CN102944353B - 抗热变形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。一种抗热变形的电容薄膜式压力传感器，它包括：机架（1）、底架（2）、薄膜（3）、陶瓷焊料、电极板（5）与电极板导线（6）；薄膜（3）将机架（1）与底架（2）分隔成两个腔室，机架（1）与薄膜（3）之间的腔室为待测气室，电极板（5）安装于待测气室中，并通过陶瓷焊料与机架（1）顶板上的凹槽周向连接；陶瓷焊料的热膨胀系数不仅低于机架（1）的热膨胀系数还低于电极板（5）的热膨胀系数，因此冷却时收缩的更慢从而抵消了机架（1）的收缩，阻止了机架上部向内的弯曲，从而保证了传感器的测量精度。

Description

抗热变形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。图1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。

温度变化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热变形会导致电极板与薄膜之间标称间距的变化从而影响测量精度。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薄膜式压力传感器，克服现有技术的不足之处，能够在长期使用中可靠而且稳定维持电极板的位置。

本发明的技术方案是：一种抗热变形的电容薄膜式压力传感器，它包括：机架、底架、薄膜、陶瓷焊料、电极板与电极板导线；

机架包括：顶板与侧板，侧板位于顶板的下方，对顶板形成周向支撑，机架的纵剖面为n型结构，顶板上开有两个通孔，一个为进气孔，另一个为电线引出口，顶板的下表面中央位置开有凹槽；

薄膜焊接在机架侧板的下端面，将机架封闭为待测气室；

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，底架中央开有通孔，通孔为抽气孔；

电极板安装于待测气室中，它包括：电极圆盘以及安装于电极圆盘上表面中央位置的电极支柱，在电极圆盘与电极支柱的连接处设有环形凹槽，电极支柱通过陶瓷焊料套接在机架顶板下表面的凹槽内，电极支柱的上端面距机架顶板间留有缝隙，电极板悬挂于待测气室中；

电极板导线一端与电极圆盘连接，另一端通过电线引出口引出，并在电线引出口处通过陶瓷焊料密封。

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，本发明中采用低热膨胀系数的陶瓷焊料的固定形式抵消了机架由于热冲击造成的位移；

（2）设置在电极支柱与电极圆盘的交界处的环形凹槽结构，可消除连接处的应力，保持电极板水平；

（3）电极板与机架仅依靠电极支柱接触，电极板悬挂于待测气室中不直接与机架接触，受到机架的热冲击及机械振动影响较小；

（4）本发明结构较为简单，易于实现安装。

附图说明

图1为背景技术中的电容压力传感器结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明在受温度影响下的热变形示意图。

其中，1-机架、2-底架、3-薄膜、5电极板、5-1-电极圆盘、5-2-电极支柱、5-3-环形凹槽、6-电极板导线、7-进气孔、8-抽气孔、9-电线引出口。

具体实施方式

参见附图2，一种抗热变形的电容薄膜式压力传感器，它包括：机架1、底架2、薄膜3、陶瓷焊料、电极板5与电极板导线6；

机架1包括：顶板与侧板，侧板位于顶板的下方，对顶板形成周向支撑，机架1的纵剖面为n型结构，顶板上开有两个通孔，一个为进气孔7，另一个为电线引出口9，顶板的下表面中央位置开有凹槽；

薄膜3焊接在机架1侧板的下端面，将机架1封闭为待测气室；

底架2的上表面设有环形凸台，环形凸台的外径等于薄膜3的直径，底架2通过其上的环形凸台与薄膜3的边缘焊接，底架2中央开有通孔，通孔为抽气孔8；

电极板5安装于待测气室中，它包括：电极圆盘5-1以及安装于电极圆盘5-1上表面中央位置的电极支柱5-2，在电极圆盘5-1与电极支柱5-2的连接处设有环形凹槽5-3，电极支柱5-2通过陶瓷焊料套接在机架1顶板下表面的凹槽内，电极支柱5-2的上端面距机架1顶板间留有缝隙，电极板5悬挂于待测气室中，电极支柱5-2的上端面距机架1顶板间的距离为2mm，环形凹槽5-3外径与内径之差为2-4mm，环形凹槽5-3的宽度为电极圆盘5-1宽度的二分之一；

电极板导线6一端与电极圆盘5-1连接，另一端通过电线引出口9引出，并在电线引出口9处通过陶瓷焊料密封。

参见附图3，本发明在受到热冲击后冷却时，机架1和电极板5会因为冷却而收缩；机架1和电极板5由于材料的热膨胀系数不同，冷却和收缩的速率也不同。机架1为金属材料热膨胀系数高，电极板5为陶瓷材料热膨胀系数较低，因此机架1遇冷收缩的快。机架1收缩方向如图箭头a所示，机架1倾向于收缩到其顶板凹槽直径比电极板支柱5-2直径小的位置，但是由于电极支柱5-2和陶瓷焊料收缩慢的原因，机架顶板内壁收缩到其中心孔的直径和陶瓷焊料直径相等时，进一步的收缩就会被阻碍，低热膨胀系数的陶瓷焊料和电极支柱5-2会产生一个外压力，如图箭头b所示。这种阻碍力最终使传感器在稳定状态下恢复到正常结构。因此采用了低热膨胀系数材料的焊料后，抵消了这种收缩变形趋势。陶瓷焊料的热膨胀系数不仅低于机架1的热膨胀系数还低于电极支柱5-2的，因此冷却时收缩的更慢从而抵消了机架1的收缩。陶瓷焊料产生的抵消力如图箭头b所示，它阻止了机架体上部向内的弯曲，有助于保持电极板的稳定性，从而保证了传感器的测量精度。

Claims (4)

1.一种抗热变形的电容薄膜式压力传感器，其特征是，它包括：机架（1）、底架（2）、薄膜（3）、陶瓷焊料、电极板（5）与电极板导线（6）；

所述机架（1）包括：顶板与侧板，所述侧板位于所述顶板的下方，对所述顶板形成周向支撑，所述机架（1）的纵剖面为n型结构，所述顶板上开有两个通孔，一个为进气孔（7），另一个为电线引出口（9），所述顶板的下表面中央位置开有凹槽；

薄膜（3）焊接在所述机架（1）侧板的下端面，将所述机架（1）封闭为待测气室；

所述底架（2）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（3）的直径，所述底架（2）通过其上的环形凸台与所述薄膜（3）的边缘焊接，所述底架（2）中央开有通孔，所述通孔为抽气孔（8）；

所述电极板（5）安装于所述待测气室中，它包括：电极圆盘（5-1）以及安装于所述电极圆盘（5-1）上表面中央位置的电极支柱（5-2），在所述电极圆盘（5-1）与所述电极支柱（5-2）的连接处设有环形凹槽（5-3），所述电极支柱（5-2）通过所述陶瓷焊料套接在所述机架（1）顶板下表面的凹槽内，所述电极支柱（5-2）的上端面距所述机架（1）顶板间留有缝隙，所述电极板（5）悬挂于所述待测气室中；

所述电极板导线（6）一端与所述电极圆盘（5-1）连接，另一端通过所述电线引出口（9）引出，并在所述电线引出口（9）处通过所述陶瓷焊料密封。

2.如权利要求1所述的一种抗热变形的电容薄膜式压力传感器，其特征是，所述电极支柱（5-2）的上端面距所述机架（1）顶板间的距离为2mm，所述环形凹槽（5-3）外径与内径之差为2-4mm，所述环形凹槽（5-3）的宽度为所述电极圆盘（5-1）宽度的二分之一。

3.如权利要求1或2所述的一种抗热变形的电容薄膜式压力传感器，其特征是，所述机架（1）采用金属材料，所述电极板（5）采用陶瓷材料，所述陶瓷焊料（4）的热膨胀系数低于所述电极板（5）的热膨胀系数。

4.如权利要求1或2所述的一种抗热变形的电容薄膜式压力传感器，其特征是，在进气孔（7）与抽气孔（8）处分别设置有挡板。

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