专利名称：复合压阻式土应力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合土应力传感器，特别是涉及一种复合硅压阻式土应力传感器技术。
背景技术：
所谓的土应力就是指土体(包括土壤、沙石、混凝土、山体、水坝的坝基、桥梁的桥基、道路的路基、楼房的房基等)在受到重物(包括楼房、桥梁、水库的蓄水、公路上的车辆等)的压迫、在其内部产生的应力。随着科学技术的发展，尤其是建筑业的发展，促使人们对土体承载能力、土壤与结构物相互作用关系产生极大兴趣。这就提出了如何准确地测量土应力问题。
国外早在1913年前后就着手研究土应力的测量，后来发展到各主要国家的运输、水道、建筑、桥梁、工程、大学等部门都设立了相关的研究机构。国内大约从六十年代初期才着手研制，目前从土应力传感器原理、结构形式来说有活塞式、变电阻式、变电容式、变磁阻式、压电式、压磁式、振弦式等。
硅压阻式压力传感器诞生于20世纪50年代，以后随着集成电路技术的成熟而开始实用化，随着它的设计技术、信息处理技术和微机械加工技术的发展而不断扩大其应用领域。本发明就是将成熟的硅压阻式压力传感器引入土应力研究领域，制作了复合压阻式土应力传感器。一般的土壤或多或少的含有水分，所以通常的土应力传感器所测量的结果是土壤的应力和土壤中水分对传感器所造成的压强之和；称为总应力；由于各地、各地的不同时期土壤中所含的水份是不同的，所以用总应力不能代表有效应力，这就需要同时测量土壤中的渗透水压力，该复合压阻式土应力传感器兼有同时测量总应力和渗透水压力的复合传感器，可以较好的满足这一需求。
发明内容
本发明就是将成熟的硅压阻式敏感元件引入到土应力力学研究领域，制作了复合压阻式土应力传感器，本发明提供了一种复合压阻式土应力传感器，它的优点在于它可以更准确地测量土体的有效应力，并采用集成电路技术和模块化技术来大批量生产，具有一致性好、廉价、低频特性好、信号处理简单、方便等特点。
本发明的技术方案是这样实现的一种复合压阻式土应力传感器，由传感器壳体、分别设置于该壳体的用于感受土体应力的应力敏感组件和用于测量渗透水的水压敏感组件组成，其中1)该应力敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅敏感芯片，该应力敏感组件受压面面对该壳体的正面，该壳体的正面外侧焊固有感受土应力的弹性体，并与该应力敏感组件受压面之间形成的密封腔体填充有压力传递介质；2)该水压敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅敏感芯片，该水压敏感组件受压面面对该壳体的背面，位于该水压敏感组件受压面的该壳体背面部位安装有透水石。
作为本发明的进一步改进，该传感器壳体为呈扁平状的铲形壳体。
作为本发明的进一步改进，该应力敏感组件还包括玻璃环、转接板和应力模块壳体，该应力模块壳体旋固于该铲形壳体背面并且具有连通该压力传递介质的台阶中心孔，该硅敏感芯片背压面通过该玻璃环密封固定于该应力模块壳体之台阶中心孔内侧，该硅敏感芯片上的压力应变电阻通过金丝内引线连接到固定于该台阶中心孔外侧的该转接板后，外接引出电缆，该引出电缆经设于该转接板上的信号调理电路后外接输出电缆。
作为本发明的进一步改进，该压力传递介质为硅油，该铲形壳体的背面设有填充该硅油的充油机构，该充油机构为充油通道和密封塞，该充油通道连通到该弹性体与该应力敏感组件受压面之间形成的密封腔体。
作为本发明的进一步改进，该水压敏感组件还包括玻璃环和环行转接板，该水压敏感组件固定于该铲形壳体背面的台阶孔内，该硅敏感芯片的背压面通过该玻璃环密封固定于该台阶孔内侧而其受压面通过该环行转接板和透水石连通被侧介质，该硅敏感芯片之压力应变电阻通过金丝内引线连接到固定于该台阶孔外侧的该转接板后，外接引出电缆，该引出电缆经设于该环行转接板上的信号调理电路后外接输出电缆。
作为本发明的进一步改进，该透水石的外侧设有保护衬板，该保护衬板通过螺钉旋固在该铲型壳体背面，相对该透水石，该保护衬板上设有花型小孔便于该透水石渗透水。
作为本发明的进一步改进，该应力敏感组件和该水压敏感组件分别设有温度补偿，该温度补偿为焊接在相应转接板上的调整电阻。
作为本发明的进一步改进，该应力敏感组件和该水压敏感组件中的信号调理电路具有0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC标准的传感器输出信号。
作为本发明的进一步改进，该传感器壳体为不锈钢材质制成。
本发明的有益技术效果由于复合土应力传感器的两个敏感组件模块均采用单晶硅制作的全桥芯片作为本发明的敏感元件，可以通过特殊的组装结构来实现土应力传感器的复合化；可以通过特殊设计来提高它的稳定特性；通过一种称作齐平焊接的方法将传感器壳体和感受应力的弹性体组装成一体，为了减少温度变化对传感器特性的影响，对敏感元件进行温度补偿，来提高传感器的精度，可以在壳体后部装配信号调理的电路，使之形成标准化输出。
图1为本发明的整体结构示意图；图2为图1中A部分的放大结构示意图；图3为图1中B部分的放大结构示意图；图4为本发明中所述的充油机构结构示意图；图5为本发明中所述保护衬板的结构示意图。
对照图1至图5作以下说明1-铲形壳体9-应力模块壳体2-弹性体 11-透水石3-压力传递介质13-密封塞4-保护衬板51、52-硅敏感芯片 14-充油通道61、62-玻璃环71、72-金丝内引线 16-连接杆81、82-转接板 17-电缆具体实施方式
以下结合图1至图5作进一步描述一种复合压阻式土应力传感器，由传感器壳体、分别设置于该壳体的用于感受土体应力的应力敏感组件和用于测量渗透水的水压敏感组件组成，其中该传感器壳体为呈扁平状的不锈钢铲形壳体1；该应力敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅敏感芯片51，该应力敏感组件受压面面对该铲形壳体的正面，该铲形壳体的正面外侧焊固有感受土应力的弹性体2，并与该应力敏感组件受压面之间形成的密封腔体填充有压力传递介质3；该水压敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅敏感芯片52，该水压敏感组件受压面面对该铲形壳体的背面，位于该水压敏感组件受压面的该铲形壳体背面部位安装有透水石。
该应力敏感组件还包括玻璃环61、转接板81和应力模块壳体9，该应力模块壳体9旋固于该铲形壳体1背面并且具有连通该压力传递介质3的台阶中心孔，该硅敏感芯片51背压面通过该玻璃环61密封固定于该应力模块壳体之台阶中心孔内侧，该硅敏感芯片51上的压力应变电阻通过金丝内引线71连接到固定于该台阶中心孔外侧的该转接板81后，外接引出电缆，该引出电缆经设于该转接板81上的信号调理电路后外接输出电缆17。
该压力传递介质3为硅油，该铲形壳体的背面设有填充该硅油的充油机构，该充油机构为充油通道14和密封塞13，该充油通道连通到该弹性体2与该应力敏感组件受压面之间形成的密封腔体。
该水压敏感组件还包括玻璃环62和环行转接板82，该水压敏感组件固定于该铲形壳体背面的台阶孔内，该硅敏感芯片52的背压面通过该玻璃环62密封固定于该台阶孔内侧而其受压面通过该环行转接板82和透水石11连通被侧介质，该硅敏感芯片52之压力应变电阻通过金丝内引线72连接到固定于该台阶孔外侧的该转接板82后，外接引出电缆，该引出电缆经设于该环行转接板82上的信号调理电路后外接输出电缆17。
该透水石11的外侧设有保护衬板4，该保护衬板通过螺钉旋固在该铲型壳体1背面，相对该透水石11，该保护衬板上设有花型小孔41便于该透水石渗透水。
该应力敏感组件和该水压敏感组件分别设有温度补偿，该温度补偿为焊接在相应转接板上的调整电阻。该应力敏感组件和该水压敏感组件中的信号调理电路将该传感器的输出转化成0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC标准信号。
该输出电缆17的一端通过该两转接板81、82分别与该两金丝内引线71、72相连，另一端通过连接杆16穿出该传感器壳体，以完成本压阻式复合土应力传感器的制作。
本发明中所述的硅敏感芯片采用申请人先前公开的压阻式土应力传感器专利(专利申请号2005101363431)制成，该硅敏感芯片具有惠斯通电桥结构，该硅敏感芯片的受压变化转化为该惠斯通电桥中的应变电阻，该应变电阻通过金丝内引线引出，该金丝内引线的一端焊接于该硅敏感芯片设有的金属化层。
本发明的特性测量原理对于总应力传感器及渗透水传感器是相同的当土体或土体中所含的水份作用于传感器处时，具有惠斯通电桥结构的硅压阻式敏感元件产生应变，该应变δ的大小与感受到的压力P有如下的关系δr=3p8Eh2[ro2(1+μ)-r2(3+μ)]]]>δt=3p8Eh2[ro2(1+μ)-r2(1+3μ)]]]>式中δr----径向应力δt----切向应力E----硅的弹性模量h----硅膜片的厚度ro----膜片的工作半径μ----泊松比Vin为对传感器施加的激励电压传感器的输出信号为VOUT＝∏EδVin式中∏为单晶硅的压阻系数，它依赖于元件的掺杂浓度；由以上测试数据可以求出总应力PZ以及渗透水压力PS，根据土力学的有效应力原理，对于饱和土，其有效应力PX为PX＝PZ-PS
权利要求
1.一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，由传感器壳体、分别设置于该壳体的用于感受土体应力的应力敏感组件和用于测量渗透水的水压敏感组件组成，其中1)该应力敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅敏感芯片(51)，该应力敏感组件受压面面对该壳体的正面，该壳体的正面外侧焊固有感受土应力的弹性体(2)，并与该应力敏感组件受压面之间形成的密封腔体填充有压力传递介质(3)；2)该水压敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅敏感芯片(52)，该水压敏感组件受压面面对该壳体的背面，位于该水压敏感组件受压面的该壳体背面部位安装有透水石。
2.如权利要求1所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该传感器壳体为呈扁平状的铲形壳体(1)。
3.如权利要求2所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该应力敏感组件还包括玻璃环(61)、转接板(81)和应力模块壳体(9)，该应力模块壳体(9)旋固于该铲形壳体(1)背面并且具有连通该压力传递介质(3)的台阶中心孔，该硅敏感芯片(51)背压面通过该玻璃环(61)密封固定于该应力模块壳体之台阶中心孔内侧，该硅敏感芯片(51)上的压力应变电阻通过金丝内引线(71)连接到固定于该台阶中心孔外侧的该转接板(81)后，外接引出电缆，该引出电缆经设于该转接板(81)上的信号调理电路后外接输出电缆(17)。
4.如权利要求3所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该压力传递介质(3)为硅油，该铲形壳体的背面设有填充该硅油的充油机构，该充油机构为充油通道(14)和密封塞(13)，该充油通道连通到该弹性体(2)与该应力敏感组件受压面之间形成的密封腔体。
5.如权利要求3所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该应力敏感组件设有温度补偿，该温度补偿为焊接在该转接板(81)上的调整电阻。
6.如权利要求2所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该传感器壳体(1)为不锈钢材质制成。
7.如权利要求2所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该水压敏感组件还包括玻璃环(62)和环行转接板(82)，该水压敏感组件固定于该铲形壳体背面的台阶孔内，该硅敏感芯片(52)的背压面通过该玻璃环(62)密封固定于该台阶孔内侧而其受压面通过该环行转接板(82)和透水石(11)连通被侧介质，该硅敏感芯片(52)之压力应变电阻通过金丝内引线(72)连接到固定于该台阶孔外侧的该转接板(82)后，外接引出电缆，该引出电缆经设于该环行转接板(82)上的信号调理电路后外接输出电缆(17)。
8.如权利要求7所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该透水石(11)的外侧设有保护衬板(4)，该保护衬板通过螺钉旋固在该铲型壳体(1)背面，相对该透水石(11)，该保护衬板上设有花型小孔(41)便于该透水石渗透水。
9.如权利要求7所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该水压敏感组件设有温度补偿，该温度补偿为焊接在该转接板(82)上的调整电阻。
10.如权利要求7所述的一种复合压阻式土应力传感器，其特征在于，该信号调理电路具有0～5VDC、1～5VDC或4～20mADC标准的传感器输出信号。
全文摘要
一种复合压阻式土应力传感器由传感器壳体、分别设置于壳体的用于感受土体应力的应力敏感组件和用于测量渗透水的水压敏感组件组成，应力敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅敏感芯片，应力敏感组件受压面面对壳体的正面，壳体的正面外侧焊固有感受土应力的弹性体，并与应力敏感组件受压面之间形成的密封腔体填充有压力传递介质；水压敏感组件为具有惠斯通电桥结构的硅敏感芯片，水压敏感组件受压面面对壳体的背面，位于水压敏感组件受压面的壳体背面部位安装有透水石，本发明在于可以更准确地测量土体的有效应力，并采用集成电路技术和模块化技术来大批量生产，具有一致性好、廉价、低频特性好、信号处理简单、方便等特点。
文档编号G01L1/18GK101089566SQ200610088028
公开日2007年12月19日 申请日期2006年6月14日 优先权日2006年6月14日
发明者王文襄, 王善慈, 石桥, 张怀滨, 李水侠, 梁伟 申请人:昆山双桥传感器测控技术有限公司