CN103196617A - 一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，包括弹性元件底座，弹性元件底座上部为承压圆筒，在承压圆筒的中心是承压孔，承压圆筒的侧壁设有一个或一个以上的充油腔，敏感元件上的惠斯通电桥通过金丝引线与转接板连接，电缆线的一端与转接板的输出相连，另一端与外部电路相连接，充油腔内充满不可压缩硅油，被测介质压力直接作用在承压孔内，使充油腔发生与被测压力成正比的体积变形量，然后通过不可压缩硅油将该变形量传递到敏感元件上，基于单晶硅压阻效应，敏感元件上的四个压敏电阻阻值发生变化，在恒定电源激励下，由四个压敏电阻组成惠斯通全桥输出与被测压力成正比的电信号，从而进行超高压压力的检测，本发明的承受压力可达1.5GPa以上。

Description

一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器。 

背景技术

压力传感器一直以来都因为巨大的市场需求而成为研究和开发的重点，至今已有很多产品基于压阻式、压电式及应变式等工作原理，这些传感器的量程主要集中在1MPa至100MPa之间，对于高量程的超高压力传感器和低量程的微压传感器则较难实现。工业发展和国防建设中存在许多超高压力测量的应用要求，不但工业生产中应用场合很多，同样武器***也需要对达到GPa级别的压力进行实时监测。但由于国外技术封锁以及我国相关技术发展较晚，这方面一直不成熟，超高压传感器产品较少。目前市场中主要有SOI硅压阻压力传感器、SOS（Silicon on Sapphire）压力传感器、溅射薄膜压力传感器以及采用硅应变片或高温箔式应变片制作的压力传感器等。从测量机理来看，这些传感器都是基于电阻效应的；从结构上来看，这些传感器的弹性元件和敏感元件可分为一体化结构和组合式结构两类。具有弹性敏感元件一体化结构的压阻压力传感器的主要优点包括：1）精度和灵敏度高，对后续信号处理电路无特殊要求，应用成本较低；2）重量轻、动态频响高，使用带宽高达1MHz以上；3）性能稳定、可靠性高，由于硅芯片的工作弹性应变低至微应变，最大位移在亚微米级，因而无磨损、疲劳和老化现象，寿命达10⁷次以上压力循环；4）硅芯片采用MEMS（Micro  Mechanical-electro System，微型机械电子***）技术实现批量化制作，成本低等。但也存在以下问题：1）最高量程不超过150MPa；2）被测介质不仅要与外壳材料兼容，同时还必须与硅、玻璃及封装材料兼容，因而应用范围相对较窄。 

弹性元件与敏感元件为组合式结构的超高压力传感器的主要优势在于：1）量程大，如可达1000MPa以上；2）金属弹性元件和压力接口是由一个整件高强度不锈钢加工而成，可根据不同的应用介质（如腐蚀介质）来选择不同的材质，适用被测介质范围宽；3）内部的压力密封不存在O型圈，密封可靠性高。但这类传感器也有一定的不足之处：1）如果敏感元件是基于金属电阻效应的，如溅射薄膜或采用高温箔式金属应变片的压力传感器，由于金属的电阻率小，传感器的灵敏度很小（仅几mV/V），因而信噪比差，对后续的信号处理电路要求较高；2）如果敏感元件通过测量弹性体产生的位移来进行测量，则封装过程中需要严格控制敏感元件与弹性体的位置关系，否则传感器的稳定性将会受到影响，此外一般圆筒式超高压力传感器增加壁厚对传感器的灵敏度会有影响，使传感器的输出变小。 

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，不但有效利用圆筒的变形效应，而且与一般的圆筒结构的超高压力传感器相比有更大的筒壁厚度，承载能力更强，可达1.5GPa以上，并且传感器避免了位移效应的压力传感器需要严格控制封装位置关系的技术难点。 

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为： 

一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，包括弹性元件底座1，弹性元件底座1上部为承压圆筒3，在承压圆筒3的中心是承压孔2，承压圆筒3的侧壁设有一个或一个以上的充油腔7，当设有一个充油腔7时，即单孔式结构，充油腔7的上端和承压圆筒3的顶部相通，敏感元件9装配在充油腔7的上端，敏感元件9上设有惠斯通电桥，由金丝引线10将惠斯通电桥与转接板4连接；转接板4安装在承压圆筒3的顶部，外壳5装在弹性元件底座1上，弹性元件底座1上半部分被外壳5包围，除电缆线6以外的所有零件全部被外壳包围；电缆线6的一端与转接板4的输出相连；电缆线6的另一端由固线帽固定并穿过外壳5与外部电路相连接，充油腔7侧壁开有充油密封孔8，充油腔7内充满不可压缩硅油。 

当设有一个以上的充油腔7时，即多孔式结构，充油腔7的孔正中心沿以承压孔2为圆心的圆轴对称的布置在承压圆筒3侧壁内，承压圆筒3的顶部设有上盖12，敏感元件9安装在上盖12上，敏感元件9上设有惠斯通电桥，由金丝引线10将惠斯通电桥与转接板4的输入连接；转接板4安装在上盖12的顶部，外壳5装在弹性元件底座1上，弹性元件底座1上半部分被外壳5包围，除电缆线6以外的所有零件全部被外壳包围，电缆线6的一端与转接板4的输出相连；电缆线6的另一端由固线帽固定并穿过外壳5，与外部电路相连接，充油腔7侧壁开有充油密封孔8，充油腔7内充满不可压缩硅油。 

所述的上盖12为扁圆柱结构，正中心有过油孔14，上盖12与承压圆筒3接触的面开有过油槽11，过油槽11为花瓣形分布，过油槽11与过油孔14连接，上盖12的边缘位置设置有第二个准标记13-2，保证上盖12与承压圆筒3接触时，过油槽11与充油腔7连通。 

所述的承压圆筒3为圆柱形圆筒，经过自增强处理后能够承受1.5GPa的压力，并形成弹性层与塑性层，弹性层在内，塑性层在外，承压孔2在塑性层，直接接触被测介质，充油腔7为在承压筒3侧壁的盲孔，开口方向与承压孔2相反，布置在弹性层，多孔式结构的承压圆筒3顶部的边缘设有第一个准标记13-1。 

所述的敏感元件9是通过MEMS技术制作的压力敏感芯片，周边装配在充油腔7一端。 

所述的承压圆筒3是采用高强度材料弹簧钢制作。 

由于承压圆筒3为采用了高强度材料的自增强厚壁圆筒，与一般使用自增强处理的圆筒相比，充油腔在承压圆筒内部侧壁中，充油腔外部继续有自增强圆筒材料支撑，使承压圆筒3有更厚的厚度，由理论计算知，这种结构可以承受1.5GPa的压力，克服了硅基材料结构测量量程小的缺点，并且比一般的敏感元件在自增强圆筒表面的传感器量程更大，安全性更好。；由于这种高强度材料和测量介质兼容性好，该传感器也克服一般的硅基材料一体化传感器应用范围较窄的缺点；因为敏感元件9是采用MEMS技术制作的敏感元件，压阻系数较高。所以传感器的输出灵敏度可达20mV/V以上，远远高于溅射薄膜或采用高温箔式金属应变片的压力传感器的输出灵敏度（仅几mV/V），因此灵敏度和信噪比都较好，降低了对后续调理电路的要求；由于弹性元件底座与敏感元件的接触方式与溅射薄膜或采用高温箔式金属应变片的压力传感器的接触方式不同，两者之间热膨胀系数的差异对传感器的性能影响很小，稳定性也会因此大幅度提升；由于受热后，圆筒与所充油在敏感元件端存在正的温度系数，因此可以选用负温度系数的芯片， 这两种温度系数相互补偿，可以使传感器拥有理想的温度系数。 

附图说明

图1为本发明单孔式传感器的结构示意图。 

图2为本发明多孔式传感器的结构示意图。 

图3-a为多孔式传感器的上盖12结构主视图。 

图3-b为多孔式传感器的上盖12结构仰视图。 

图4-a为多孔式承压圆筒部分的结构的主视图。 

图4-b为图4-a的俯视图。 

图5为工作原理简图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构原理、工作原理更详细的说明。 

参考图1，一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，包括弹性元件底座1，弹性元件底座1上部为承压圆筒3，在承压圆筒3的中心是承压孔2，承压圆筒3的侧壁设有一个充油腔7（即单孔式结构），充油腔7的上端和承压圆筒3的顶部相通，敏感元件9装配在充油腔7的上端，敏感元件9上设有惠斯通电桥，由金丝引线10将惠斯通电桥与转接板4连接；转接板4安装在承压圆筒3的顶部，外壳5装在弹性元件底座1上，弹性元件底座1上半部分被外壳5包围，除电缆线6以外的所有零件全部被外壳包围；电缆线6的一端与转接板4的输出相连；电缆线6的另一端由固线帽固定并穿过外壳5，与外部电路相连接，充油腔7侧壁开有充油密封孔8，充油腔7内充满不可压缩硅油；承压圆筒3是采用高强度材料弹簧钢60SI2CrVA制作，并经过自增强处理的厚壁圆筒。 

参考图2，一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，包括弹性元件底座1，弹性元件底座1上部为承压圆筒3，在承压圆筒3的中心是承压孔2，承压圆筒3的侧壁设有一个以上的充油腔7（即多孔式结构），充油腔7的孔正中心沿以承压孔2为圆心的圆轴对称的布置在承压圆筒3侧壁内，承压圆筒3的顶部设有上盖12，敏感元件9安装在上盖12上，敏感元件9上设有惠斯通电桥，由金丝引线10将惠斯通电桥与转接板4的输入连接；转接板4安装在上盖12的顶部，外壳5装在弹性元件底座1上，弹性元件底座1上半部分被外壳5包围，除电缆线6以外的所有零件全部被外壳包围，电缆线6的一端与转接板4的输出相连；电缆线6的另一端由固线帽固定并穿过外壳5，与外部电路相连接，充油腔7侧壁开有充油密封孔8，充油腔7内充满不可压缩硅油；承压圆筒3是采用高强度材料弹簧钢60SI2CrVA制作，并经过自增强处理的厚壁圆筒。 

参照图3，上盖12为扁圆柱结构，正中心有过油孔14，上盖与承压圆筒接触的面开有过油槽11，过油槽11为花瓣形分布，过油槽11与过油孔14连接，边缘位置设置有第二对准标记13-2，保证上盖12与承压圆筒3接触时，过油槽11与充油腔7连通。 

参考图4，所述的承压圆筒3为圆柱形圆筒，经过自增强处理后能够承受1.5GPa的压力，并形成弹性层与塑性层，弹性层在内，塑性层在外，承压孔2在塑性层，直接接触被测介质，充油腔7为在承压筒3侧壁的盲孔，开口方向与承压孔2相反，布置在弹性层，充油腔7开孔方式有单孔式与多孔式两种方式；多孔式结构的承压圆筒3因为要与上盖12对准，因此承压圆筒3顶部的边缘有第一对准标记13-1；敏感元件9是通过MEMS技术制作的压力 敏感芯片，周边装配在充油腔7一端。 

本发明的工作原理为： 

参考图5，被测介质压力直接作用在弹性元件底座1承压圆筒3内部的承压孔2内，承压圆筒3经过自增强处理后能够承受1.5GPa的压力，充油腔7受压后发生与被测压力成正比的体积变形量，然后通过不可压缩硅油将该变形量传递到充油腔7顶端的敏感元件9上，基于单晶硅压阻效应，敏感元件9上的四个压敏电阻阻值发生变化，在恒定电源激励下，由四个压敏电阻组成惠斯通全桥输出与被测压力成正比的电信号，从而进行超高压压力的检测，由于设计中使敏感元件9的尺寸与充油腔发生的体积变形量匹配，因此灵敏度可达20mV/V以上。采用本发明方法制备的传感器，其技术参数可以达到以下要求： 

（1）  测量范围：0～1.5GPa 

（2）  精度：优于1%FS 

（3）  满量程输出：大于20mV/V 

（4）  使用温度范围：取决于敏感芯片与硅油的使用温度范围 

（5）  过载能力：120%FS 

（6）  使用寿命：≥10⁶次 。 

Claims (5)

1.一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，包括弹性元件底座1，其特征在于：弹性元件底座（1）上部为承压圆筒（3），在承压圆筒（3）的中心是承压孔（2），承压圆筒（3）的侧壁设有一个或一个以上的充油腔（7），当设有一个充油腔（7）时，即单孔式结构，充油腔（7）的上端和承压圆筒（3）的顶部相通，敏感元件（9）装配在充油腔（7）的上端，敏感元件（9）上设有惠斯通电桥，由金丝引线（10）将惠斯通电桥与转接板（4）连接；转接板（4）安装在承压圆筒（3）的顶部，外壳（5）装在弹性元件底座（1）上，弹性元件底座（1）上半部分被外壳（5）包围，除电缆线（6）以外的所有零件全部被外壳包围；电缆线（6）的一端与转接板（4）的输出相连；电缆线（6）的另一端由固线帽固定并穿过外壳（5），与外部电路相连接，充油腔（7）侧壁开有充油密封孔（8），充油腔（7）内充满不可压缩硅油；

当设有一个以上的充油腔（7）时，即多孔式结构，充油腔（7）的孔正中心沿以承压孔（2）为圆心的圆轴对称的布置在承压圆筒（3）侧壁内，承压圆筒（3）的顶部设有上盖（12），敏感元件（9）安装在上盖（12）上，敏感元件（9）上设有惠斯通电桥，由金丝引线（10）将惠斯通电桥与转接板（4）的输入连接；转接板（4）安装在上盖（12）的顶部，外壳（5）装在弹性元件底座（1）上，弹性元件底座（1）上半部分被外壳（5）包围，除电缆线（6）以外的所有零件全部被外壳包围，电缆线（6）的一端与转接板（4）的输出相连；电缆线（6）的另一端由固线帽固定并穿过外壳（5），与外部电路相连接，充油腔（7）侧壁开有充油密封孔（8），充油腔（7）内充满不可压缩硅油。

2.根据权利要求1所述的一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，其特征在于：所述的上盖（12）为扁圆柱结构，正中心有过油孔（14），上盖（12）与承压圆筒（3）接触的面开有过油槽（11），过油槽（11）为花瓣形分布，过油槽（11）与过油孔（14）连接，上盖（12）的边缘位置设置有第二个准标记（13-2），保证上盖（12）与承压圆筒（3）接触时，过油槽（11）与充油腔（7）连通。

3.根据权利要求1所述的一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，其特征在于：所述的承压圆筒（3）为圆柱形圆筒，经过自增强处理后能够承受1.5GPa的压力，并形成弹性层与塑性层，弹性层在内，塑性层在外，承压孔（2）在塑性层，直接接触被测介质，充油腔（7）为在承压筒（3）侧壁的盲孔，开口方向与承压孔（2）相反，布置在弹性层，多孔式结构的承压圆筒（3）顶部的边缘设有第一个准标记（13-1）。

4.根据权利要求1所述的一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，其特征在于：所述敏感元件（9）是通过MEMS技术制作的压力敏感芯片，周边装配在充油腔（7）一端。

5.根据权利要求1所述的一种侧腔充油结构的圆筒式超高压力传感器，其特征在于：所述的承压圆筒（3）是采用高强度材料弹簧钢制作。

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