CN110595665A - 一种压力检测传感器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力检测传感器及检测方法，本方案由密封皮碗将壳体内的检测腔体隔分隔两个互不相通的第一检测腔体和第二检测腔体；该密封皮碗基于第一检测腔体与第二检测腔体内之间的压力差发生形变；设置在第一检测腔体或/和第二检测腔体内的弹性移动组件与密封皮碗配合，可在密封皮碗发生形变时，由形变的密封皮碗驱动在相应的检测腔体内发生移动；磁场元件与弹性移动组件配合，并在弹性移动组件移动时的驱动下改变在相应检测腔体内的磁场；感应元件检测第一检测腔体或/和第二检测腔体内磁场的变化。本方案整体为相应的机械结构，且结构紧凑简单，成本低廉，可靠性高，能耐受各种冲击压力，适用于各种恶劣复杂的应用环境。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术，具体涉及压力检测传感器技术。
背景技术
现有压力检测传感技术中，气体和液体压力的检测主要使用MEMS传感器来检测。
MEMS压力传感器响应速度快，但是开发周期长，工艺难度大，导致其成本高昂且产品系列较少，用户即使付出高昂的成本也不易选择到合适的产品。特别是，为了维持MEMS传感器的检测精度，一些关键部位都需要使用高硬度的粘合胶，而这些胶都是脆性的，在检测液体压力时，在液体的冲击波作用下，极易被损坏。
由此可见提供一种适用于各种复杂检测环境，结构简单且性能稳定可靠的压力传感器是本领域亟需解决的问题。
发明内容
针对现有压力检测传感技术所存在的问题，需要一种结构简单且性能稳定可靠的压力检测传感方案。
为此，本发明的目的在于提供一种压力检测传感器，其结构紧凑简单，可靠性高，可适用于各种复杂检测环境，即可有效克服现有技术所存在的问题；据此，本发明还进一步提供一种压力检测方法，以实现压力可靠检测。
为了达到上述目的，本发明提供的压力检测传感器，包括壳体、密封皮碗、至少一个弹性移动组件、至少一个感应元件以及至少一个磁场元件；
所述壳体内形成有相应的检测腔体；
所述密封皮碗密封的设置在壳体的检测腔体内，将壳体内的检测腔体隔分隔两个互不相通的第一检测腔体和第二检测腔体；所述密封皮碗可基于第一检测腔体与第二检测腔体内之间的压力差发生形变；
所述第一检测腔体或/和第二检测腔体内设置有弹性移动组件，所述弹性移动组件与密封皮碗配合，可在密封皮碗发生形变时，由形变的密封皮碗驱动在相应的检测腔体内发生移动；
所述磁场元件在第一检测腔体或/和第二检测腔体内形成磁场，所述磁场元件与所在检测腔体内的弹性移动组件配合，并在弹性移动组件移动时的驱动下改变在相应检测腔体内的磁场；
所述感应元件检测第一检测腔体或/和第二检测腔体内磁场的变化。
进一步的，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体内形成有第一检测腔体，所述第二壳体内形成有第二检测腔体，所述第一壳体与第二壳体连接组合形成壳体，使得第一壳体内的第一检测腔体与第二壳体内的第二检测腔体相互对应；所述密封皮碗设置在第一壳体与第二壳体之间，分隔第一壳体内的第一检测腔体与第二壳体内的第二检测腔体。
进一步的，所述弹性移动组件包括顶杆和弹簧，所述顶杆通过弹簧安置在壳体相应的检测腔体内，所述顶杆的顶端与密封皮碗配合，可由密封皮碗发生形变时驱动，并沿密封皮碗形变方向移动，所述顶杆在移动过程中将带动弹簧发生形变。
进一步的，所述磁场元件为磁铁。
进一步的，所述磁铁设在弹性移动组件上。
进一步的，所述磁铁的磁化方向与弹性移动组件的移动方向一致。
进一步的，所述磁铁随弹性移动组件的移动距离≤磁铁长度。
进一步的，所述壳体内设置有相应的止推位，以与弹性移动组件配合。
进一步的，所述感应元件安装在磁场元件的外侧或外端。
进一步的，当感应器安装在磁场元件外侧时，所述感应元件表面与磁场元件表面距离为0.5mm～8mm；当感应器安装在磁场元件外端时，所述感应元件表面与磁场元件表面距离为1.5mm～9mm。
为了达到上述目的，本发明提供的压力检测方法，所述检测方法包括：
由弹性形变元件感受压力，并将压力差转换成对应的机械位移；
由机械位移带动感应磁场变化；
检测磁场的变化，根据磁场变化计算出压力或压力差。
本发明提供的压力检测传感器方案，整体为相应的机械结构，且结构紧凑简单，成本低廉，可靠性高，能耐受各种冲击压力，适用于各种恶劣复杂的应用环境。
再者，本发明提供的压力检测传感器方案在应用时，可通过简单的弹簧刚度调整即可变更检测范围，适用面广，有较好的市场前景。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明实例1中提供的压力检测传感器***图；
图2为本发明实例1中提供的压力传感器主体剖视图；
图3为本发明实例1中密封皮碗的结构示意图；
图4为本发明实例1中磁铁磁场分布示意图；
图5为本发明实例1中过压保护结构示意图；
图6为本发明实例2中提供的无压力区分方案结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明方案为规避现有MEMS方案的各种弊端，创新地采用弹性形变元件感受压力，并将压力差转换成对应的机械位移；接着由机械位移带动感应磁场变化；最后检测磁场的变化，根据磁场变化计算出压力或压力差，从而实现压力的检测。
为此，本发明方案主要由壳体、密封皮碗、至少一个弹性移动组件、至少一个感应元件以及至少一个磁场元件相互配合构成。
其中，壳体内形成有相应的检测腔体；而密封皮碗密封的设置在壳体的检测腔体内，将壳体内的检测腔体隔分隔两个互不相通的第一检测腔体和第二检测腔体；同时，密封皮碗可基于第一检测腔体与第二检测腔体内之间的压力差发生形变。
与之配合的，本方案在第一检测腔体或/和第二检测腔体内设置有弹性移动组件，该弹性移动组件与密封皮碗配合，可在密封皮碗发生形变时，由形变的密封皮碗驱动在相应的检测腔体内沿密封皮碗所发生形变的方向进行移动，继而将压差或压力转换成相应的机械位移。
进一步的，本方案通过磁场元件在第一检测腔体或/和第二检测腔体内形成相应的磁场，并且该磁场元件与所在检测腔体内的弹性移动组件配合，能够在弹性移动组件移动时的驱动下改变在相应检测腔体内的磁场；
再者，本方案通过感应元件检测第一检测腔体或/和第二检测腔体内磁场的变化。
由此构成本方案通过密封皮碗与弹性移动组件的配合，巧妙地将压差或压力转换成相应的机械位移；在此基础上基于磁场变化及感应的特点，利用磁场空间分布的特点，通过感应元件对空间磁场的变化的检测，从而实现压力的检测。
本方案在具体应用时，可将高压流体接入壳体内由密封皮碗分隔构成的独立腔体(即第一检测腔体或/和第二检测腔体)中，如将低压液体接入第一检测腔体中，由于该第一检测腔体内的弹性移动组件与密封皮碗配合，这样密封皮碗在压差的重用下将会发生面向第一检测腔体的形变，继而驱动第一检测腔体内的弹性移动组件在第一检测腔体内进行移动，并发生相应的弹性形变，从而实现从压力到机械移动的转换。此时，弹性移动组件在第一检测腔体内进行移动时将会驱动或带动第一检测腔体内相应的磁场元件进行动作，继而改变该磁场元件在第一检测腔体内产生的磁场。这样再根据该磁场元件在第一检测腔体内磁场空间分布的特点，利用感应元件检测第一检测腔体内空间磁场的变化，从而检测出两种液体的压差。
针对上述方案，以下通过具体实例进一步说明本方案的实现过程。
实例1,
参见图1和图2，其所示为基于上述原理形成的一种压力检测传感器的组成示例图。
由图可知，该压力检测传感器主要包括上壳(1)，密封皮碗(2)，顶杆(3)磁铁(4)，感应器(5)，线束(6)，弹簧(7)，下壳(8)，端盖(9)这九部分。
其中，上壳(1)与下壳(8)连接配合构成整个压力检测传感器的壳体部件。上壳(1)作为压力检测传感器的第一壳体，其内形成有第一检测腔体A；而下壳(8)作为压力检测传感器的第二壳体，其内形成有第二检测腔体B。同时上壳(1)与下壳(8)之间通过卡接结构实现连接组合，并且使得上壳(1)上的第一检测腔体A与下壳(8)上的第二检测腔体B相互对应设置(如图2所示)。
这里需要说明，本实例中上壳(1)与下壳(8)的具体结构形式以及构成方案可根据实际需求而定，如可采用图1和图2中所示的构成方案，也可以采用该其他的构成方案，此处不加以限定。只要能够保证结构稳定可靠，便于实际应用即可。
再者，对于上壳(1)与下壳(8)之间进行连接组合的卡接结构，其具体结构形式以及构成方案可根据实际需求而定，如可采用图1和图2中所示的构成方案，也可以采用该其他的构成方案，此处不加以限定。只要能够保证结构稳定可靠，便于实际应用即可。
在此基础上，本实例进一步在上壳(1)与下壳(8)之间的连接处设置密封皮碗(2)，该密封皮碗(2)在上壳(1)与下壳(8)进行连接组合时，正好被压紧形成密封结构，同时密封上壳(1)的连接端部和下壳(8)的连接端部，从而将上壳(1)上的第一检测腔体A与下壳(8)上的第二检测腔体B分别密封隔离，从而在上壳(1)和下壳(8)内分别形成高压腔A、低压腔B两个互不相通的独立腔体；而同时密封皮碗(2)的两侧面则分别直接位于与高压腔A和低压腔B内，直接感受高压腔A和低压腔B内压力。
参见图3，其所示为本实例中密封皮碗(2)的构成示例图。本密封皮碗(2)整个结构形式具有沿边的碗状，外凸部面向上壳(1)内的高压腔A设置。
为保证密封效果，该密封皮碗(2)采用弹性材料或弹性材料与其他材料的复合材料来制成。
作为举例，该密封皮碗(2)采用相应的弹性橡胶构成，其沿边两侧面对称的设置有2组密封筋201、202、203、204，由此来有效防止腔体A、B的泄漏。密封筋201、202、203、204分别在沿边两侧面上沿周向分布，形成相应的凸环状。
该密封皮碗(2)沿边上的密封筋在上壳与下壳组装后，密封筋部位的压缩率为10％～90％，优选为30％～70％，如30％、40％、50％、60％以及70％，由此来保证密封效果。
由此设置的密封皮碗(2)能够感受位于其两侧的高压腔A与低压腔B内压力的变化，并可根据压力变化发生相应的形变，即由压力差驱动形变。
在此基础上，本实例进一步在下壳(8)的低压腔B内设置由顶杆(3)和弹簧(7)构成的弹性移动组件，用于与密封皮碗(2)配合，感知密封皮碗(2)的形变，并在密封皮碗(2)形变的驱动下进行在下壳(8)的低压腔B内进行移动，继而将压力转换成机械移动。
具体的，该顶杆(3)的顶部设置有相应的端帽，该端帽的结构与密封皮碗(2)相配合，同时弹簧(7)套设在顶杆(3)上，其一端与顶杆(3)上的端帽抵接，另一端与下壳(8)低压腔B内台阶进行抵接，由此构成与密封皮碗(2)配合的弹性移动组件。
由此设置的弹性移动组件中，弹簧(7)处于正常状态时将使得顶杆(3)的顶端即端帽与密封皮碗(2)配合，这样当密封皮碗(2)在高压腔A与低压腔B之间形成的压力差的驱动将发生面向低压腔B的形变，继而驱动顶杆(3)移动，顶杆(3)在移动过程中将压缩弹簧(7)，基于牛顿第三定律实现从压力到顶杆(3)位移的转换。
作为优选，弹性移动组件在低压腔B内设置时，其上的弹簧处于自由长度时，顶杆与密封皮碗之间的间隙优选为0±0.5mm范围，以保证检测精度。
本实例中采用磁铁(4)作为磁场元件，以在低压腔B内形成相应的磁场。为了使得磁铁(4)在低压腔B内所形成的磁场能够随顶杆(3)的移动而发生变化，本实例优选将磁铁(4)嵌在顶杆(3)上并随顶杆(3)的移动而同步移动。同时，该磁铁(4)的磁化方向与顶杆(3)的轴向方向一致(如图4所示)，如此设置可使得磁铁沿磁化方向移动时，相应的空间磁场呈规律变化，便于后续基于空间磁场变换检测出磁铁位移距离。
再者，本压力传感器在检测压力范围内，磁铁移动距离≤磁铁长度，如此设置，使得磁铁产生的空间磁场变化接近于线性变化，进一步便于后续方便的直接从磁场变化计算出位移距离，降低成本，提交效率。
针对上述的磁铁(4)所构成的磁场，本实例采用感应器(5)来检测磁场的变化，同时通过线束(6)将感应信号进行传输。
作为优选，本实例采用线性霍尔元件来作为感应器(5)(即感应元件)。
该线性霍尔元件优选安装在磁铁(4)的外侧或外端，并且位置不随检测流体的压力变化而移动。这里的外侧指平行于移动方向的侧面，而外端指垂直于移动方向的腔体外侧。
发明人通过大量实验确定，当感应器安装在磁铁外侧时，感应器表面与磁铁表面距离优选为0.5mm～8mm。如果距离过近时，磁场强部位的线性关系较差，不易使用，线性好的部位磁场强度偏弱，检测难度更大，影响传感器的性能；如果距离过远时，磁场强度弱，检测难度增大，影响传感器的性能。
同样的，当感应器安装在磁铁外端时，感应器表面与磁铁表面距离优选为1.5mm～9mm。通过经过大量的实验确定，当距离过近时，磁场强度变化梯度大，对应需要检测元件的检测范围够大，将大幅增加成本，而且磁场仅在很小的位移范围内成较好的线性变化，对提高产品精度不利，影响传感器的性能；距离过远时，磁场强度弱，检测难度偏大，影响传感器的性能。
针对安置在下壳(8)低压腔B内的弹性移动组件，本实例在下壳(8)的尾端设置有端盖(9)，以用于保护固定在下壳(8)上的感应器(5)，线束(6)将感应器信号导出。对于端盖(9)的具体构成方案可根据实际需求而定，此处不加以限定。
在上述方案的基础上，本实例进一步在下壳(8)上设置相应的止推位(801)，止推位(801)用于与顶杆(3)配合，以对顶杆(3)的移动行程进行限位，从而形成压力检测传感器的过压保护装置(如图5所示)。
这需要说明，这里的止推位的具体构成方案可根据实际需求而定，此处不加以限定，只要保证强度足够保护产品在过压时不被破坏即可。
作为举例，本实例中的止推位(801)相对于顶杆(3)的自由端端面(301)和(302)设置，在传感器处于最大检测压力时(即腔体A处于最大压力)，止推位距离顶杆端面(301)和(302)为0.5mm～5mm，这里优选为1mm。
基于如此结构的过压保护装置，当流体阀门打开时，流体的压力会突然增大并形成冲击波，止推位(801)和顶柱(301)和(302)之间的间距使弹簧(7)可以适当继续压缩，有效缓冲冲击波对传感器的破坏。当检测压力超过传感器测量范围时，弹簧(7)被进一步压缩，从而使顶杆(3)的位移继续扩大，直到顶杆(3)上的顶柱(301)和(302)触碰到止推位(801)，此后即使腔体A的压力继续增大，顶杆(3)不再移动，弹簧(7)也不再继续压缩，防止弹簧(7)因过压而破坏或皮碗(2)因脱离支撑而被破坏。
由此构成的压力检测传感器的在工作时，其顶杆(3)靠近密封皮碗(2)，当高压腔A中压力大于低压腔B中压力时，密封皮碗皮碗在高压腔A和低压腔B之间的腔压差的作用下迅速向低压腔移动并挤压顶杆(3)，从而通过顶杆(3)压缩弹簧(7)，顶杆(3)的移动量即为弹簧的压缩量，从而实现从压差到位移的转换。
由于磁铁(4)固定在顶杆上，磁铁(4)和顶杆移动同样距离。当弹簧(7)刚度增加后，同样的压差下，弹簧压缩量减小，即顶杆位移减小；也就是，当顶杆保持同样的位移时，A、B腔之间的压差增大。同样，当弹簧(7)刚度减小后，当顶杆保持同样的位移时，A、B腔之间的压差减小。即，选用不同刚度的弹簧(7)，即可迅速调整传感器的检测范围；这样通过简单的弹簧刚度调整即可变更检测范围，大大提高本压力检测传感器的实用性。
进一步参见图2和图4，当沿磁铁轴向磁化磁铁以后，磁铁周围空间不同位置有不同的磁场强度和方向。同时由于磁铁(4)固定在顶杆上，磁铁(4)顶杆移动同样距离时，其在同一区域内产生的磁场强度和方向将发生对应的变化。
本压力检测传感器中则通过在磁铁的侧面放置一颗线性霍尔检测磁场变化，通过检测到磁场强度的变化即可知磁铁(4)(等同顶杆(3))的移动距离，由此可间接计算出A、B腔之间压差，实现压差的检测。
本压力检测传感器在具体应用时，当向两个腔体A、B内充入不同压力的流体时，传感器则检测两个腔体的压差；当仅向其中一个腔体充入流体且另一个腔体与大气相通时，传感器检测充入流体的压力，如当低压腔B与大气导通，不接入其他流体时，此时A、B腔的压差即为A腔接入流体的压力，即可实现流体压力的检测。
实例2
基于实例1的方案，本实例给出一种变形方案。
参见图6所示，本实例在实例1方案的基础上，在上壳(1)的高压腔A内进一步增设顶杆(10)和弹簧(11)，以形成相应的弹性移动组件，这里的顶杆(10)和弹簧(11)构成方案与实例1相同，此处不加以赘述。
在此基础上，还在上壳(1)的高压腔A内设置相应的磁铁(4)以及感应器(5)，以与由顶杆(10)和弹簧(11)构成的弹性移动组件配合，具体的构成方案与实例1相同，此处不加以赘述。
如此构成的压力检测传感器，在组装后对弹簧(7)和弹簧(11)增加预压，这样接入流体时，A腔、B腔无需再区分高低压腔。其中，弹簧(7)和(11)的预压量需不小于最大检测压力下顶杆的位移。
再者，本实例给出的压力检测传感器其运行原理和过程与实例1相同，此处不加以赘述。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (11)
1.压力检测传感器，其特征在于，包括壳体、密封皮碗、至少一个弹性移动组件、至少一个感应元件以及至少一个磁场元件；
所述壳体内形成有相应的检测腔体；
所述密封皮碗密封的设置在壳体的检测腔体内，将壳体内的检测腔体分隔成两个互不相通的第一检测腔体和第二检测腔体；所述密封皮碗可基于第一检测腔体与第二检测腔体内之间的压力差发生形变；
所述第一检测腔体或/和第二检测腔体内设置有弹性移动组件，所述弹性移动组件与密封皮碗配合，可在密封皮碗发生形变时，由形变的密封皮碗驱动在相应的检测腔体内发生移动；
所述磁场元件在第一检测腔体或/和第二检测腔体内形成磁场，所述磁场元件与所在检测腔体内的弹性移动组件配合，并在弹性移动组件移动时的驱动下改变在相应检测腔体内的磁场；
所述感应元件检测第一检测腔体或/和第二检测腔体内磁场的变化。
2.根据权利要求1所述的压力检测传感器，其特征在于，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体内形成有第一检测腔体，所述第二壳体内形成有第二检测腔体，所述第一壳体与第二壳体连接组合形成壳体，使得第一壳体内的第一检测腔体与第二壳体内的第二检测腔体相互对应；所述密封皮碗设置在第一壳体与第二壳体之间，分隔第一壳体内的第一检测腔体与第二壳体内的第二检测腔体。
3.根据权利要求1所述的压力检测传感器，其特征在于，所述弹性移动组件包括顶杆和弹簧，所述顶杆通过弹簧安置在壳体相应的检测腔体内，所述顶杆的顶端与密封皮碗配合，可由密封皮碗发生形变时驱动，并沿密封皮碗形变方向移动，所述顶杆在移动过程中将带动弹簧发生形变。
4.根据权利要求1所述的压力检测传感器，其特征在于，所述磁场元件为磁铁。
5.根据权利要求4所述的压力检测传感器，其特征在于，所述磁铁设在弹性移动组件上。
6.根据权利要求5所述的压力检测传感器，其特征在于，所述磁铁的磁化方向与弹性移动组件的移动方向一致。
7.根据权利要求4所述的压力检测传感器，其特征在于，所述磁铁随弹性移动组件的移动距离≤磁铁长度。
8.根据权利要求1所述的压力检测传感器，其特征在于，所述壳体内设置有相应的止推位，以与弹性移动组件配合。
9.根据权利要求1所述的压力检测传感器，其特征在于，所述感应元件安装在磁场元件的外侧或外端。
10.根据权利要求9所述的压力检测传感器，其特征在于，当感应器安装在磁场元件外侧时，所述感应元件表面与磁场元件表面距离为0.5mm～8mm；当感应器安装在磁场元件外端时，所述感应元件表面与磁场元件表面距离为1.5mm～9mm。
11.压力检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：
由弹性形变元件感受压力，并将压力差转换成对应的机械位移；
由机械位移带动感应磁场变化；
检测磁场的变化，根据磁场变化计算出压力或压力差。
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