CN104181202A - 一种多冗余氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多冗余氢气传感器，主要用于检测气流中存在的成分，属于气体传感器。所述多冗余氢气传感器包括基座，装在基座上的外壳、密封接头和传感器探头，电路支架，PCB印刷电路板，电连接器安装座；所述基座上设有检测孔，所述密封接头、电路支架和PCB印刷电路板均位于外壳内，所述PCB印刷电路板与传感器探头电连接；所述基座侧壁开有进气口和出气口，该进气口和出气口通过导气孔连通，所述导气孔与所述检测孔连通。本发明可靠性高、寿命长、重量轻，最大限度地降低了因恶劣环境及自身因素引起故障的概率，在整个系统运行周期内，可实时准确获取氢气的浓度变化信息，结构简单，成本低廉，方便实用。

Description

一种多冗余氢气传感器

技术领域

本发明涉及一种用于检测气流中存在的成分的传感器。更加具体地，本发明涉及一种多冗余氢气传感器封装结构。

背景技术

为了保障在各种含氢的工业生产过程中，氢气能源的使用、转移和存储等应用方面的安全性，发展可靠性好的氢气传感器来检测氢气泄漏和氢气浓度等，已经成为当前亟需解决的问题，研究高性能的多冗余薄膜式氢气传感器也已经成为传感器领域的重要研究方向。

当前，用于氢气浓度检测的氢气传感器多基于催化燃烧型、电化学型和烧结氧化物型等原理，产品均存在较为严重的零点漂移，易中毒，长期连续工作可靠性、安全性差，使用寿命有限，选择性、抗环境干扰能力差等，较难适应长期连续工作的恶劣复杂环境。

中国发明专利CN 103760195A公开了一种钯金合金薄膜氢气传感器芯体的制造方法，该方法虽然实现了氢气浓度检测的稳定性，但是无法达到高灵敏度和长期连续工作的可靠性；中国发明专利CN101158662A提供了一种Mg和Ni合金薄膜氢气传感器，响应速度快、灵敏度高、测量范围广、不需经常校核、可重复使用，但是稳定性不高。

因此，研究具有高灵敏度、高可靠性以及高稳定性等特点的多冗余薄膜氢气传感器，满足当前石油化工、航空、航天等领域对氢气检测的需求，具有重要的现实意义。

发明内容

为研发兼具稳定性和高灵敏度、长期连续工作的可靠性的氢气传感器，本发明旨在提供一种可靠性高、寿命长、重量轻多冗余氢气传感器，该氢气传感器最大限度地降低了因恶劣环境及自身因素引起故障的概率，在整个系统运行周期内，可实时准确获取氢气的浓度变化信息，结构简单，成本低廉，方便实用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种多冗余氢气传感器，其结构特点是，包括基座，装在基座上的外壳，位于外壳内的密封接头、电路支架、传感器探头和PCB印刷电路板；所述密封接头和传感器探头均固定在基座上，所述用于安装PCB印刷电路板的电路支架固定在密封接头上；所述密封接头、电路支架、传感器探头和PCB印刷电路板一体化密闭封装外壳内；所述外壳顶部装有用于安装电连接器的电连接器安装座；所述基座上设有用于安装传感器探头的检测孔，所述传感器探头通过多根引线与PCB印刷电路板电连接；所述基座侧壁开有进气口和出气口，该进气口和出气口通过贯穿基座的导气孔连通，所述导气孔与所述检测孔连通。

以下为本发明进一步优选的技术方案。

优选地，所述传感器探头为多个，所述基座上开有多个检测孔，每个传感器探头安装在一个检测孔内，且各检测孔均与导气孔连通。

进一步地，所述传感器探头主要由氢敏芯体、与氢敏芯体电连接的柔性电路、用于固定氢敏芯体的陶瓷柱、非金属外壳组成；所述氢敏芯体表面附着多条桥阻条，并与柔性电路电连接成为一体。

所述陶瓷柱包括两块用于夹紧氢敏芯体的陶瓷夹紧件，所述氢敏芯体与单块陶瓷夹紧件具有间隙，使氢敏芯体呈悬空状态，且其正反面可完全暴露气氛中；所述氢敏芯体和陶瓷夹紧件固定后一体插入所述非金属外壳内。

所述非金属外壳采用绝热性好的高分子材料制成，且在外壁面上设有O型圈密封槽。

所述基座上开有三个检测孔，所述基座的侧壁设有外延的安装接口；所述进气口和出气口均为柱塞管螺纹密封结构，即接合部采用密封圈径向压缩，并采用外套螺母旋紧固定；所述传感器探头通过卡簧固定在相应的检测孔内。

所述密封接头包括金属座，设在金属座上的多个管脚孔，每个管脚孔内通过玻璃烧结内嵌1根管脚引线，空隙处填充玻璃质烧结；所述管脚引线与所述PCB印刷电路板相连，该PCB印刷电路板的传感信号处理电路上刷有防水油，所述电连接器与电连接器安装座之间设有橡胶垫。

所述PCB印刷电路板有三块，每块PCB印刷电路板的底端固定在电路支架上，顶端固定在外壳顶部。

所述基座、外壳、电路支架、密封接头、电连接器安装座均采用耐腐蚀、密度小的TC4钛金属加工成型。

所述基座底端面设有一盲孔，该盲孔装有用于导通检测孔与导气孔的堵头，所述堵头上端面设有环形凹槽,所述导气孔被盲孔分隔成两段。

所述密封接头与基座在真空环境下电子束焊接熔融成一体。

以下对本发明作进一步的描述。

一种多冗余氢气传感器，主要包括基座、外壳、电路支架、密封接头、传感器探头、PCB印刷电路板、电连接器、电连接器安装座、绝缘垫，所有组件进行一体化密闭封装。所述传感器探头安装在基座检测孔内；所述密封接头与所述基座进行焊接；所述电路支架与所述密封接头螺纹连接；所述外壳与所述基座进行焊接；所述PCB印刷电路板固定安装在所述外壳内；所述电联接器安装座与所述外壳进行焊接；所述电联接器固定安装在所述安装座上，接合面内嵌橡胶密封圈。

所述基座为复杂的异型件，且加工精度要求较高，设有安装接口、环测接口、导气孔、检测孔等。所述导气孔连通所述环测接口进出，进、出气接口均为柱塞管螺纹密封形式，即接合部采用O型密封圈径向压缩，并采用外套螺母旋紧固定；所述安装接口为所述基座轴为中心均布排列的4个凸耳，为避免应力集中，均倒圆角过渡。所述检测孔共有3个，以所述基座轴为中心均布排列，均与所述导气孔连通。

所述传感器探头共有3个，分别安装在所述基座阵列均布的3个检测孔内，采用O型橡胶圈柱塞密封形式及卡簧弹性固定；

所述传感器探头外壳采用绝热性好高分子材料，并设有O型圈密封槽。

所述传感器探头内部氢敏感芯体悬空卡死，正反面完全暴露气氛中。

所述传感器探头内部向外引线处通过灌封密封胶进行密封。

所述密封接头设有24个管脚孔，每个管脚孔通过玻璃烧结工艺内嵌1个管脚引线，保证了电绝缘性及内腔密封性。

所述PCB印刷电路板设有4个安装孔，采用螺钉一端固定在所述电路支架上，另一端固定在外壳上部安装面上，3块所述PCB印刷电路板均布排列呈三角体封装在所述外壳内部。

所述PCB印刷电路板传感信号处理电路上刷有防水油。

上述的多冗余氢气传感器，其中，所述的基座、外壳、电路支架、密封接头、电连接器安装座均采用耐腐蚀、密度小的TC4钛金属加工成型。

上述的多冗余氢气传感器，其中，所述的焊接工艺完全采用电子束熔融焊接。

与现有技术相比，本发明是按多个氢气传感器集成化设计，具有可靠性高、寿命长、重量轻等优点。同时，结构紧凑的装配形式及先进焊接方法提高了产品抗振性，核心元件敏感芯体的封装形式大大提高了产品工作时绝热性。从而，最大限度地降低了因恶劣的环境及自身因素引起故障的概率，在整个系统运行周期内，确保产品可实时准确获取氢气的浓度变化信息，结构简单，成本低廉，方便实用。

总之，本发明的传感器的多个功能单元组件封装成一体，尤其是核心组件传感探头独特封装方法大大提高了产品性能。

 

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。 

附图说明

图1 本发明的一种多冗余氢气传感器的外观图；

图2 本发明的一种多冗余氢气传感器的装配图；

图3 本发明的一种多冗余氢气传感器的基座外观图；

图4 本发明的一种多冗余氢气传感器的基座剖视图；

图5 本发明的一种多冗余氢气传感器的外壳外观图；

图6 本发明的一种多冗余氢气传感器的电路支架外观图；

图7 本发明的一种多冗余氢气传感器的密封接头外观图；

图8本发明的一种多冗余氢气传感器的传感器探头分解示意图。

具体实施方式

一种多冗余氢气传感器，如图1~2所示，包括基座1、外壳4、电路支架3、密封接头2、堵头6、传感器探头9、PCB印刷电路板10、电连接器8、电连接器安装座5、绝缘垫7，所有组件进行一体化密闭封装。所述传感器探头9安装在基座检测孔内；所述密封接头2与所述基座1进行焊接；所述电路支架3与所述密封接头6螺纹连接及焊接；所述外壳4与所述基座1进行焊接；所述PCB印刷电路板10固定安装在所述外壳1内；所述电联接器安装座5与所述外壳1进行焊接；所述电联接器8固定安装在所述安装座5上，接合面内嵌橡胶密封垫。

在图3及图4，所述基座1属于机加工艺复杂的异型件，设有安装接口16、环测进气口12、环测出气口13、导气孔14、3个检测孔15，并有密封面、焊接面尺寸公差及形位公差的严格要求。安装接口16按防脱设计，设有4个凸耳17，要求螺钉锁紧，方便操作且可靠性好。环测进气口12及出气口13按柱塞管螺纹形式设计，外套螺母锁紧，满足传感器安装密封要求。基座底面设有一盲孔18，并配有堵头导通两检测孔15b、15c与导气孔14，其中，堵头6设有环形凹槽，使进入传感器气体，流经导气孔14a经过一检测孔15a再分流经另两检测孔15b、15c，然后汇聚导气孔14b流出传感器。

参看图3，3个传感器探头9分别安装在基座1的3个检测孔15内，接合处配有O型橡胶圈柱塞密封，同时，为防止产品内部气压作用导致传感器探头9脱离，孔内装有特种不锈钢卡簧；3个传感器探头9共24根引线与PCB印刷电路板10连接，密封接头2的24支探针中间过渡，引线优选为柯伐合金插针，其中，为防止气体通过检测孔15渗到印刷电路板10上来，密封接头2与基座1在真空环境下进行电子束焊接熔融成体；电路支架3与密封接头2接合部采用螺纹连接后进行焊接；3个PCB印刷电路板10被螺钉紧固在同一电路支架3和外壳4上端，呈三角体阵列安装状态，其中，图5示出了外壳4上安装3个PCB印刷电路板6个螺丝孔19，图6示出了电路支架3上安装3个PCB印刷电路板6个螺丝孔20；为防止空气与水分从电联接器8安装接合密封处渗入，电连接器8安装配有橡胶垫，同时，PCB印刷电路板10上传感器信号处理电路做了防潮工艺，即表面刷有防水油。

如图2所示，本发明的传感器整体一体化封装设计，基座1与外壳4、电连接器安装座5与外壳4接合处分别采用电子束焊接熔融成体。在保证适用性条件下，按元器件最轻化减重设计要求，传感器基座1、外壳4、电路支架3、密封接头2、电连接器安装座5均采用TC4钛合金材料加工。以上的结构设计及装配工艺，使得产品内部结构紧凑，外形美观，同时增强了产品整体刚性。

在图7中，所述密封接头2的制作采用金属与玻璃封接工艺，将24个柯伐合金插针23分别嵌入金属座21管脚孔22，空隙处填充玻璃质烧结，其封接尺寸精度完全由特制高纯石墨烧结模具来保证，使得产品具有良好的绝缘性及气密性。

如图8所示，所述传感探头9由氢敏芯体24、柔性电路25、半剖陶瓷柱26a及26b、非金属外壳27、O型密封圈28组成。氢敏芯体24表面附着13条桥阻条，通过与柔性电路25电连接成为一体。氢敏芯体24卡夹在两个弧状陶瓷片26a和 26b中间，呈悬空、完全暴露在气氛中的状态，然后一体插入圆柱非金属外壳27内，组件间空隙处灌密封胶凝固在一起，灌封胶不仅使柔性电路25完全固定，同时，传感探头本体密封性得到保障。传感探头封装形式提高了传感器测试响应时间，也大大解决了氢气测试对传感探头绝热性要求。

本发明的多冗余氢气传感器以理论、试验验证、专业经验为基础设计，产品性能通过了各种试验环境的鉴定，可靠性好，适合推广应用。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (11)

1. 一种多冗余氢气传感器，其特征是，包括基座（1），装在基座（1）上的外壳（4），位于外壳（4）内的密封接头（2）、电路支架（3）、传感器探头（9）和PCB印刷电路板（10）；所述密封接头（2）和传感器探头（9）均固定在基座（1）上，所述用于安装PCB印刷电路板（10）的电路支架（3）固定在密封接头（2）上；所述密封接头（2）、电路支架（3）、传感器探头（9）和PCB印刷电路板（10）一体化密闭封装外壳（4）内；所述外壳（4）顶部装有用于安装电连接器（8）的电连接器安装座（5）；所述基座（1）上设有用于安装传感器探头（9）的检测孔（15），所述传感器探头（9）通过多根引线与PCB印刷电路板（10）电连接；所述基座（1）侧壁开有进气口（12）和出气口（13），该进气口（12）和出气口（13）通过贯穿基座（1）的导气孔（14）连通，所述导气孔（14）与所述检测孔（15）连通。

2. 根据权利要求1所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述传感器探头（9）为多个，所述基座（1）上开有多个检测孔（15），每个传感器探头（9）安装在一个检测孔内，且各检测孔均与导气孔（14）连通。

3. 根据权利要求2所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述基座（1）上开有三个检测孔（15a，15b，15c），所述基座（1）的侧壁设有外延的安装接口（16）；所述进气口（12）和出气口（13）均为柱塞管螺纹密封结构，即接合部采用密封圈径向压缩，并采用外套螺母旋紧固定；所述传感器探头（9）通过卡簧固定在相应的检测孔（15a，15b，15c）内。

4. 根据权利要求1-3之一所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述传感器探头（9）主要由氢敏芯体（24）、与氢敏芯体（24）电连接的柔性电路（25）、用于固定氢敏芯体（24）的陶瓷柱（26a，26b）、非金属外壳（27）组成；所述氢敏芯体（24）表面附着多条桥阻条，并与柔性电路（25）电连接成为一体。

5. 根据权利要求4所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述非金属外壳（27）采用绝热性好的高分子材料制成，且在外壁面上设有O型圈密封槽。

6. 根据权利要求4所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述陶瓷柱包括两块用于夹紧氢敏芯体（24）的陶瓷夹紧件，所述氢敏芯体（24）与单块陶瓷夹紧件具有间隙，使氢敏芯体（24）呈悬空状态，且其正反面可完全暴露气氛中；所述氢敏芯体（24）和陶瓷夹紧件固定后一体插入所述非金属外壳（27）内。

7. 根据权利要求1所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述密封接头（2）包括金属座（21），设在金属座（21）上的多个管脚孔，每个管脚孔内通过玻璃烧结内嵌1根管脚引线，空隙处填充玻璃质烧结；所述管脚引线与所述PCB印刷电路板（10）相连，该PCB印刷电路板（10）的传感信号处理电路上刷有防水油，所述电连接器（8）与电连接器安装座（5）之间设有橡胶垫。

8. 根据权利要求1所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述PCB印刷电路板（10）有三块，每块PCB印刷电路板（10）的底端固定在电路支架（3）上，顶端固定在外壳（4）顶部。

9. 根据权利要求1~3之一所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述基座（1）、外壳（4）、电路支架（3）、密封接头（2）、电连接器安装座（5）均采用耐腐蚀、密度小的TC4钛金属加工成型。

10. 根据权利要求1~3之一所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述基座（1）底端面设有一盲孔（18），该盲孔（18）装有用于导通检测孔（15）与导气孔（14）的堵头（6），所述堵头（6）上端面设有环形凹槽,所述导气孔被盲孔（18）分隔成两段（14a，14b）。

11. 根据权利要求1~3之一所述的多冗余氢气传感器，其特征在于，所述密封接头（2）与基座（1）在真空环境下电子束焊接熔融成一体。