CN103091030A - 一种基于高分子薄膜的流体压力测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高分子薄膜的流体压力测量传感器及其测量方法。该传感器包括两个金属电极薄片，两金属电极薄片中间夹有一层高分子薄膜，构成了一个电容器。高分子薄膜能感受流体所施加的压力而发生厚度变化，此变化将使得两金属电极间距发生变化，从而导致两金属电极薄片间的电容值发生变化，通过检测电容值的变化量就可以推算出流体的压力。本发明公开的基于高分子薄膜的流体压力测量传感器体积小、结构简单、成本低，为解决流体压力的测量问题提供了一条有效的途径。

Description

一种基于高分子薄膜的流体压力测量传感器

技术领域

本发明涉及流体压力测量技术领域，尤其涉及一种高压流体内部的压力测量传感器及测量方法。

背景技术

流体广泛存在于石油、天然气、化工过程、水利工程、农业灌溉等领域中，而流体压力作为一种重要的参数，对于掌握设备工况、确保设备正常运行具有极其重要的作用。

目前，流体压力测量装置有很多种，常见的小型压力传感器有MEMS压力传感器。目前的MEMS压力传感器有压阻式压力传感器和电容式压力传感器，两者都是在硅片上制作的传感器。相对于传统的机械式传感器，MEMS压力传感器具有尺寸小、可集成等优点。然而，MEMS压力传感器仍然有一些不足之处，比如工艺过程较复杂，成本高，而且其压力测量量程小，温度稳定性欠佳等。另外基于MEMS压力传感器的压力测量装置往往需要在装置外壳增开传压孔，这就这就破坏了装置的完整性、密封性，在高压环境中很容易损坏、产生泄漏现象。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于克服当前技术的不足，提供一种基于高分子薄膜的流体压力测量传感器，该传感器结构简易、体积小、成本低，可供工程技术人员及时了解和掌握流体的实际工作状况。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于高分子薄膜的流体压力测量传感器，它包括：第一金属电极薄片、高分子薄膜、第二金属电极薄片和导线；其中，所述第一金属电极薄片与第二金属电极薄片分别紧贴在高分子薄膜的上下表面上，共同形成了一个电容器；两根导线分别连接第一金属电极薄片与第二金属电极薄片。

一种应用上述基于高分子薄膜的流体压力测量传感器进行流体压力测量的方法，包括以下步骤：

（1）在流体未对本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器施加压力时，测得由第一金属电极薄片、高分子薄膜、第二金属电极薄片组成的电容器的初始电容值C₀为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0};$

式中，ε₀为真空介电常数，ε_r为高分子薄膜的相对介电常数，s为第一金属电极薄片与第二金属电极薄片的面积，d₀为第一金属电极薄片与第二金属电极薄片的初始间距。

（2）当流体对本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器施加压力P时，第一金属电极薄片与第二金属电极薄片间的高分子薄膜的厚度会变化Δd，测得第一金属电极薄片与第二金属电极薄片间的电容值改变量ΔC；

（3）根据步骤1获得的初始电容值C0和步骤2获得的电容值改变量ΔC获得流体压力测量传感器所在处流体的压力P，该步骤具体为：

第一金属电极薄片与第二金属电极薄片间的高分子薄膜的厚度变化Δd与所施加的流体压力P之间的关系为：

$P=\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}E;$

式中，E为高分子薄膜的弹性模量，d₀为第一金属电极薄片与第二金属电极薄片的初始间距。

当高分子薄膜厚度变化Δd时，第一金属电极薄片与第二金属电极薄片间的电容值改变量为ΔC：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0-\mathrm{\Δd}}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0};$

联立以上两式，可以得出电容的变化值ΔC为：

$\mathrm{\ΔC}={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{0}s\frac{\mathrm{\Δd}/d_0}{d_0-\mathrm{\Δd}}={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s\frac{P/E}{d_0-\frac{P{d}_0}{E}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0}\frac{E}{E-P}=C_0\frac{E}{E-P},$

即 $P=\frac{\mathrm{E\ΔC}}{C_0+\mathrm{\ΔC}};$

式中，E为高分子薄膜的弹性模量，可见，由电容值改变量ΔC即可获得本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器所在处流体的压力。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

（1）本发明利用能感受压力变化的高分子薄膜，并将压力变化转换为两金属电极薄片间的电容变化，传感器结构简单、体积小、成本低。

（2）鉴于高分子薄膜优良的物理特性，利用高分子薄膜可以制作出多种不同形状的流体压力测量传感器，从而可以按照实际需求制作出多种形状不同的流体压力测量装置，可以适用于空间狭小的区域。

（3）基于本发明的流体压力测量装置在装置外壳上无需加开传压孔，减少了加工和焊接的工序，保证了结构的完整性和牢固性，显著消除了传统测压技术中存在的泄漏隐患，而且能够在高压流体环境中持续工作，使用寿命长。

附图说明

图1是本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器的结构示意图；

图中：第一金属电极薄片1、高分子薄膜2、第二金属电极薄片3、导线4。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于高分子薄膜的流体压力测量传感器与测量方法，传感器体积小、结构简单、成本低，基于此传感器的压力测量装置外壳无需开传压孔，可完全规避传统测压方式中存在的泄漏隐患，而且显著降低了流体压力测量系统的设计难度。

下面结合说明书附图具体说明本实施方式。

图1是本发明所述的一种基于高分子薄膜的流体压力测量传感器。如图1所示，本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器包括：第一金属电极薄片1、高分子薄膜2、第二金属电极薄片3和导线4，第一金属电极薄片1与第二金属电极薄片3分别紧贴在高分子薄膜2的上下表面上，共同形成了一个电容器。两根导线4分别连接第一金属电极薄片1与第二金属电极薄片3。

高分子薄膜2能感受流体压力而发生厚度变化，并使得两金属电极薄片的间距发生变化，从而改变两金属电极薄片间的电容值，因而可通过测量电容器的电容值变化量来推导流体压力。

具体来说，本发明使用上述基于高分子薄膜的流体压力测量传感器进行流体压力测量的方法包括以下步骤：

1、在流体未对本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器施加压力时，测得由第一金属电极薄片1、高分子薄膜2、第二金属电极薄片3组成的电容器的初始电容值C₀为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0};$

式中，ε₀为真空介电常数，ε_r为高分子薄膜的相对介电常数，s为第一金属电极薄片1与第二金属电极薄片3的面积，d₀为第一金属电极薄片1与第二金属电极薄片3的初始间距。

2、当流体对本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器施加压力P时，第一金属电极薄片1与第二金属电极薄片3间的高分子薄膜2的厚度会变化Δd，测得第一金属电极薄片1与第二金属电极薄片3间的电容值改变量ΔC；

3、根据步骤1获得的初始电容值C₀和步骤2获得的电容值改变量ΔC获得流体压力测量传感器所在处流体的压力P，该步骤具体为：

第一金属电极薄片1与第二金属电极薄片3间的高分子薄膜2的厚度变化Δd与所施加的流体压力P之间的关系为：

$P=\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}E;$

式中，E为高分子薄膜2的弹性模量，d0为第一金属电极薄片1与第二金属电极薄片3的初始间距。

当高分子薄膜厚度变化Δd时，第一金属电极薄片与第二金属电极薄片间的电容值改变量为ΔC：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0-\mathrm{\Δd}}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0};$

联立以上两式，可以得出电容的变化值ΔC为：

$\mathrm{\ΔC}={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{0}s\frac{\mathrm{\Δd}/d_0}{d_0-\mathrm{\Δd}}={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s\frac{P/E}{d_0-\frac{P{d}_0}{E}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0}\frac{E}{E-P}=C_0\frac{E}{E-P},$

即 $P=\frac{\mathrm{E\ΔC}}{C_0+\mathrm{\ΔC}};$

式中，E为高分子薄膜2的弹性模量，可见，由电容值改变量ΔC即可获得本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器所在处流体的压力。

Claims (2)

1.一种基于高分子薄膜的流体压力测量传感器，其特征在于，它包括：第一金属电极薄片（1）、高分子薄膜（2）、第二金属电极薄片（3）和导线（4）等；其中，所述第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）分别紧贴在高分子薄膜（2）的上下表面上，共同形成了一个电容器；两根导线（4）分别连接第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）。

2.一种应用上述基于高分子薄膜的流体压力测量传感器进行流体压力测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在流体未对本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器施加压力时，测得由第一金属电极薄片（1）、高分子薄膜（2）、第二金属电极薄片（3）组成的电容器的初始电容值C₀为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0};$

式中，ε₀为真空介电常数，ε_r为高分子薄膜的相对介电常数，s为第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）的面积，d₀为第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）的初始间距。

（2）当流体对本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器施加压力P时，第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）间的高分子薄膜（2）的厚度会变化Δd，测得第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）间的电容值改变量ΔC；

（3）根据步骤1获得的初始电容值C₀和步骤2获得的电容值改变量ΔC获得流体压力测量传感器所在处流体的压力P，该步骤具体为：

第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）间的高分子薄膜（2）的厚度变化Δd与所施加的流体压力P之间的关系为：

$P=\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}E;$

式中，E为高分子薄膜（2）的弹性模量，d₀为第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）的初始间距。

当高分子薄膜厚度变化Δd时，第一金属电极薄片（1）与第二金属电极薄片（3）间的电容值改变量为ΔC：

$\mathrm{\ΔC}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0-\mathrm{\Δd}}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0};$

联立以上两式，可以得出电容的变化值ΔC为：

$\mathrm{\ΔC}={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{0}s\frac{\mathrm{\Δd}/d_0}{d_0-\mathrm{\Δd}}={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s\frac{P/E}{d_0-\frac{P{d}_0}{E}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{d_0}\frac{E}{E-P}=C_0\frac{E}{E-P},$

即 $P=\frac{\mathrm{E\ΔC}}{C_0+\mathrm{\ΔC}};$

式中，E为高分子薄膜（2）的弹性模量，可见，由电容值改变量ΔC即可获得本发明基于高分子薄膜的流体压力测量传感器所在处流体的压力。

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