CN1024434C - 柱塞式锰铜压阻传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属机电传感器领域。它用50Ω锰铜压阻元件做敏感元件，安装在钢制壳体内的一个钢制柱塞上。该敏感元件通过耐高温导线与50Ω同轴电缆相连。本传感器可多次重复使用，具有量程宽、结构简单、制造方便、成本较低、温度系数小、线性好以及响应速率高等特点，因此本发明有较宽广的应用前景。

Description

本发明属机电传感器领域。

目前在国内能制作高压传感器的单位不多，而能制作动高压测量用的传感器的单位更少。成都传感器技术研究所制作的FYC系列防爆型压力传感器，最高量程为250MPa，其敏感部分是由在压力作用下能发生变形的弹性构件与粘接在此构件上的应变片组成。在外力作用下应变片阻值发生变化时，使测量电桥失去平衡并形成一个压力模拟信号。但是测量高速模拟信号时，由于该测量电桥的外接桥臂电阻（即传感器电阻）与常用的同轴电缆不匹配，会引起传输畸变，所以它不宜用于高速脉冲压力的测量。另一方面，该传感器受内部的弹性构件自振频率的限制，其响应时间较长，在10μs左右，与FYC系列类似的其它动高压传感器，如德国HBM公司生产的P8～P42型压力传感器等，也都存在类似问题。另一类能测量动高压的压电压力传感器，如西安近代化学研究所制作的OPT膜片式压电压力传感器，其量程也高达400MPa。虽然压电压力传感器具有较高的频响，响应时间约为1-5μs，但上限压力量程受其敏感元件屈服极限的约束，很难进一步提高;该传感器也受到压电晶体居里点的限制，工作温度小于100℃;当采用电荷放大器作为压电传感器的二次仪表时，该测试系统的频响只能在100KHz左右;当采用电压放大器作为二次仪表时，其增益和响应速率是电缆长度的函数，更换传感器或放大器时系统必须重新标定，因而使用不方便。

本发明的目的是要克服上述传感器的缺点，以实现更高的性能指标：响应快，冲击压力响应时间为微秒级或亚微秒级，明显小于上述各种传感器的响应时间;传感器的阻值为50Ω，可与50Ω同轴电缆匹配，使压力模拟信号的传输畸变减至最小程度;工作温度大于100℃;量程达500MPa以上。与其它一次性使用的动高压传感器相比，本发明的另一目标是要能多次重复使用。

为实现上述目的，本发明采用下述实施方案：

本发明采用片状50Ω锰铜压阻元件作为敏感元件，其片厚不大于0.1mm（包括绝缘层），敏感元件结构如附图2所示。此压力敏感元件安装在钢制壳内的柱塞上，并通过50Ω同轴电缆将测到的压力模拟信号引出壳外，以便进一步处理。锰铜压阻元件的压力响应时间小于0.1μs，用它作敏感元件使本发明的响应时间也为0.1μs左右，因而可用于爆炸与冲击过程中压力脉冲的测量。本发明采用片状50Ω锰铜压阻元件和50Ω的同轴电缆，它们的阻抗是匹配的，因此本发明输出阻抗能满足高速压力模拟信号传输的需要。锰铜压阻元件的温度系数小，因此本发明的正常工作温度可大于100℃。由于本发明的敏感元件安装在钢制壳内高强度的柱塞上，该敏感元件在这种结构条件下处在准一维应变状态下工作，具有较高的屈服极限，因而其上限压力量程可大于500MPa，并能多次重复使用。

本发明的附图如下：

图1    柱塞式锰铜压阻传感器结构图

图2    双螺旋形锰铜压阻元件

图3    柱塞式锰铜压阻传感器元件分解图

图4    柱塞式锰铜压阻传感器的典型输出波形

下面结合实施例和附图进一步说明本发明的工作原理。

实施例1

柱塞式锰铜压阻传感器的一种结构如图1所示。在一个钢制传感器壳体3内的一端装有用合金工具钢或其它高强度合金钢制成的柱塞6。柱塞6为圆柱体，在柱塞6的上端面铣一个一定宽深的槽，以便将50Ω双螺旋形锰铜压阻元件8嵌入其中，在柱塞6圆柱侧面铣一个平面，以便粘接锰铜压阻元件8的引线部分，锰铜压阻元件其余部分也 用胶粘接在柱塞6上，在此锰铜压阻元件8引线部分的两端部，焊接两条耐高温塑料导线4，两焊点及导线4的裸露部分不应与壳体3接触，以免发生短路。柱塞的下端面也要铣一定宽深的槽，以便让导线4通过此槽进入壳体3的中心孔，导线4穿过壳体3的中心孔后进入壳体3的接线空腔内，与50Ω同轴电缆1相连，同轴电缆1又穿过堵头9，传送出锰铜压阻元件的探测信号。该堵头9用固定螺钉2紧固在壳体3上。为防止载荷直接作用于锰铜压阻元件8的引线部分而使其断裂，用垫圈7盖住锰铜压阻元件8的引线部分。柱塞6与垫圈7、垫圈7与传感器壳体3之间用环氧树脂类粘接剂粘接。传感器壳体3除保护锰铜压阻元件8、传感器引线4和同轴电缆1在高压环境中不遭破坏以实现多次重复使用外，还要完成与被测构件之间的连接与密封。传感器壳体3上的外螺纹是用来拧入被测构件中。传感器与被测构件之间采用O形胶圈5密封。50Ω双螺旋形锰铜压阻元件8由0.02mm厚的锰铜箔制成，在此箔的两侧涂有高强度绝缘层。柱塞6的屈服强度直接与传感器上限量程相关，因此柱塞6要用合金工具钢或其它高强度合金钢制成;传感器壳体3要承受较大的冲击压力，故壳体3材料的屈服强度必须足够大，螺纹的尺寸必须满足强度设计要求。

本发明在测量压力时，由于锰铜的压阻效应使锰铜压阻元件8产生与此压力相应的电阻变化，测量电桥又将元件8的电阻变化转变成电桥输出端的电压变化，此电压变化信号经传输线送到与它相连的仪器去放大并记录。

通过反复试用，证明本发明具有量程宽、结构简单、制造方便、成本较低、温度系数小、线性好以及动态响应速率高等特点，因此本发明有较宽广的应用前景。

Claims (3)

1、一种柱塞式锰铜压阻传感器的特征在于它包含有片装50Ω锰铜压阻元件、柱塞、50Ω同轴电缆和钢制壳体，其中50Ω锰铜压阻元件被粘贴在柱塞上，并与50Ω同轴电缆相连，然后安装在钢制壳体中。

2、根据权利要求1所述的柱塞式锰铜压阻传感器的特征在于该传感器的壳体3外部有可连接被测对象的螺纹，并设有可安装O形密封胶圈5的密封槽。

3、根据权利要求1所述的柱塞式锰铜压阻传感器的特征在于该传感器的50Ω锰铜压阻元件8上盖有一垫圈7，垫圈7用胶粘接在柱塞6和传感器壳体3内。

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