CN102944352B - 可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械设计和真空计量技术领域，具体涉及一种电容薄膜压力传感器。一种可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器，它包括：顶盖（1）、机架（2）、底架（3）、电极板（4）、电极板导线（5）、陶瓷焊料、薄膜（7）、毂（8）和辐（9）；所述顶盖（1）与所述薄膜（7）将所述机架（2）封闭为待测气室；电极板（5）通过毂（8）和辐（9）安装于待测气室中，具有较小热膨胀系数材料制造的辐（9）在机架（1）变形时，由于其热膨胀系数较低，变形量小，可抵消部分机架（1）发生的位移，从而可靠而且在长期使用稳定维持电极板（4）的位置。

Description

可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器

技术领域

本发明属于机械设计和真空计量技术领域，具体涉及一种电容薄膜式压力传感器。

背景技术

在文献“国内电容薄膜式压力变送器发展现状，《上海计量测试》，2002年第1期，第33页～34页”中，介绍了一种电容薄膜压力传感器的结构。如图1所示为该电容薄膜压力传感器的结构示意图，该结构包括两个气室，待测气室a和参考气室b，其中气室a由底架c以及薄膜e构成，气室b由薄膜e，机架f以及顶架g构成，这两个气室是互相隔离的。电极板d安装在参考气室中，一般由陶瓷材料制造而成。薄膜e一般由柔韧可变形的不锈钢或合金材料制造而成。底架c、薄膜e、机架f、顶架g都由金属材料构成，一般通过焊接连结到一起，并实现密封。孔m为参考气室a的进气孔、孔n为待测气室b的抽气孔。电极p为电极板测量信号的引出。h是一个弹性单元，其作用是用来固定电极板的位置，从而保证电极板与薄膜的间距稳定，h是一个波浪形垫片，即一个在轴向方向上有波浪形弯曲的金属环形垫片。薄膜与电极板构成了一个电容器，工作原理为通过两气室的压差变化使薄膜变形从而获得不同的电容值即为测量信号。

机械振动和热冲击是影响电容压力传感器加工和使用的主要因素，电容薄膜压力传感器在制造和使用过程中的机械振动和热冲击会使机架体发生形变，从而导致电极板与薄膜之间标称间距的变化而影响测量精度。如图2所示为电容薄膜式压力传感器的机架体受机械振动或热冲击影响下的变形示意图，电容薄膜式压力传感器在受到机械振动后或热冲击冷却后，传感器的部分结构如机架体会发生形变。机架体发生形变后会影响到固定在其上的电极板，从而导致电极板与薄膜间的公称距离发生变化，影响到测量精度。电极板与薄膜之间的标称间距非常重要，上述电容薄膜压力传感器防止标称间距变化的结构为弹性元件h。虽然电极板通过弹性单元h固定安装在了传感器中，但是随着长时间使用，弹性元件的老化、机械震动、尤其是热冲击造成的电容压力传感器的热变形，会使电极与薄膜之间的标称间距还会产生一些较小的变化，而且还会使电极板还产生一些较小的位移，影响了测量精度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种抗热变形的电容传感器，克服现有技术的不足之处，能够可靠而且在长期使用稳定维持电极板的位置。

本发明的技术方案是：一种可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器，其特征是，它包括：顶盖、机架、底架、电极板、电极板导线、陶瓷焊料、薄膜、毂和辐；

顶盖为圆形，其上开有两个通孔，一个为进气孔，另一个为电线引出口；

机架为空心圆环结构，其外径与顶盖以及薄膜的直径相等，顶盖焊接在机架的上端面，薄膜焊接在机架的下端面，顶盖与薄膜将机架封闭为待测气室；

底架为圆形，其中央位置开有通孔，通孔为抽气孔，底架的上表面设有环形凸台，环形凸台的外径等于薄膜的直径，底架通过其上的环形凸台与薄膜的边缘焊接；

毂的中心开有通孔，辐上设有凹槽，辐的一端固定在毂的外圆周，一端固定在机架的内侧壁，毂和辐距顶盖的下表面间留有缝隙；

电极板为圆形，其上表面中心位置有一向上凸起的电极板支柱，电极板支柱的直径小于毂的中心通孔的内径，电极板支柱通过陶瓷焊料焊接在毂的中心通孔中，电极板支柱的上端面与毂的上端面平齐，电极板悬挂于待测气室中；

电极板导线一端与电极板连接，另一端通过顶盖上的电线引出口引出，并在电线引出口处通过陶瓷焊料密封；

顶盖、机架、底架与薄膜均采用相同的金属材料，毂与辐的所选用材料的热膨胀系数低于顶盖、机架和底架材料的热膨胀系数。

有益效果：（1）温度变化通常会影响到传感器的精度，尤其是具有不同热膨胀系数的金机架和陶瓷电极板的传感器，本发明中，电极板通过毂与辐与机架连结，在待测气室中呈悬空状态，这种方式比机械固定更加可靠而且在长期使用中能维持电极板的位置稳定；

（2）辐上开有的凹槽结构，可消除应力并能够吸收机架受到机械振动和热冲击产生的变形能量；

（3）本发明使用具有较小热膨胀系数材料制造的毂和辐结构，受到机架的热冲击及机械振动影响较小；

（4）结构较为简单，易于实现安装。

附图说明

图1为背景技术中介绍的一种电容薄膜压力传感器的结构图；

图2为背景技术中架体在机械振动和热冲击下的变形示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为图3的俯视图。

其中，1-顶盖、2-机架、3-底架、4-电极板、5-电极板导线、6-电线引出口、7-薄膜、8-毂、9-辐、10-进气孔、11-抽气孔、12-凹槽。

具体实施方式

参见附图3、4，一种可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器，它包括：它包括：顶盖1、机架2、底架3、电极板4、电极板导线5、陶瓷焊料、薄膜7、毂8和辐9；

顶盖1为圆形，其上开有两个通孔，一个为进气孔10，另一个为电线引出口6；

机架2为空心圆环结构，其外径与顶盖1以及薄膜7的直径相等，顶盖1焊接在机架2的上端面，薄膜7焊接在机架2的下端面，顶盖1与薄膜7将机架2封闭为待测气室；

底架3为圆形，其中央位置开有抽气孔11，底架3的上表面设有环形凸台，环形凸台的外径等于薄膜7的直径，底架3通过其上的环形凸台与薄膜7焊接；

毂8的中心开有通孔，辐9的数量为三条，三条辐9等间距的分布在毂8的外圆周，在辐9上设有凹槽12，凹槽12可减小机械振动和热冲击时机架1的变形，从而减小对电极板造成的位移和保持电极板4的水平，每条辐9上的凹槽12有两个，两个凹槽结构10的开口方向相对，分别位于辐9的1/2处和1/4处；辐9的一端固定在毂8的外圆周，一端固定在机架2的内壁，毂8和辐9距顶盖1的下表面间留有缝隙；

电极板4为圆形，其中心位置有一向上凸起的电极板支柱，电极板支柱的直径小于毂8的中心通孔的内径，电极板支柱通过陶瓷焊料焊接在毂8的中心通孔中，电极支柱的上端面与毂8的上端面平齐，电极板4悬挂于待测气室中；

电极板导线5一端与电极板4连接，另一端通过顶盖1上的电线引出口6引出，并在电线引出口6处通过陶瓷焊料密封；

顶盖1、机架2、底架3与薄膜7均采用一致的金属材料，毂8与辐9的热热膨胀系数低于顶盖1、机架2和底架3的热膨胀系数，电极板4采用陶瓷材料，陶瓷焊料的热膨胀系数低于电极板4的热膨胀系数。为方便对本装置进行抽气、进气，在进气孔10与抽气孔11处，分别设置挡板。

本发明相较背景技术中的传感器，薄膜7选用与机架1同种材料制造的好处是与机架1具有相同的热膨胀系数，可减小机架体变形对薄膜7的影响。具有毂8和辐9的电极板固定结构，可减小这一影响带来的电极板位移，通过选用较小热膨胀系数材料制造的辐9和辐9上的凹槽12可有效抵消或吸收机架体变形造成的位移。

当机架1受到机械振动和热冲击变形时，辐上的凹槽12能够吸收一定的变形能量，而具有较小热膨胀系数材料制造的辐9在机架1受热变形时，由于其热膨胀系数较低，变形量小，可抵消部分机架1发生的位移。同样辐9由于材料的热膨胀系数与机架1不同，冷却和收缩的速率也不同，因此机架1遇冷收缩的快，机架体倾向于收缩到其中心孔直径比电极板支柱直径小的位置，但是由于辐9收缩慢的原因，机架1的收缩就会被阻碍，低热膨胀系数的辐9产生一个外压力，这种阻碍力最终使传感器在稳定状态下恢复到正常结构。因此采用了具有低热膨胀系数材料的辐9结构，抵消了这种收缩变形趋势，保证了电极板的稳定性从而保证了制造后公称距离一定。

Claims (5)

1.一种可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器，其特征是，它包括：顶盖（1）、机架（2）、底架（3）、电极板（4）、电极板导线（5）、陶瓷焊料、薄膜（7）、毂（8）和辐（9）；

所述顶盖（1）为圆形，其上开有两个通孔，一个为进气孔（10），另一个为电线引出口（6）；

所述机架（2）为空心圆环结构，其外径与所述顶盖（1）以及所述薄膜（7）的直径相等，所述顶盖（1）焊接在所述机架（2）的上端面，所述薄膜（7）焊接在机架（2）的下端面，所述顶盖（1）与所述薄膜（7）将所述机架（2）封闭为待测气室；

所述底架（3）为圆形，其中央位置开有通孔，所述通孔为抽气孔（11），所述底架（3）的上表面设有环形凸台，所述环形凸台的外径等于所述薄膜（7）的直径，所述底架（3）通过其上的环形凸台与所述薄膜（7）的边缘焊接；

所述毂（8）的中心开有通孔，所述辐（9）上设有凹槽（12），所述辐（9）的一端固定在所述毂（8）的外圆周，一端固定在所述机架（2）的内侧壁，所述毂（8）和辐（9）距顶盖（1）的下表面间留有缝隙；

所述电极板（4）为圆形，其上表面中心位置有一向上凸起的电极板支柱，所述电极板支柱的直径小于所述毂（8）的中心通孔的内径，所述电极板支柱通过所述陶瓷焊料焊接在所述毂（8）的中心通孔中，所述电极板支柱的上端面与所述毂（8）的上端面平齐，所述电极板（4）悬挂于所述待测气室中；

所述电极板导线（5）一端与所述电极板（4）连接，另一端通过所述顶盖（1）上的电线引出口（6）引出，并在所述电线引出口（6）处通过所述陶瓷焊料密封；

所述顶盖（1）、机架（2）、底架（3）与薄膜（7）均采用相同的金属材料，所述毂（8）与辐（9）的所选用材料的热膨胀系数低于所述顶盖（1）、机架（2）和底架（3）材料的热膨胀系数。

2.如权利要求1所述的一种可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器，其特征是，所述电极板（4）采用陶瓷材料，所述陶瓷焊料的热膨胀系数低于所述电极板（4）的热膨胀系数。

3.如权利要求1或2所述的一种可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器，其特征是，每条所述辐（9）上的凹槽（12）有两个，两个所述凹槽（12）的开口方向相对，分别位于所述辐（9）的1/2处和1/4处。

4.如权利要求1或2所述的一种可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器，其特征是，所述辐（9）的数量为三条，三条辐（9）等间距的分布在所述毂（8）的外圆周。

5.如权利要求1或2所述的一种可增强电极板稳定性的电容薄膜式压力传感器，其特征是，在所述进气孔（10）与抽气孔（11）处，分别设置挡板。

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