CN101071083A - 适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器。它包括石英热敏谐振器3和单片机的软、硬件电路10，石英热敏谐振器3和单片机的软、硬件电路10通过内引线5相连且安装在镀金黄铜盲管2内，镀金黄铜盲管外设置有耐水树脂密封筒17，耐水树脂密封筒17的前端安装有罩在镀金黄铜盲管外的由至少两根不锈钢丝交叉构成的防护栏1，单片机的软、硬件电路10通过硅橡胶电缆12引出，镀金黄铜盲管与耐水树脂密封筒之间以及硅橡胶电缆与镀金黄铜盲管和耐水树脂密封筒之间设置有密封机构。本发明具有分辨率好、准确度高、寄生模式少、抗机械振动和冲击能力强、响应速度快、适宜在水下长期使用等优点。

Description

适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器

(一)技术领域

本发明涉及一种温度传感器，特别是一种是适宜声学测深仪、声纳、地震监测或地热异常检测等水下使用的数字信号输出、灵敏度高、响应速度快、精密、高稳定的谐振式石英晶体温度传感器。

(二)背景技术

谐振式石英晶体温度传感器是一种高精密、高稳定的数字温度传感器。其输出信号是频率，分辨率很高，温度漂移极小，电源电压的改变对测温准确度影响甚微，长期稳定性佳，其温度分辨率高达0.0001℃，准确度优于0.05℃，长期稳定性高达0.02℃/年。关于该技术的中国专利较多，例如：专利申请号为94243623.7，名称为“高灵敏度石英温度传感器”；专利申请号为95236820.X、名称为“石英晶体测温传感器”；专利申请号为86108025、名称为“石英晶体温度计”；专利申请号为01128468.4、名称为“高精度智能化数字地温仪”；专利申请号为98219201.0、名称为“高精度快响应的音叉式水晶温度计”；专利申请号为02132999.0、名称为“具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器”等专利文件中公开的技术方案等。

由于上述的温度传感器受到设计思想、石英热敏切型的摸索和设计、晶片尺寸的选择和制作、晶片形貌的设计和加工、激励电极的设置以及传感器结构设计的限制，存在以下缺点：

1、它们大都采用圆形透镜式结构，体积较大，热惯性强。因此，不仅响应速度慢，而且不能准确地检测微小空间的温度。

2、由于其晶片尺寸较大，并且封装大都采用TO-5型或49U型外壳，而其装架形式又是悬浮结构，因此耐机械振动和抗冲击能力差。

3、传感器大都采用厚度切变B模式或C模式的泛音工作，因此使用小尺寸的谐振器芯片，特别是采用矩形谐振器芯片时常常发生厚度切变主模式与其它模式(弯曲振动、面切变振动、扭曲振动、长度伸缩振动、轮廓振动等)的耦合以及受到基波或谐波、杂波等的干扰和交叉调制的影响。因此，在宽温区工作时或在干扰信号较强时，常常出现跳频或奇异点，甚至发生停振现象。目前大都是通过选择芯片的边比尺寸和采用最佳金属电极材料、面积和膜厚等质量负载降低其干扰，但是效果仍不理想。

4、泛音工作的矩形热敏谐振器，其基波振幅很大，基波的谐振阻抗与泛音谐振阻抗相差无几，通常仅相差1％～9％，而配合的电路大都采用C-MOS反相器或TTL反相器振荡电路。因此，热敏谐振器和振荡电路特性的某些变化将会导致跳频或停振，严重影响传感器的测温稳定性。显然，很难达到0.0001℃的分辨率和0.02℃的准确度。

5、用于地震监测井或用于海水温度的测量时，为了防止地下水或海水的腐蚀，目前大都采用下述两种结构：

(1)采用模压式耐水树脂外壳，可是由于耐水树脂的热导率较低，因此其响应速度很慢，时间常数通常为1分钟，甚至十几分钟。

(2)使用不锈钢外壳，不锈钢的导热率较高，不锈钢外壳结构的响应速度比树脂式结构快得多，但是其时间常数仍为数十秒。其时间常数远大于铜外壳结构，不能完全满足实际使用要求。此外，传感器的电缆大都是硅橡胶电缆，而硅橡胶电缆和不锈钢保护壳之间的密封和防水问题又是目前的一个难题。特别是某些地震井或地震前兆的地热异常观测井，例如，新疆、甘肃、青海、辽宁等地的井水温度高达95℃以上。这相当于在较高压力下(数MPa)的热水中长期进行煮沸例行试验，由于二者的热膨胀系数不同以及密封胶的迅速老化，很快漏水失效。

显然，上述的石英温度传感器很难获得耐高压、不漏水、高精密、高稳定、快响应的特性，因此不能完全满足声学测深仪、声纳、地震或地震前兆的地热异常监测等水下精密温度仪的要求。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种分辨率好、准确度高、寄生模式少、抗机械振动和冲击能力强、响应速度快的适宜水下长期使用的压电谐振式石英温度传感器。

本发明的目的是这样实现的：

它包括石英热敏谐振器3和单片机的软、硬件电路10，石英热敏谐振器3和单片机的软、硬件电路10通过内引线5相连且安装在镀金黄铜盲管2内，镀金黄铜盲管2由细径段、粗径段和细径段与粗径段之间的锥形过渡段组成，石英热敏谐振器3位于镀金黄铜盲管2的细段内，粗径段和过渡段镀金黄铜盲管外设置有耐水树脂密封筒17，耐水树脂密封筒17的前端安装有罩在细径段镀金黄铜盲管外的由至少两根不锈钢丝交叉构成的防护栏1，单片机的软、硬件电路10通过硅橡胶电缆12引出，镀金黄铜盲管与耐水树脂密封筒之间以及硅橡胶电缆与镀金黄铜盲管和耐水树脂密封筒之间设置有密封机构。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、镀金黄铜盲管2的细段内填满有AL₂O₃粉末。

2、所述的镀金黄铜盲管与耐水树脂密封筒之间的密封机构的组成包括拧在镀金黄铜盲管上的耐水树脂螺母7和密封垫片9，耐水树脂螺母7与螺纹之间有螺纹厌氧密封胶8。

3、硅橡胶电缆与镀金黄铜盲管和耐水树脂密封筒之间的密封机构分2段：一段为实现耐水树脂密封螺母19与耐水树脂筒17之间密封的耐水树脂密封螺母19、以及耐水树脂筒的内螺纹25和厌氧胶；另一段为实现树脂密封螺母19的中心孔20与硅橡胶电缆12之间密封防水的在黄铜螺母13和耐水树脂密封螺母19之间灌注的弹性密封胶11′、橡胶密封环18、金属垫片21、橡胶垫26、金属螺母22以及金属螺母22的紧固力，使电缆12和橡胶垫26发生机械临界形变所形成的密封防水堵27。

4、镀金黄铜盲管的粗径段内有灌封胶11。

5、镀金黄铜盲管的粗段内有黄铜螺母13，黄铜螺母13的外螺纹处有厌氧胶，黄铜螺母13的中心孔15与从该孔通过的硅橡胶电缆12之间通过密封胶16密封。

本发明的适宜水下温度检测用的精密快响应石英温度传感器的核心部件是石英热敏谐振器3和单片机的软、硬件电路10。为了获得快响应，把石英热敏谐振器3安装在导热快、耐腐蚀的镀金黄铜盲管2内保护，可是镀金黄铜盲管的机械强度欠佳，为了改善该传感器的耐机械振动、抗冲击的特性，在此镀金黄铜管的外部安装了由两根以上的不锈钢丝交叉构成的防护栏1。在黄铜管内，热敏谐振器3周围填满了AL₂O₃粉末。为了确保传感器在宽温区工作以及高可靠性，传感器的电缆采用硅橡胶电缆12。

为了解决硅橡胶电缆与黄铜盲管的密封防水问题，本发明引入了一个密封过渡件——耐水树脂密封筒17。利用镀金黄铜盲管2下端的螺纹6、耐水树脂螺母7、螺纹厌氧密封胶8、密封垫片9和耐水树脂筒17五者的物理化学作用，构成了第一道密封防水结构，即在黄铜盲管由细径转换为粗径的变径处构成了第一道密封防水线。同时，树脂密封筒17还是上述不锈钢防护栏1的安装载体。

单片机软、硬件电路板10被安装在镀金黄铜盲管的粗段内；5是热敏谐振器3的内引线，并把耐水树脂密封筒17装在镀金黄铜盲管的粗段的外面。此种组合结构不仅能起到良好的电屏蔽作用，而且镀金黄铜盲管粗段可以不用镀金就能够防止腐蚀。利用电路板10、镀金黄铜盲管粗段和弹性灌封胶11的相互作用构成了第二道密封防水结构。弹性灌封胶11起到密封防水和减振双重作用。

在镀金黄铜盲管的尾部，利用管的内螺纹14、黄铜螺母13的外螺纹和厌氧胶的作用实现密封；而螺母的中心孔15与从该孔通过的硅橡胶电缆12之间的密封作用是利用密封胶16实现的。它们共同构成了第三道密封防水结构。

耐水树脂密封筒17与硅橡胶电缆12的密封防水是分2段完成的：

首先利用耐水树脂密封螺母19、耐水树脂筒的内螺纹25和厌氧胶的作用实现耐水树脂密封螺母19与耐水树脂筒17的密封，而此树脂密封螺母19的中心孔20与硅橡胶电缆12的密封防水问题是利用下述方法实现的：在黄铜螺母13和耐水树脂密封螺母19之间注满弹性密封胶。当密封胶固化后，利用橡胶密封环18、金属垫片21、橡胶垫26、金属螺母22的紧固力，使电缆12和橡胶垫26发生机械临界形变，形成了密封防水堵27。这是第四道密封防水结构。

简言之，利用上述四道密封防水措施能够解决传感器长期在深水中(包括在高达95℃以上的热水中)工作的动态和静态密封防水问题。

本发明具有分辨率好、准确度高、寄生模式少、抗机械振动和冲击能力强、响应速度快、适宜在水下长期使用等优点。

(四)附图说明

附图是本发明的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1适宜水中检测的精密快响应压电谐振式石英温度传感器的组成包括1金属防护栏，通常由2～4根不锈钢丝交叉构成；2是敏感元件保护镀金黄铜盲管。为了提高响应速度通常由黄铜构成，为了防止海水腐蚀表面应镀金；3是石英热敏谐振器；4氧化镁或氧化铝粉末，它保证内引线5的绝缘和防止它们相互间位置的移动。6是镀金黄铜盲管螺纹，它与2是一体的，只是表面不用镀金。7是耐水树脂螺母。利用螺母7、保护管螺纹6、垫片9之间的挤压力以及螺纹厌氧密封胶8的密封作用确保界面的密封。10是单片机软、硬件的电路板，它也是该传感器的关键之一。11是弹性密封胶，它保护电路板免于受潮并起到减震作用。12是硅橡胶电缆，它起到供电和输出信号作用。13金属密封螺母，它具有螺纹14和中心孔15。为了提高密封效果，在拧紧螺纹时，同时涂抹少许螺纹厌氧胶。16是有机弹性密封胶，它保证电缆与中心孔15之间的密封。为了减少工艺复杂性，16与11可以使用同一种牌号的密封胶。17是耐水树脂密封筒，18是橡胶密封环，19是耐水树脂密封盖。它有中心孔20，以便电缆穿过。

耐水树脂密封筒17与硅橡胶电缆12的密封防水是分2部分完成的：首先利用耐水树脂密封螺母19、耐水树脂筒的内螺纹25和厌氧胶的作用实现耐水树脂密封螺母19与耐水树脂筒17的密封，而此树脂密封螺母19的中心孔20与硅橡胶电缆12的密封防水问题是利用下述方法实现的：首先在黄铜螺母13和耐水树脂密封螺母19之间注满了弹性灌封胶，当胶固化后，再利用橡胶密封圈18、金属垫片21、橡胶垫26、不锈钢螺母22的紧固力引起的电缆12和橡胶垫26的形变，形成了防水堵27。28是电缆的金属弹簧防折装置，其功能是防止橡胶电缆由于发生90°或90°以上的弯曲变形而折断。显然，共采用了四道密封防水结构。

Claims (9)

1、一种适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，它包括石英热敏谐振器(3)和单片机的软、硬件电路(10)，其特征是：石英热敏谐振器(3)和单片机的软、硬件电路(10)通过内引线(5)相连且安装在镀金黄铜盲管(2)内，镀金黄铜盲管(2)由细径段、粗径段和细径段与粗径段之间的锥形过渡段组成，石英热敏谐振器(3)位于镀金黄铜盲管(2)的细段内，粗径段和过渡段镀金黄铜盲管外设置有耐水树脂密封筒(17)，耐水树脂密封筒(17)的前端安装有罩在细径段镀金黄铜盲管外的由至少两根不锈钢丝交叉构成的防护栏(1)，单片机的软、硬件电路(10)通过硅橡胶电缆(12)引出，镀金黄铜盲管与耐水树脂密封筒之间以及硅橡胶电缆与镀金黄铜盲管和耐水树脂密封筒之间设置有密封机构。

2、根据权利要求1所述的适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，其特征是：镀金黄铜盲管(2)的细段内填满有AL₂O₃粉末。

3、根据权利要求1或2所述的适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，其特征是：所述的镀金黄铜盲管与耐水树脂密封筒之间的密封机构的组成包括拧在镀金黄铜盲管上的耐水树脂螺母(7)和密封垫片(9)，耐水树脂螺母(7)与螺纹之间有螺纹厌氧密封胶(8)。

4、根据权利要求1或2所述的适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，其特征是：硅橡胶电缆与镀金黄铜盲管和耐水树脂密封筒之间的密封机构分2段：一段为实现耐水树脂密封螺母(19)与耐水树脂筒(17)之间密封的耐水树脂密封螺母(19)、以及耐水树脂筒的内螺纹(25)和厌氧胶；另一段为实现树脂密封螺母(19)的中心孔(20)与硅橡胶电缆(12)之间密封防水的在黄铜螺母(13)和耐水树脂密封螺母(19)之间灌注的弹性密封胶、橡胶密封环(18)、金属垫片(21)、橡胶垫(26)、金属螺母(22)以及金属螺母(22)的紧固力，使电缆(12)和橡胶垫(26)发生机械临界形变所形成的密封防水堵(27)。

5、根据权利要求3所述的适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，其特征是：硅橡胶电缆与镀金黄铜盲管和耐水树脂密封筒之间的密封机构分2段：一段为实现耐水树脂密封螺母(19)与耐水树脂筒(17)之间密封的耐水树脂密封螺母(19)、以及耐水树脂筒的内螺纹(25)和厌氧胶；另一段为实现树脂密封螺母(19)的中心孔(20)与硅橡胶电缆(12)之间密封防水的在黄铜螺母(13)和耐水树脂密封螺母(19)之间灌注的弹性密封胶、橡胶密封环(18)、金属垫片(21)、橡胶垫(26)、金属螺母(22)以及金属螺母(22)的紧固力，使电缆(12)和橡胶垫(26)发生机械临界形变所形成的密封防水堵(27)。

6、根据权利要求1或2所述的适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，其特征是：镀金黄铜盲管的粗径段内有灌封胶(11)和密封胶(16)。

7、根据权利要求3所述的适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，其特征是：镀金黄铜盲管的粗径段内有灌封胶(11)和密封胶(16)。

8、根据权利要求4所述的适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，其特征是：镀金黄铜盲管的粗径段内有灌封胶(11)和密封胶(16)。

9、根据权利要求5所述的适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器，其特征是：镀金黄铜盲管的粗径段内有灌封胶(11)和密封胶(16)。

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