CN101726385A - 具有非线性特征曲线的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有非线性特征曲线的压力传感器。本发明提供一种适于在工作范围的低压和高压下提供高分辨率的压力传感器。该压力传感器包括具有界面的主体、以与界面相邻的方式密封地设置在空腔中的膜、和与膜连通的感测元件。本发明还提供一种包括压力传感器的燃料电池系统。

Description

具有非线性特征曲线的压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，更具体地涉及一种适于在工作范围的低压和高压下提供高分辨率的压力传感器。

背景技术

燃料电池已被提出作为用于电动车辆和其它应用的动力源。在质子交换膜(PEM)型燃料电池中，将氢或其它合适的燃料供应至燃料电池的阳极，并将氧作为氧化剂供应至阴极。燃料电池内的电化学反应产生电。在燃料电池堆中多个燃料电池被叠置在一起。燃料电池系统包括至少一个燃料电池堆和为该燃料电池堆的运转所需的多个元件。通常，需要至少一个燃料电池堆以向车辆提供动力。将储存在车辆上的燃料箱中的大量氢或其它合适地燃料供应至燃料电池堆。

燃料箱通常储存处于高度压缩状态(达到900巴)的燃料，以减小燃料箱的尺寸并增加车辆的行程。燃料箱可包括防止燃料泄漏的聚合物衬垫、保持箱的压力的复合外壳、和防止对箱的损坏的外部壳体。多个燃料箱元件的分层可能需要来自箱内的偏置力，以防止衬垫的变形。偏置力可以是最小箱体压力，当燃料箱中的压力下降时必需精确地监测该偏置力。在燃料电池系统运转或者期望拆除燃料箱期间可降低燃料箱的压力。向燃料箱加燃料时也需要精确的压力监控。在向燃料箱加燃料期间，监控最大箱体压力，以防止燃料箱的过压。

附连到燃料箱和燃料电池系统之一的压力传感器用于监控燃料箱的压力。压力传感器的成本由该压力传感器的传感器分辨率和压力范围决定。具有高传感器分辨率(传感器范围的1％)和大压力范围(从5至900巴)的压力传感器成本过高，并且增加结合有该压力传感器的车辆的成本。向燃料箱加燃料(最大箱体压力)或预期拆除燃料箱(最小箱体压力)需要具有高传感器分别率的压力传感器。

对于燃料电池应用而言，因为不会达到最大箱体压力和最小箱体压力，所以大部分压力范围(大约25巴至500巴)不需要高传感器分辨率。因此，在该范围内不需要高传感器分辨率，并且在该范围内高传感器分辨率会不必要地增加结合有该压力传感器的车辆的成本。

一直存在对一种压力传感器的需求，该压力传感器节省成本，具有大的压力范围，并且在低压范围和高压范围内都具有相对高的精度。

发明内容

令人惊讶地发现，目前由本发明提供的一种压力传感器节省成本、具有大的压力范围、并且在低压和高压下均具有相对高的精度。

在第一实施方式中，压力传感器包括：主体，其具有界面，该界面形成在主体中形成的空腔的一部分；膜，其以与界面相邻的方式密封地设置在空腔中，其中，与膜的第一侧连通的流体的压力使膜弯曲，并且其中，膜的弯曲使膜的第二侧接触界面；以及感测元件，其适于测量膜的弯曲并发送表示膜的弯曲度的信号。

在另一实施方式中，燃料电池系统包括：燃料电池堆，其具有多个燃料电池；燃料箱，其用于储存处于高度压缩状态的燃料；燃料导管，其位于燃料电池堆与燃料箱之间；以及压力传感器，其与燃料箱、燃料导管、和燃料阀中的一个流体连通，该压力传感器包括：主体，其具有界面，该界面形成在主体中形成的空腔的一部分；膜，其以与界面相邻的方式密封地设置在空腔中，其中，与膜的第一侧连通的流体的压力使膜弯曲，其中，膜的弯曲使膜的第二侧接触界面；以及感测元件，其适于测量膜的弯曲并发送表示膜的弯曲度的信号。

在又一实施方式中，压力传感器包括：主体，其具有界面，该界面包括凸形部分、凹形部分、和锥形部分中的一个，该界面形成在主体中形成的空腔的一部分；大致圆盘形的膜，其以与界面相邻的方式密封地设置在空腔中，其中，与膜的第一侧连通的流体的压力造成膜的弯曲，并且其中，膜的弯曲使膜的第二侧接触界面；以及感测元件，其适于测量膜的弯曲并发送表示膜的弯曲度的信号。

附图说明

尤其当结合在此描述的附图考虑时，本发明的上述以及其它优点将通过以下详细说明而对本领域技术人员变得显而易见。

图1是根据本发明的压力传感器的分解立体图；

图2是图1所示的压力传感器沿截面2-2的截面图；

图3是包括图1所示的压力传感器的燃料电池系统的示意图；

图4是图2所示的压力传感器的局部放大截面图，示出了暴露于中间压力的膜；以及

图5是图2所示的压力传感器的局部放大截面图，示出了暴露于高压的膜。

具体实施方式

下面的详细说明和附图描述并示出了本发明的各种实施方式。该说明和附图用于使本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且不以任何方式限制本发明的范围。

图1示出根据本发明实施方式的适于在低压和高压范围内具有高分辨率的压力传感器10。压力传感器10包括主体12、膜14、和感测元件16。

主体12能够由用于制造传感器和转换器的-诸如铝或不锈钢等的任何传统材料制成。如图所示，主体12大致为圆柱形，但也可以使用其它形状。主体12包括在该主体12中形成的空腔18，空腔18的一部分包括如图2、4、和5所示的膜界面20。空腔18可大致为圆柱形，但也可以使用其它形状。膜界面20由外周边缘22和内周边缘24限定。内周边缘24限定在主体12中形成的第一孔隙26。第一孔隙26在主体12中形成于感测元件16与空腔18之间。膜界面20包括凸形部分28、凹形部分30、和锥形部分中的至少一个。如图2、4、和5所示，膜界面20包括一个凸形部分28和一个凹形部分30。替代性地，膜界面20可以是凸形表面、凹形表面、锥形表面、或它们的任何组合中的一种。至少一个凸形部分28和至少一个凹形部分30大致与内周边缘24和外周边缘22同心。作为非限制性示例，膜界面20的表面可包括交替布置的两个凸形部分28和两个凹形部分30。凸形部分28和凹形部分30相互协作以形成膜界面20中靠近内周边缘24的凹陷。

主体12具有紧固装置32和头部34。紧固装置32可以是设置在主体12的内表面和外表面之一上的螺纹表面。头部34适于接收用于向主体12传递旋转运动的装置，诸如扳手等。头部34可位于主体12的与空腔18相反的端部，或者位于头部12的中间部分。在主体12中形成有适于容纳感测元件16的第二孔隙36。替代性地，感测元件16可联接至主体12的与空腔18相反的端部或设置在膜14上。

膜14可由任何传统的材料形成，诸如基于硅的材料、金属、陶瓷、或玻璃。如图1、2、4、和5所示，膜14大致为圆盘形，但也可以使用其它形状。在膜界面20为凸形表面、凹形表面、锥形表面、或它们的任何组合中的一种的情况下，可使用具有大致圆盘形形状的膜14。在膜界面20为凸形表面、凹形表面、锥形表面、和它们的任何组合中的一种的情况下，可使用具有恒定厚度的膜14。如图2、4、和5所示，膜14具有在该膜14的中心处的第一厚度和在膜周边38处的第二厚度。膜周边可大致对应于膜界面20的外周边缘22。在所示的实施方式中，第一厚度大于第二厚度。通过任何传统的方法-诸如粘合、焊接、或紧固将膜14密封地设置在空腔18中，以提供空腔18与第一孔隙26之间的基本不透水的屏障。膜14具有第一侧40和第二侧42。第一侧40背离膜界面20，并且其特征可为位于中心的突起43。第二侧42面向膜界面20。第二侧42的与膜界面20接触的区域为第二侧42的抵靠区域。

感测元件16适于测量膜14的弯曲，并发送表示膜14的弯曲量的信号。感测元件16通过力学、电学、或光学通信中的一种测量膜14的弯曲。感测元件16通过应变仪、压敏电阻元件、可变电容元件、光学传感器、可变电感元件、磁性元件、和干涉仪中的一种测量并处理膜14的弯曲。表示当膜14弯曲时由感测元件16产生的信号的函数可以是单调递增函数和单调递减函数中的一种。单调递增函数是当输入值增加时输出值总是增加或保持不变的函数。单调递减函数是当输入值增加时输出值总是减小或保持不变的函数。表示当膜14弯曲时由感测元件16产生的信号的函数可以是严格单调递增函数和严格单调递减函数中的一种。严格单调递增函数是当输入值增加时输出值总是增加的函数。严格单调递减函数是当输入值增加时输出值总是减小的函数。如图3所示，可通过诸如导管48的任何传统装置将信号发送至控制器50或其它处理装置。本领域技术人员将认识到的是，导管48还可容纳为压力传感器10的运转所需的动力源或附加部件，并且感测元件16可以是任何感测元件。

压力传感器10为绝对压力传感器和计示压力传感器中的一种。当压力传感器10为绝对压力传感器时，压力传感器10至少包括与膜14的第二侧42相邻的局部真空。

图3示出根据本发明实施方式的燃料电池系统52。燃料电池系统52包括燃料电池堆54、燃料箱56、燃料导管58、和压力传感器10。燃料电池堆54包括多个单独的燃料电池59。在燃料电池系统52中，燃料以高度压缩(达到900巴)的状态储存在燃料箱56中。燃料可以是液体或压缩气体，诸如氢等。燃料箱56与燃料电池堆54流体连通。在燃料导管58中可设置有燃料阀60。压力传感器10联接至燃料箱56、燃料导管58、和燃料阀60中的一个。本领域技术人员将认识到的是，压力传感器10可设置在燃料电池系统52的暴露于燃料压力的任何部件上。压力传感器10还可设置在燃料电池系统52的一个以上的部件上。压力传感器10和燃料阀60与控制器50电通信。由控制器50从压力传感器10接收的信号可用于确定残留在燃料箱56中的燃料量、表示燃料箱56中的低压或高压、操作燃料阀60、以及为燃料电池系统52的运转所需的其它功能。

在使用中，压力传感器10联接至例如燃料箱56、燃料导管58、和燃料阀60中的一个，并且与控制器50电通信。应理解的是，控制器50根据需要与燃料阀60和燃料电池堆54电通信。当结合有压力传感器10的车辆在运转中时，压力传感器10向控制器提供指示燃料压力的信号。

由于大致的线性响应和具有小于传统传感器范围的1％的传感器分辨率的感测元件过高的成本，所以传统的传感器(未示出)无法提供足够的传感器范围和传感器分辨率。具有大约0-900巴的传感器范围和0.25％的传感器分辨率的传统传感器可花费大约200$。具有大约0-900巴的传感器范围和1％的传感器分辨率的传统传感器可花费大约100$。传统传感器具有由感测元件的灵敏度和膜的弯曲决定的传感器分辨率。在不使用具有小于1％的分辨率的感测元件的情况下，传统传感器的大致线性响应无法以高精度测量大的压力变化。在不使用具有小于1％的分辨率的感测元件的情况下，根据本发明实施方式的压力传感器10的大致非线性响应能够以高精度测量大的压力变化的至少一部分。根据本发明的压力传感器10使用于压力范围的至少一部分的分辨率最大化。

膜界面20的形状与膜14的形状相互协作，以确定压力传感器10的传感器范围和传感器分辨率。当空腔18中的压力升高时，膜14的第二侧42与膜界面20之间的抵靠区域也增大。

膜界面20可通过在压力变化期间在膜14的运动方向上的轴线与膜界面20之间的角度测量值来描述。角度测量值可以是从0°至90°。当角度测量值为0°时，膜界面20与轴线平行。当角度测量值为90°时，膜界面20与轴线垂直。

膜界面20的角度测量值的变化使传感器分辨率改变。如图2、4、和5所示，膜界面20的角度测量值从大约65°变化至大约85°。作为非限制性示例，大约65°的角度测量值为低的角度测量值，而大约85°的角度测量值为高的角度测量。低的角度测量值允许比高的角度测量值大的通过膜14的轴向位移，该高的角度测量值允许小的轴向位移。由于角度测量值可改变以根据需要形成具有特定传感器分辨率的压力传感器10，所以低的角度测量值和高的角度测量值是相对概念。与提供小的轴向位移的高的角度测量值相比较，由低的角度测量值提供的较大的轴向位移提供较高的传感器分辨率。

图2示出压力传感器10，该压力传感器10在空腔18中具有非常低的压力或没有压力，并且因为膜14抵靠具有低角度测量值的膜界面20的一部分，所以压力传感器10具有高传感器分辨率。图4示出压力传感器10，该压力传感器10在空腔18中具有中间压力，并且因为膜14抵靠具有高角度测量值的膜界面20的一部分，所以压力传感器10具有低传感器分辨率。图5示出压力传感器10，该压力传感器10在空腔18中具有高压力，并且因为膜14抵靠具有低角度测量值的膜界面20的一部分，所以压力传感器10具有高传感器分辨率。作为非限制性示例，压力传感器10从大约5巴至大约25巴可具有大约1巴的传感器分辨率，并且从大约500巴至大约900巴可具有大约10巴的传感器分辨率。

膜14可变化，以根据需要形成具有特定传感器范围和传感器分辨率的压力传感器10。可调节膜14的材料、膜14的第一厚度、和膜14的第二厚度，以根据需要形成具有特定传感器范围和传感器分辨率的膜14。可调节膜14的材料、膜14的第一厚度、和膜14的第二厚度，以便在膜14的弯曲期间增强或减弱膜界面20的效果。作为非限制性示例，由铝形成的膜14可在特定压力范围内提供比由陶瓷形成的膜14更大的弯曲。作为非限制性示例，压力传感器10可具有从大约5巴至大约900巴的传感器范围。

应意识到的是，压力传感器10是节省成本的，具有大的压力范围(5巴至大约900巴)，并且具有相对较高的精度(达到1巴)。令人惊讶地发现，可制造压力传感器10，以使其适合传感器分辨率和压力范围的非常特别的需求。因此，压力传感器10在使成本不会变得太高的情况下能够实现对低压区和高压区的精确监控。

通过前面的描述，本领域技术人员能容易地确定本发明的基本特征，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下，能对本发明作出各种改型和变型，以使本发明适应于各种使用和条件。

Claims (20)

1.一种压力传感器，包括：

主体，其具有界面，所述界面形成在所述主体中形成的空腔的一部分；

膜，其以与所述界面相邻的方式密封地设置在所述空腔中，其中，与所述膜的第一侧连通的流体的压力使所述膜弯曲，并且其中，所述膜的弯曲使所述膜的第二侧接触所述界面；以及

感测元件，其适于测量所述膜的弯曲并发送表示所述膜的弯曲度的信号。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述膜大致为圆盘形。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述界面包括凸形部分、凹形部分、和锥形部分中的一个。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，所述界面包括至少一个凸形部分和至少一个凹形部分。

5.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，所述界面的内周边缘在所述主体中限定第一孔隙。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述感测元件是应变仪、压敏电阻元件、可变电容元件、光学传感器、可变电感元件、磁性元件、和干涉仪中的一种。

7.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述膜包括在所述膜的中心处的第一厚度和在所述膜的周边处的第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。

8.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述主体包括设置在所述主体上的紧固装置。

9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述压力传感器是绝对压力传感器和计示压力传感器中的一种。

10.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，与所述膜连通的流体的压力在大约5巴与900巴之间。

11.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述感测元件从大约5巴至大约25巴具有大约1巴的第一传感器分辨率，并且从大约500巴至大约900巴具有大约10巴的第二传感器分辨率。

12.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述感测元件设置在形成于所述主体中的第二孔隙中。

13.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述膜由硅基材料、金属、陶瓷、和玻璃中的一种材料形成。

14.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，表示所述膜的弯曲度的信号为单调递增函数和单调递减函数中的一种。

15.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆，其具有多个燃料电池；

燃料箱，其用于储存处于高度压缩状态的燃料；

燃料导管，其位于所述燃料电池堆与所述燃料箱之间；以及

压力传感器，其与所述燃料箱、所述燃料导管、和燃料阀中的一个流体连通，所述压力传感器包括：主体，其具有界面，所述界面形成在所述主体中形成的空腔的一部分；膜，其以与所述界面相邻的方式密封地设置在所述空腔中，其中，与所述膜的第一侧连通的流体的压力使所述膜弯曲，其中，所述膜的弯曲使所述膜的第二侧接触所述界面；以及感测元件，其适于测量所述膜的弯曲并发送表示所述膜的弯曲度的信号。

16.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述界面包括凸形部分、凹形部分、和锥形部分中的一个。

17.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述感测元件是应变仪、压敏电阻元件、可变电容元件、光学传感器、可变电感元件、磁性元件、和干涉仪中的一种。

18.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，传感器的所述膜包括在所述膜的中心处的第一厚度和在所述膜的周边处的第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。

19.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述感测元件从大约5巴至大约25巴具有大约1巴的第一传感器分辨率，并且从大约500巴至大约900巴具有大约10巴的第二传感器分辨率。

20.一种压力传感器，包括：

主体，其具有界面，所述界面包括凸形部分、凹形部分、和锥形部分中的一个，所述界面形成在所述主体中形成的空腔的一部分；

大致圆盘形的膜，其以与所述界面相邻的方式密封地设置在所述空腔中，其中，与所述膜的第一侧连通的流体的压力使所述膜弯曲，其中，所述膜的弯曲使所述膜的第二侧接触所述界面；以及

感测元件，其适于测量所述膜的弯曲并发送表示所述膜的弯曲度的信号。

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