测量流体压力、差压的复合式传感器

　　摘　要　提出了由一只静压和一只差压传感器构成的复合式传感器。介绍了此复合式传感器的结构设计和性能测试结果。并说明了这种新型传感器在实际测量中具有独特的优越性。
　　关键词　静压　差压　传感器

0　引　言
　　在测量管道中流动的气体或汽—液两相流的流量时，流量与管道中流体的静压和流体中节流装置前后的差压有关^［1,2］。在用静压、差压法测流量方面，多单独采用一个静压传感器测出流体静压和一个差压传感器测出流体差压。但在可压缩流体以较高速度流动时，流体中各点压力变化很大。此时，单独静压传感器和差压传感器在引压时存在一些问题，使得测试精度较低。为了提高流量的测量精度，节省传感器所需材料和减轻工作量，本文提出了由静压传感器和差压传感器形成的复合式传感器。

1　复合式压力传感器的结构
　　复合式压力传感器结构如图1所示。

图1　静压、差压复合式传感器结构示意图

　　图中的P′处装静压芯片，Q′处装差压芯片。静压和差压由壳体中心孔1互通，在中心孔1的一侧加一侧孔2，作为差压的一边和静压传感器的引压之用。由于此传感器主要是针对管道而设计的，为防止被测流体与传感器芯片的直接接触所引起的污染、腐蚀及导电等，影响传感器的稳定性、测试精度和使用寿命，在两个引压端均焊有不锈钢类波纹弹性膜片1、2，用以和被测介质相隔离。并将孔和膜片的内空腔充满硅油，以作传压介质用。
　　测试中传感器与管道连接的方式如图1所示。当流体经装有节流装置的管道流过时，流体A点的压力经膜片1由腔内硅油传到静压芯片P的右侧和差压芯片Q的左侧，静压芯片P的左侧与大气相通。所以，芯片P输出信号为A点的静压信号。管道B处的压力经膜片2和腔中硅油传到差压芯片Q右侧。因流体A、B两点压力不同，所以，芯片Q左右两边所受的压力不同，形成一个差压。因而, 芯片Q输出的信号为A、B两点的差压信号。已知静压和节流装置前后的差压，可计算出流体的流量^［1，2］。
　　与单独静压传感器、差压传感器相比较，复合式传感器具有以下优点：
　　(1)提高了测试精度。图2示出了由单个静压、差压传感器测试示意图。差压传感器从A、B两处取压，静压传感器从D处取压，尽管D和A靠得很近，但当流体流动较快时，流场中压力变化较大，所以A、D两处的压力并不相等。另外，两点的密度也不相同。这样就影响了测量精度，而从图1看出，静压传感器和差压传感器一边均是从A处取压，所以复合式传感器在测量取压方面具有较高的精度。
　　(2)装配较简单容易。单独静压、差压两个传感器要装三个引压管，复合式传感器只装两个。
　　(3)传感器少装一个波纹隔离膜。充油方便。节省了材料。减少了工作量。

图2　静压、差压两个传感器取压示意图

2　传感器芯片选择
　　静压芯片和差压芯片均采用半导体压阻式芯片。4个力敏电阻组成一个全桥式电路。
2.1　静压芯片选择
　　静压传感器量程是0～1 MPa。硅片为圆形膜片。其半径为3 mm。厚度为400 μm。P型硼电阻的表面掺杂浓度为1.0×10²⁰/cm³。扩散结深为35 μm。硅片与内径为6 mm的硼硅玻璃用阳极静电键合法粘结，构成静压芯片硅杯。
2.2　差压芯片的选择
　　差压传感器量程是0～50 kPa。差压传感器测小压力，对其灵敏度要求较高。测小压差是在较高静压情况下进行的。因此，膜片不能太薄，以免引起大挠度下非线性效应，或在较大压力波动下膜片被击碎。因此，为了使差压芯片既能耐高压的瞬间冲击，又有较高的灵敏度，采用了矩形双岛硅膜片^［3］。图3是矩形双岛膜片俯视图及应力分布。加在膜片上的应力集中在沟槽上。力敏电阻布置在沟槽内，从而提高了膜片的灵敏度。矩形平膜片和矩形双岛膜片相比在相同信号输出下，双岛膜片厚度可以适当增加，从而提高了膜片的超负载能力。矩形双岛膜片外形尺寸为4 mm×2 mm。硼电阻的表面掺杂浓度为5.0×10¹⁸/cm³，用各向异性腐蚀法获得。为便于与外壳粘接和减小热应力，采用静电键合法用玻璃环将周边加厚。

图3　矩形双岛膜片及应力分布

　　按照设计要求，进行装配。装配完后应在腔内充满硅油，此复合式传感器的充油是采用作者最新研究成果真空循环注油法进行^［4］，取得了满意的结果。

3　测试结果
　　恒压源电压：8.862 V，测试结果见表1、表2、表3。

表1　静压传感器实验数据