CN101590790B - 表面横向波动模式轮胎压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种机械传感器技术领域的表面横向波动模式轮胎压力传感器，包括：壳体、盖板、悬臂梁支座和力敏石英悬臂梁元件，其中：壳体和盖板密封连接，悬臂梁支座和力敏石英悬臂梁元件分别固定设置于壳体内部。力敏石英悬臂梁元件上的单端口谐振器工作在表面横向波动模式。本发明具有耐机械振动、冲击的能力、耐疲劳性以及很高的应力灵敏度，勿需调整就能够适宜量程0～1MPa轮胎压力测量的要求。

Description

表面横向波动模式轮胎压力传感器

技术领域

本发明涉及一种机械传感器技术领域的装置，具体涉及一种表面横向波动(STW)模式轮胎压力传感器。

背景技术

高速公路汽车爆胎易引起的重大交通事故，倘若轮胎的内压过低，则轮胎变形，轮胎的下沉量增大，因此由于摩擦的增加，使得胎温急剧升高，从而导致轮胎***，强度下降。此外，过热状态会加速子午胎钢丝与橡胶的老化和变形，甚至造成轮胎内部断裂。这些因素都可能产生爆胎事故。在汽车行驶之中，由于轮胎变形，会使得胎肩磨损加剧，出现不规则的磨损。另外，由于轮胎与地面的摩擦力增大，导致行驶阻力增加，造成燃料消耗增加。

当轮胎气压不正常行驶时，油耗的增加必然会引起废气排放的增加，这对环境也是一种污染。据资料报导，轮胎缺气行驶时，当气压从正常值下降10％时，其轮胎寿命将减少15％；如果气压低于正常值0.21KPa，那么油耗将增加1.5％。倘若轮胎气压过高，则将使轮胎伸张变形，胎体弹性降低，汽车在道路上行驶时所受到的动负荷也增大。此时若遇到机械冲击，则会产生内裂或爆胎。如果轮胎的压力过高，那么轮胎的接地面积减少，从而胎冠中部将会很快磨损，这样也会造成轮胎冠部的***。

不久前问世的“智能轮胎”能够实时地监测轮胎压力、温度等参数，可以对轮胎爆裂提前预警，避免意外灾难的发生，同时可以有效地改进车辆的可操纵性、节省燃油、延长轮胎的使用寿命和提高车辆的舒适性。声表面波(SAW)压力-温度传感器的稳定性高、频率信号输出，能够采用无线询问式工作，在轮胎中可以勿需安装电源，是“智能轮胎”之中的佼佼者。

现有技术中的轮胎压力传感器存在下述缺点：SAW智能轮胎压力传感器几乎全部采用瑞利波模式工作，其缺点是Q值(品质因数)不高，对晶片表面的缺陷(划痕、孪晶、气孔)很敏感，耐表面污染(灰尘、油污、水气)能力差，老化特性欠佳；力传导机构以及弹性元件都是采用水晶杯结构，不仅量程窄，而且压力灵敏度低，水晶杯的膜片厚度很难加工均匀，从而导致膜片的应变分布不对称，线性特性不良，压力过载能力差，一致性欠佳；压力——力转换器和力的传递结构全都是采用压力传感器的金属封装盒和盒上的凸起结构，金属盒盖凸起结构的弹性系数和温度系数与弹性元件体和敏感装置(皆采用石英晶体材料)的弹性系数和温度系数通常并不相等，它们之间的不匹配往往会产生“导力介质和弹性介质之间的滑移”以及“在敏感装置内出现热应力”。

经对现有专利文献检索发现，专利申请号200810200032.0记载了一种“采用复合模的声表面波压力传感器”，该技术采用掠面体波模式和具有盲孔的圆筒形导力筒的新式悬臂梁结构，针对上述问题做了较大的改进，但由于压力传感器的厚度较厚，外形尺寸较大。此外，结构复杂，该技术适宜高精密压力传感器使用，而不太适合量大面广的普通压力传感器使用。

发明内容

本发明的目的是改进现有技术的不足，提供一种表面横向波动模式轮胎压力传感器，本发明具有较强的耐机械振动和冲击的能力以及很高的应力灵敏度，而且其灵敏度不随施力位置改变；能够解决目前声表面波压力传感器设计和生产的主要难题，能够解决同一个压力传感器勿需调整就能够适宜量程0～1MPa轮胎压力测量的要求。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：壳体、盖板、悬臂梁支座和力敏石英悬臂梁元件，其中：壳体和盖板密封连接，悬臂梁支座和力敏石英悬臂梁元件分别固定设置于壳体内部。

所述的壳体为矩形框体结构，该壳体的顶面为波浪状曲面结构或平面结构，壳体的底面为平面，壳体的内侧壁上设有壳体凹槽。

所述的平面结构的壳体顶面的中部设有一个顶针，该顶针与悬臂梁支座相接触。

所述的盖板包括：前盖板和后盖板，该前盖板和后盖板分别与壳体的前侧面和后侧面密封连接。

所述的悬臂梁支座包括载荷物和平衡体，其中：载荷物为球形或圆柱形结构；平衡体为矩形体结构，平衡体的一侧与载荷物的边沿固定连接，载荷物与壳体的底面内侧相接触，平衡体悬置于壳体内并与壳体的顶面或底面相平行。

所述的载荷物上设有三角形缺口槽和微型调节装置，其中：缺口槽与力敏石英悬臂梁元件的一端匹配连接，微型调节装置位于载荷物的上方，其相对于载荷物的重心的位置可以前后、左右改变。

所述的力敏石英悬臂梁元件为等腰三角形或等腰梯形结构，其厚度为0.2mm～2mm。该力敏石英悬臂梁元件的两端分别为固定端和自由端。其中：固定端的宽度大于自由端的宽度。

所述的力敏石英悬臂梁元件的上表面和下表面分别经过光学研磨和抛光，并且在上表面设有表面横向波动模式的单端口谐振器，下平面设有应变强化槽。

所述的力敏石英悬臂梁元件的固定端***壳体内侧壁的壳体凹槽中，力敏石英悬臂梁元件的自由端***微拱形悬臂梁支座的缺口槽内。上述的连接处皆利用胶粘剂粘结，且在力敏石英悬臂梁元件表面的胶接处设置了1-3个与表面垂直的通孔，该通孔的圆心位于缺口槽对应的位置内部。

所述的力敏石英悬臂梁元件选取欧拉角变化范围为[0°，33°～41°，0°]的石英晶体材料制成。

所述的单端口谐振器与力敏石英悬臂梁元件固定端和自由端的连接方向相垂直，该单端口谐振器工作在表面横向波动模式下。

所述的悬臂梁支座的平衡体与壳体顶面上顶针以及悬臂梁支座的载荷物与壳体底面内侧均为微接触。

所述的微接触是指：间距为零，接触压力小于100牛顿。

所述的壳体和顶针皆是由同一种材料，包括有机树脂、塑料等构成的。

本发明首先调整微型调节装置以改变悬臂梁支座的力矩，使其与壳体底面内侧的间距为零，对壳体底面内侧的作用力也为零。然后当外界压力作用在传感器上时，利用壳体波浪状表面把被测“压力”转换为“集中力”，并且利用顶面把“集中力”传递到压力敏感元件——STW压敏元件上。

本发明等腰三角形或等腰梯形结构的力敏石英悬臂梁元件的边缘有益于降低STW波在晶片边缘的反射。下表面设置的应变强化槽(该壳体凹槽的中心线与固定端和自由端的连接方向相垂直)，可以增加在STW谐振器区域的应力集中效果，改善其应变灵敏度，提高传感器的分辨率和准确度。在固定端的顶端区域，利用各向异性刻蚀法或超声打孔法制作一些与力敏石英悬臂梁元件表面垂直的通孔，以便防止外界机械振动、冲击通过悬臂梁支座传递到力敏石英悬臂梁元件表面，同时能够减少热应力对压敏元件特性的干扰。由于胶合点至应变强化区的距离很长，上述的干扰应力衰减很大，因此，它绝不会把热应力引入悬臂梁，从而本发明没有以前悬臂梁式压力传感器迟滞误差大、长期稳定性欠佳的缺点。

附图说明

图1为本发明剖面图；

图2a为悬臂梁支座剖面图；

图2b为悬臂梁支座俯视图；

图3a为实施例1中悬臂梁元件剖面图；

图3b为实施例1中悬臂梁元件俯视图；

图4a为实施例2中悬臂梁元件剖面图；

图4b为实施例2中悬臂梁元件俯视图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：壳体1、盖板13、悬臂梁支座8和力敏石英悬臂梁元件6，其中：壳体1和传感器盖板13密封连接，悬臂梁支座8和力敏石英悬臂梁元件6分别固定设置于壳体1内部。

所述的壳体1为矩形框体结构，该壳体1的顶面为波浪状曲面，壳体1的底面为平面，壳体1的内侧壁上设有壳体凹槽15，所述的壳体1由聚酰亚胺树脂制成。

所述的盖板13包括：前盖板和后盖板，该前盖板和后盖板分别与壳体1的前侧面和后侧面密封连接，该盖板13由聚酰亚胺树脂制成。

如图2a和图2b所示，所述的悬臂梁支座8包括：圆柱形载荷物9和悬空的平衡体12，其中：平衡体12的一侧与载荷物9的边沿固定连接，载荷物9与壳体1的底面内侧相接触，平衡体12悬置于壳体9内并与壳体9的顶面或底面相平行。

所述悬臂梁支座8的圆柱形载荷物9上设有一个三角形的缺口槽10，该缺口槽10与力敏石英悬臂梁元件6的一端匹配连接。

所述的圆柱形载荷物9上还设有一个微型调节装置11，以便调整力敏石英悬臂梁元件6的力矩使其产生微应变，呈微拱形，从而使圆柱形载荷物9与壳体下底面14与所述的膜片相对的壳体内表面的距离为零。通过设置圆柱形载荷物9以及微型调节装置11的目的是为了使力敏石英悬臂梁元件6产生微应变，进一步提高力敏石英悬臂梁元件6对集中力的灵敏度以及改善压力传感器的过载保护能力，同时微型调节装置11也能够调整产品的某些特性，改善产品的一致性。

所述的力敏石英悬臂梁元件6为等腰梯形结构，如图3a和图3b所示，该力敏石英悬臂梁元件6的两端分别是固定端19和自由端20，其中：固定端19的宽度大于自由端20的宽度。

所述的自由端20与缺口槽10粘接，所述的固定端19与壳体凹槽15粘接。

所述的力敏石英悬臂梁元件6的上表面和下表面皆经过光学研磨和抛光，该力敏石英悬臂梁元件6的上表面设有单端口STW谐振器5，该单端口谐振器5与力敏石英悬臂梁元件6的固定端19和自由端20的连接方向相垂直；力敏石英悬臂梁元件6的下表面与单端口STW谐振器5相对的位置上设有应变强化槽7，该壳体凹槽7的中心线与力敏石英悬臂梁元件6的固定端19和自由端20的连接方向相垂直。等腰梯形19的石英晶片的第一边缘17和第二边缘18粗糙不光滑且涂有吸声胶，有益于降低STW波在晶片边缘的反射。

所述的STW力敏石英悬臂梁元件6采用的是BT切型，欧拉角为[0，41°，0]的石英晶体片。阴影区域22代表***上述的壳体凹槽15内，并以胶粘剂胶合的区域。

所述的力敏石英悬臂梁元件6上还设有2个通孔21，该通孔21具***于力敏石英悬臂梁元件6的自由端20上与圆柱形载荷物9相对的区域。该通孔21可以防止外界机械振动、冲击通过悬臂梁支座8传递到力敏石英悬臂梁元件6表面，同时能够减少热应力对压敏元件特性的干扰。

本实施例压力灵敏度可比等石英厚度的常规SAW压力传感器的灵敏度高14倍，同时长期稳定性佳，抗压力过载能力强，而且体积小，生产成本低，适宜大批量生产。

实施例2

如图4a和图4b所示，实施例2中涉及的力敏石英悬臂梁元件6为等腰三角形结构，该力敏石英悬臂梁元件6的自由端20与缺口槽10粘接，力敏石英悬臂梁元件6的固定端19与壳体凹槽15粘接。

所述的STW力敏石英悬臂梁元件采用欧拉角为[0，33°，0]的石英晶体片，厚度为0.5mm。阴影区域22代表***上述的壳体凹槽15内，并以胶粘剂胶合的区域。

本实施例压力灵敏度可比等石英厚度的常规SAW压力传感器的灵敏度高16倍，长期稳定性佳，抗压力过载能力强，而且体积小，在生产安装时便于寻找力的施加位置，适宜大批量生产。

Claims (6)

1.一种表面横向波动模式轮胎压力传感器，包括：壳体、盖板、悬臂梁支座和力敏石英悬臂梁元件，其特征在于：壳体和盖板密封连接，悬臂梁支座和力敏石英悬臂梁元件分别固定设置于壳体内部；所述的悬臂梁支座包括载荷物和平衡体，其中：载荷物为球形或圆柱形结构；平衡体为矩形体结构，平衡体的一侧与载荷物的边沿固定连接，载荷物与壳体的底面内侧相接触，平衡体悬置于壳体内并与壳体的顶面或底面相平行；

壳体顶面的中部设有一个顶针，该顶针与悬臂梁支座相接触；

所述的载荷物上设有三角形缺口槽和微型调节装置，其中：缺口槽与力敏石英悬臂梁元件的一端匹配连接，微型调节装置位于载荷物的上方；

所述的力敏石英悬臂梁元件的上表面设有表面横向波动模式的单端口谐振器，力敏石英悬臂梁元件的下表面设有应变强化槽。

2.根据权利要求1所述的表面横向波动模式轮胎压力传感器，其特征是，所述的壳体为矩形框体结构，该壳体顶面为波浪状曲面结构或平面结构，壳体的底面为平面，壳体的内侧壁上设有壳体凹槽。

3.根据权利要求1所述的表面横向波动模式轮胎压力传感器，其特征是，所述的力敏石英悬臂梁元件为等腰三角形或等腰梯形结构，该力敏石英悬臂梁元件表面的设有1-3个与该表面垂直的通孔。

4.根据权利要求1或3所述的表面横向波动模式轮胎压力传感器，其特征是，所述的力敏石英悬臂梁元件的两端分别为固定端和自由端，其中：固定端的宽度大于自由端的宽度。

5.根据权利要求1或3所述的表面横向波动模式轮胎压力传感器，其特征是，所述的力敏石英悬臂梁元件选取欧拉角变化范围为[0°，33°～41°，0°]的石英晶体材料制成。

6.根据权利要求1所述的表面横向波动模式轮胎压力传感器，其特征是，所述的单端口谐振器与力敏石英悬臂梁元件固定端和自由端的连接方向相垂直，工作在表面横向波动模式下。

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