的尺寸是图5中所示感测电元件尺寸的1/3。这样，使得感测元件能够具有更小的包装和更低的成本价格。

图3中可以看到，两个感测电元件附接至膜片的顶表面，使得第一应变计区域的中点与第二应变计区域的中点位于半径为R的圆上。应变计103和105测量径向应变，并且应变计104和106测量切向应变。这个实施例比起图2所示实施例而言的优点在于它具有更小的热梯度误差。

更小的感测电元件使得能够在几乎一个点中进行测量，并因负的径向应变和正的切向应变的幅度相同而具有可比较的信号幅度。此外，小型应变计设计中的非线性为零，因为惠斯通电桥在压力、作用力或压力和作用力的组合作用到圆形感测元件上时是保持平衡的。

图8示意性地示出了用于测量流体中压力和温度的组合型温度和压力测量装置的剖视图。该测量装置包括附接至带螺纹本体部分81上的圆形感测结构102。圆形感测结构102包括外区段102C和内区段102D，该圆形感测结构允许内区段102D能够通过膜片区段102A的变形而沿着圆形感测结构的柱轴线102B相对于外区段102C运动。具有闭合端部的长形中空主体82附接至内区段102D。温度感测元件83位于长形中空主体82的闭合端部中。圆形感测结构102包括通孔102供温度感测元件的电导线穿过。

图9示出了根据第一实施例的图8所示圆形感测结构的俯视图。在这个实施例中，采用图5所示现有技术感测电元件的布局。对于每个现有技术的感测电元件，只有一个应变计用于测量径向应变或切向应变。应变计103和105测量径向应变。这些现有技术的感测元件定位成其长度轴线位于径向方向上。应变计104和106测量切向应变。这些现有技术的感测元件定位成其长度轴线与径向方向垂直。在这个实施例中，应变计的有效测量区域的中点与圆形感测结构的中心轴线102B的距离为R。

图10示出了根据第二实施例的图8所示圆形感测结构的俯视图。两个感测电元件107附接至膜片区段的表面的半径R处。感测电元件107的布局如图6所示。感测电元件107的第一应变计103和105测量径向应变。感测电元件107的第二应变计104和106测量切向应变。

图11示意性地示出了具有压力测量塞形式的另一压力测量装置的剖视图。该压力测量装置适合用在燃烧发动机中。该装置包括长形的、中空的带螺纹本体部分111。带有连接器的外壳112附接至本体部分111的近侧端部。外壳112容纳有用于处理来自应变计的信号的电子元器件。圆形感测结构102附接至本体部分111的远侧端部。

圆形感测结构102包括外区段102C和内区段102D。当力作用到内区段时，圆形感测结构使得圆形感测结构的内区段102D能够通过膜片区段102A的变形而沿着圆形感测结构的柱轴线102B相对于外区段102C移动。柔性膜片113附接至外区段102和内区段102D。柔性膜片形成密封，保护膜片区段102A抵御苛刻的燃烧气体环境。作用到柔性膜片113和内区段102D上的压力被转换成作用力，该作用力经由内区段12D传递给膜片区段102A，使得膜片区段102A产生变形。

内区段102D包括轴向通路，用于在内区段中放置杆状元件。通过这种方式，可以在压力测量装置上增加第二功能件。第二功能件例如可以是：电热塞、温度传感器。图12示出了图11所示圆形感测结构的俯视图，该圆形感测结构具有图6所示的感测电元件。由于圆形感测元件120的小尺寸，因此不能将现有技术的感测电元件附接至膜片区段102A的表面。两个感测电元件107附接至膜片区段的表面。感测电元件107的第一应变计103和105测量径向方向上的应变。感测电元件107的第二应变计104和106测量切向方向上的应变。

需要注意的是，感测电元件中的应变计具有基本相同的应变计灵敏系数。应变计的应变计灵敏系数(GF)或应变系数是电阻的相对变化与机械应变ε的比率，其中机械应变是在长度上的相对变化。结果，如果第一应变计和第二应变计下方的表面中的机械应变ε在幅度上相等但符号相反，那么惠斯通电桥得以平衡。

由压力、作用力或压力和作用力的组合的预定增加所导致的第一应变计的电阻变化通过以下方程式限定：

ΔR₁＝GF₁×ε^-×R₀

其中，GF₁是应变计灵敏系数，ε^-是第一表面中的负应变，并且R₀是应变计的无应变电阻。由压力、作用力或压力和作用力的组合的预定增加所导致的第二应变计的电阻变化通过以下方程式限定：

ΔR₂＝GF₂×ε⁺×R₀

其中，GF₂是应变计灵敏系数，ε⁺是第二表面的正应变，并且R₀是应变计的无应变电阻。

如果膜片表面上没有区域可用于附接感测电元件来保持ε_radial＝-ε_tangential，则可以调整应变计的应变计灵敏系数，使得第一应变计和第二应变计具有以下相互关系：GF₁×ε^-＝GF₂×ε⁺。在这种情形下，惠斯通电桥得以重新平衡。

图7示出了感测电元件的实施例，其中四个应变计被整合在一起。应变计71和73测量第一方向上的应变。应变计72和74测量第二方向上的应变。第二方向垂直于第一方向。该感测电元件为全惠斯通电桥提供斯有的电阻器。仅需要用四个“联结”导线将四个应变计联接到相应的电子元器件，其中需要六个“联结”导线将具有图5和图6所示的两个应变计的两个感测电元件联接到相应的电子元器件。这能够减小用于测量诸如压力和作用力的物理量的测量装置的制造成本。此外，该“全电桥”设计能够进一步减小温度梯度误差。

通过使用图6和图7所示的感测元件可以在两个垂直方向上进行应变测量，这样允许在膜片区段上的一个点上进行所谓的单点测量。测得的径向和切向应变符号相反。在这种情形下，由于测量径向和切向应变的电阻器具有基本相同的半径以及基本相同的温度，因此热梯度的影响显著减小。

以上所示实施例都是与测量压力物理量相关的测量装置。在图11中所示的测量装置中，作用到圆形感测结构的柔性膜片和内区段上的压力被转换成作用力。作用力是另一种形式的物理量。压力可以被定义为单位面积区域的作用力量。该作用力经由内区段传递给圆形感测结构的膜片区段。该作用力使得膜产生变形，并且该变形通过应变计测量得到。因此，除压力外，圆形感测结构还可用于测量作用力的应用场合中。这类的其它应用场合有：乘客重量传感器、通用重量传感器、踏板作用力传感器、以及力作用到一个特定轴向上的其它任何应用场合。那么，沿着与圆形感测结构的柱轴线平行的轴线的作用力可以经由圆形感测结构的内区段传递给膜片区段。因此，上述的圆形感测结构适合于测量诸如作用力或压力的物理量。如果压力直接作用到膜片区段，该圆形感测结构还可用于测量作用力和压力的组合。如图8所示的圆形感测结构还可用于将作用到圆形感测结构内区段的作用力转换成膜片区段中沿径向方向和切向方向的应变，其中径向应变与切向应变方向相反。

尽管以数个实施例的形式对本发明进行了介绍，可以预料的是本领域技术人员在阅读说明书并且研究附图的基础上容易想出对上述实施例进行的备选方案、修改、置换和等同替换。本发明不局限于图示实施例。可以有不脱离本发明精神的情况下进行变化。

Claims

1.一种用于测量物理量的测量装置(100)，该测量装置包括：

-圆形感测结构(102)，该圆形感测结构具有膜片区段(102A)，该膜片区段通过作用在所述圆形感测结构(102)的作用力变化而偏转；以及，

-附接至所述膜片区段的第一应变计和第二应变计，所述第一应变计构造用于测量所述膜片区段的第一表面区域中的应变，而所述第二应变计构造用于测量所述膜片区段的第二表面区域中的应变，作用在所述圆形感测结构上的作用力增加导致由所述第一应变计测量的所述第一表面区域收缩并导致由所述第二应变计测量的所述第二表面区域拉伸，其特征在于，所述第一应变计(103)测量所述膜片区段中的径向应变，而所述第二应变计(104)测量所述膜片区段中的切向应变。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，所述第一应变计和所述第二应变计是压阻元件。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的测量装置，其中，由作用力的预定增加所导致的所述第一应变计中的电阻变化通过以下方程式限定：

ΔR₁＝GF₁×ε^-×R₀

其中，GF₁是应变计灵敏系数，ε^-是所述第一表面中的负应变，并且R₀是应变计的无应变电阻，并且

由作用力的预定增加所导致的所述第二应变计中的电阻变化通过以下方程式限定：

ΔR₂＝GF₂×ε⁺×R₀

其中，GF₂是应变计灵敏系数，ε⁺是所这第二表面中的正应变，并且R₀是应变计的无应变电阻，所述第一应变计和所述第二应变计具有以下相互关系：

GF₁×ε^-＝GF₂×ε⁺。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的测量装置，其中，所述第一应变计和所述第二应变计与所述圆形感测结构的柱轴线具有相等距离R2。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的测量装置，其中，所述膜片结构在使用时沿径向具有温度梯度，并且所述第一应变计和所述第二应变计彼此之间的平均温差小于0.2℃。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的测量装置，其中，所述第一应变计(103)和所述第二应变计(104)具有中点，所述第一应变计和所述第二应变计的中点与所述圆形感测结构的柱轴线(102B)具有相等的距离(R2)。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的测量装置，其中，所述第一应变计和所述第二应变计整合在一个感测元件(107)中。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其中，所述感测元件包括第一联结路径(107A)、第二联结路径(107B)和第三联结路径(107C)，所述第二联结路径位于所述第一联结路径和所述第三联结路径之间，所述第一应变计的第一部分(103A)位于所述第一联结路径和所述第二联结路径之间，所述第一应变计的第二部分(103B)位于所述第二联结路径和所述第三联结路径之间，所述第二应变计(104)与所述第一联结路径、所述第二联结路径和所述第三联结路径的一侧相邻地定位。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的测量装置，该装置进一步包括第三应变计(105)和第四应变计(106)，其中，所述第三应变计构造用于测量所述膜片区段中的径向应变，而所述第四应变计构造用于测量所述膜片区段中的切向应变。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其中，所述第一应变计、所述第二应变计、所述第三应变计和所述第四应变计整合在一个感测元件中。

11.根据权利要求1-10中任意一项所述的测量装置，其中，所述应变计是微熔硅应变计。

12.根据权利要求1-11中任意一项所述的测量装置，其中，所述圆形感测结构(102)包括外区段(102C)和内区段(102D)，，所述圆形感测结构允许所述内区段(102D)通过所述膜片区段(102A)的变形而沿着所述圆形感测结构(102)的柱轴线(102B)相对于所述外区段(102C)运动。

13.根据权利要求12所述的测量装置，其中，所述内区段(102D)包括通孔(102E)。

14.根据权利要求1-13中任意一项所述的测量装置，其中，所述物理量是作用到所述圆形感测结构上的压力和/或作用力。