CN104535250B - 一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，包括底座，支架套筒连接在底座上，支架套筒设有下充液体孔，承压圆筒置于支架套筒内，其承压孔与底座的通孔对齐，烧结座连接在支架套筒上，烧结座的下台阶孔台开有烧结孔，下台阶孔通过液体通孔连通至上台阶孔，上台阶孔侧壁设有上充液孔，烧结柱固定在烧结孔中，顶盖连接在烧结座上，敏感元件贴合在下台阶孔的台阶面上，敏感元件上的惠斯通电桥通过烧结柱连接至外部电路，承压圆筒、底座、支架套筒、下台阶孔与敏感元件围成的腔体构成下液体腔，顶盖、上台阶孔、液体通孔与敏感元件围成的腔体构成上液体腔，下、上液体腔中充满可压缩液体，双液体腔结构形成高温补偿结构，改善测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器。
背景技术
耐高温超高压力传感器的研发一直都是传感器技术领域的重点。超高压力传感器一般基于电容、应变、压电及压阻效应设计制作。电容式传感器输出信号小，线性误差较大，需要专门的调理电路；应变式传感器同样输出过小，灵敏度较低，在高温情况下还会发生蠕变；压电式传感器多用于动态压力测量，虽然通过信号处理可以测量准静态压力，但仍然不能用来测量静态信号，且对测量介质敏感；硅压阻式传感器由于硅芯片本身的材料强度极限，测量上限仅为150MPa，锰铜压阻式传感器由于结构原因，存在密封与绝缘问题。为克服上述效应传感器测量超高压力时存在的问题，目前广泛采用弹性元件与敏感元件为组合式结构的耐高温压力传感器方案。这种方案的测量量程可达1000MPa以上，适用被测介质范围宽，且密封可靠性高。但这类传感器也有一定的不足之处：1)敏感元件通过多种工艺封装在金属弹性元件上，而敏感元件、金属弹性元件及封装材料的热膨胀系数差异会产生封装残余应力，在宽温度范围下应用时，就会表现出稳定性差等问题；2)如果敏感元件是基于金属的电阻效应，如溅射薄膜或采用高温箔式金属应变片的压力传感器，由于金属的电阻率小，电阻系数很低， 传感器的灵敏度很小(仅几mV/V)，因而信噪比差，对后续的信号处理电路要求较高；3)弹性元件与敏感元件组合式结构中诸如承压机构、传力机构等机械元件，由于其加工误差，装配误差等原因，会存在很多不稳定因素：如纯机械传递结构中，支撑部件与敏感、承压元件的封装困难，且存在加工、装配引起的系统误差与封装材料其本身特性引起的非系统误差；又如机械硅油传递结构中，硅油本身作为一种温度体积变化比例大的材料，在宽温度范围下使用会存在温度应力，而会使传感器的温度适用性变差，硅油本身具有体积模量，在实际使用中由于体积模量的存在也会引入系统误差。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，克服了纯机械传递结构中的封装难题，改善了测量误差，还可以有效降低硅油机械传递结构中硅油因温度体积变化带来的温度应力误差。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，包括底座1，底座1中心设有通孔1-1，支架套筒3连接在底座1上，支架套筒3的侧壁设有下充液体孔3-1，承压圆筒2置于支架套筒3的内腔，承压圆筒2底部连接在底座1上，承压圆筒2内部设有承压孔2-1，承压孔2-1与通孔1-1对齐，烧结座4连接在支架套筒3上，烧结座4的上、下两端面均开有台阶孔，下台阶孔4-1台阶面上开有四个以上的烧结孔4-3，烧结孔4-3连通至烧结座4壳体外部，下台阶孔4-1通过液体通孔4-4连通至上台阶孔4-2，上台阶孔4-2侧壁设 有上充液孔4-5，烧结柱10通过浆料16固定在烧结孔4-3中，顶盖5连接在烧结座4上，敏感元件8贴合在下台阶孔4-1的台阶面上并置于液体通孔4-4上，敏感元件8为流体隔离结构，敏感元件8上设有惠斯通电桥，惠斯通电桥通过金丝引线9与烧结柱10内端连接，烧结柱10外端通过第一高温电缆线11-1与高温转接板12连接，高温转接板12设置在顶盖5上，高温转接板12通过第二高温电缆线11-2穿过外壳13上的固线帽连接至外部电路，由承压圆筒2外表面、底座1上表面、支架套筒3内表面、下台阶孔4-1内表面与敏感元件8下表面所围成的腔体构成下液体腔14，由顶盖7、上台阶孔4-2内表面、液体通孔4-4内表面与敏感元件8上表面所围成的腔体构成上液体腔15，下液体腔14、上液体腔15中充满可压缩液体，下液体腔14，上液体腔15体积相等。
所述的底座1、承压圆筒2通过机械加工工艺制作成一体化结构。
所述的底座1、承压圆筒2、支架套筒3或制作成一体化结构。
所述的下充液孔3-1或开在烧结座4的侧壁，与下台阶孔4-1连通，烧结孔4-3、液体通孔4-4或开在上台阶孔4-2处，此种结构烧结孔4-3连通至烧结座4壳体外部，液体通孔4-4连通至下台阶孔4-1，敏感元件8贴合在上台阶孔4-2的台阶面上并置于液体通孔4-4上。
所述的底座1与承压圆筒2采用高强度高韧性合金制作，承压圆筒2为圆柱形圆筒，经过自增强处理后形成弹性层2-3与塑性层2-2，弹性层2-3在外，塑性层2-2在内，承压孔2-1在塑性层2-2内，直接接触被测介质；承压圆筒2或制成膜片、波纹膜片的承压结构，用于一般压力的测量；承压圆筒2经过热处理后能够承受400℃高温冲击。
所述的支架套筒3的下充液孔3-1用第一密封珠6-1及第一顶丝7-1密封， 形成下液体腔14的密封结构。
所述的上充液孔4-5用第二密封珠6-2及第二顶丝7-2密封，形成上液体腔15的密封结构。
所述的敏感元件8通过SOI技术制作，能够在250℃以下使用。
所述的下液体腔14与上液体腔15中充满的可压缩液体为耐高温绝缘液体，包括高温硅油。
由于底座1与承压圆筒2采用了高强度高韧性材料制作，承压圆筒2为自增强圆筒结构，克服了硅基材料结构测量量程小的缺点；由于这种高强度材料和测量介质兼容性好，该传感器也克服一般的硅基材料一体化传感器测量介质兼容性差的缺点；敏感元件8采用SOI技术制作的敏感元件，压阻系数较高，所以传感器的输出灵敏度可达20mV/V以上，远远高于溅射薄膜或采用高温箔式金属应变片的压力传感器的输出电压(仅几mV/V)，因此灵敏度和信噪比都较好，降低了对后续调理电路的要求。双液体腔传感器有上下两个液体腔，液体腔体积相等，液体腔中的液体分别作用在敏感元件8的上面和下面。当温度发生变化，液体体积随之变化，而相同体积的液体会发生相等的体积变形量，从而在硅片上下表面产生相同的热应力，抵消了因温度体积导致的热应力误差。双液体腔传感器，与机械硅油传递超高压力传感器敏感机理也不同，双液体腔传感器的敏感过程是上下液体腔中的液体与敏感芯片共同作用最后达到综合状态，考虑了液体的体积模量对传感器性能的影响，由于机械硅油传感器的敏感过程忽略了液体的体积模量，所以双液体腔传感器克服了液体体积模量引入的系统误差。整个传感器的零件都可通过相关技术手段制作成使用温度在250℃以下的耐高温零件，因 此双液体腔传感器可以在250℃高温条件下使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2-a为底座1及承压圆筒2主视图；图2-b为承压圆筒2放大剖视图。
图3为支架套筒3的结构主视图。
图4-a为烧结座4的结构主视图；图4-b为烧结座4的剖视图与剖视局部放大图。
图5为本发明的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做更详细的说明。
参照图1、图2-a、图3和图4-b，一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，包括底座1，底座1中心设有通孔1-1，底座1用于连接压力源引入压力，支架套筒3连接在底座1上，支架套筒3对整体结构起支撑连接保护的作用，支架套筒3的侧壁设有下充液体孔3-1，用于充液，承压圆筒2置于支架套筒3的内腔，承压圆筒2底部连接在底座1上，承压圆筒2内部设有承压孔2-1，承压孔2-1与通孔1-1对齐，承压圆筒2用于承载压力并将压力转化为承压圆筒2体积变形量，烧结座4连接在支架套筒3上，烧结座4的上、下两端面均开有台阶孔，台阶孔用于形成液体腔，下台阶孔4-1台阶面上开有四个以上的烧结孔4-3，烧结孔4-3连通至烧结座4壳体外部，下台阶孔4-1通过液体通孔4-4连通至上台阶孔4-2，液体通孔4-4将上、下台阶孔形成的液体腔汇集至敏感元件8，上台阶孔4-2侧壁设有上充液孔4-5，用于充液，烧结柱10通过浆料16一一对应的固定在烧结孔4-3中，形成引线的绝缘密封 结构，顶盖5连接在烧结座4上，用于封闭上台阶孔4-2形成液体腔，敏感元件8贴合在下台阶孔4-1的台阶面上并置于液体通孔4-4上，敏感元件8为流体隔离结构，敏感元件8用于感测液体腔内部压力，敏感元件8上设有惠斯通电桥，惠斯通电桥通过金丝引线9与烧结柱10内端连接，烧结柱10外端通过第一高温电缆线11-1与高温转接板12连接，高温转接板12设置在顶盖5上，高温转接板12通过第二高温电缆线11-2穿过外壳13上的固线帽连接至外部电路，由承压圆筒2外表面、底座1上表面、支架套筒3内表面、下台阶孔4-1内表面与敏感元件8下表面所围成的腔体构成下液体腔14，由顶盖7、上台阶孔4-2内表面、液体通孔4-4内表面与敏感元件8上表面所围成的腔体构成上液体腔15，下液体腔14、上液体腔15中充满可压缩液体，下液体腔14用于传递被测介质压力，上液体腔15用于抵消下液体腔14产生的温度应力与体积模量引入应力，下液体腔14，上液体腔15体积相等可以使温度应力与体积模量引入应力完全补偿。
所述的底座1、承压圆筒2通过机械加工工艺制作成一体化结构。
所述的底座1、承压圆筒2、支架套筒3制作成一体化结构，一体化结构可以提高整体结构的强度，提升传感器性能。
所述的下充液孔3-1或开在烧结座4的侧壁，与下台阶孔4-1连通，烧结孔4-3、液体通孔4-4或开在上台阶孔4-2处，此种结构烧结孔4-3连通至烧结座4壳体外部，液体通孔4-4连通至下台阶孔4-1，敏感元件8贴合在上台阶孔4-2的台阶面上并置于液体通孔4-4上，此结构改变不会引起功能的改变。
所述的底座1与承压圆筒2采用高强度高韧性合金制作，达到自增强处理材料要求；参照图2-b，承压圆筒2为圆柱形圆筒，经过自增强处理后形成 弹性层2-3与塑性层2-2，弹性层2-3在外，塑性层2-2在内，使工作压力引起的结构内应力降低，承压孔2-1在塑性层2-2内，直接接触被测介质；承压圆筒2或制成膜片、波纹膜片的承压结构，用于一般压力的测量；承压圆筒2经过热处理后能够承受400℃高温冲击。
参照图3，所述的支架套筒3的下充液孔3-1用第一密封珠6-1及第一顶丝7-1密封，形成下液体腔14的密封结构。
参照图4-a，所述的上充液孔4-5用第二密封珠6-2及第二顶丝7-2密封，形成上液体腔15的密封结构。
所述的敏感元件8通过SOI技术制作，能够在250℃以下使用。
所述的下液体腔14与上液体腔15中充满的可压缩液体为耐高温绝缘液体，包括高温硅油。
本发明的工作原理为：
参照图5，上液体腔15与下液体腔14初始内部压力相等，被测介质压力P作用在承压圆筒2内部的承压孔2-1，使承压圆筒2产生与被测介质压力P成正比的体积变形量，该体积变形量作用在下液体腔14中的流体，使之压缩，下液体腔14内部流体压强增大，该压强传递并作用在敏感芯片8的下表面；由于上液体腔15中的液体初始状态不受变形，压强不变，所以在上、下液体腔中间的敏感芯片8两侧行成压力差，由流体压力体积规律可知，压力差与敏感芯片8相互作用最终达到平衡状态，使敏感芯片8产生与被测介质压力P成比例的形变；敏感芯片8上的惠斯通电桥感受到变形，在恒定电源激励下，产生与被测介质压力P成正比的电信号，从而进行超高压压力的检测，由于承压圆筒2、敏感芯片8选用可承受250℃以上的材料，双液体腔结构形 成高温补偿结构，所以本发明的传感器可在250℃以内稳定使用。
采用本发明的传感器，其技术参数可以达到以下要求：
(1)测量范围：0～1GPa
(2)精度：优于1％FS
(3)满量程输出：大于20mV/V
(4)补偿温度范围：20℃～200℃
(5)使用温度范围：-40℃～250℃
(6)最高温度冲击：400℃
(7)过载能力：120％FS
(8)使用寿命：≥106次。
Claims (9)
1.一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，包括底座(1)，其特征在于：底座(1)中心设有通孔(1-1)，支架套筒(3)连接在底座(1)上，支架套筒(3)的侧壁设有下充液孔(3-1)，承压圆筒(2)置于支架套筒(3)的内腔，承压圆筒(2)底部连接在底座(1)上，承压圆筒(2)内部设有承压孔(2-1)，承压孔(2-1)与通孔(1-1)对齐，烧结座(4)连接在支架套筒(3)上，烧结座(4)的上、下两端面均开有台阶孔，下台阶孔(4-1)台阶面上开有四个以上的烧结孔(4-3)，烧结孔(4-3)连通至烧结座(4)壳体外部，下台阶孔(4-1)通过液体通孔(4-4)连通至上台阶孔(4-2)，上台阶孔(4-2)侧壁设有上充液孔(4-5)，烧结柱(10)通过浆料(16)固定在烧结孔(4-3)中，顶盖(5)连接在烧结座(4)上，敏感元件(8)贴合在下台阶孔(4-1)的台阶面上并置于液体通孔(4-4)上，敏感元件(8)为流体隔离结构，敏感元件(8)上设有惠斯通电桥，惠斯通电桥通过金丝引线(9)与烧结柱(10)内端连接，烧结柱(10)外端通过第一高温电缆线(11-1)与高温转接板(12)连接，高温转接板(12)设置在顶盖(5)上，高温转接板(12)通过第二高温电缆线(11-2)穿过外壳(13)上的固线帽连接至外部电路，由承压圆筒(2)外表面、底座(1)上表面、支架套筒(3)内表面、下台阶孔(4-1)内表面与敏感元件(8)下表面所围成的腔体构成下液体腔(14)，由顶盖(7)、上台阶孔(4-2)内表面、液体通孔(4-4)内表面与敏感元件(8)上表面所围成的腔体构成上液体腔(15)，下液体腔(14)、上液体腔(15)中充满可压缩液体，下液体腔(14)、上液体腔(15)体积相等。
2.根据权利要求1所述的一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的底座(1)、承压圆筒(2)通过机械加工工艺制作成一体化结构。
3.根据权利要求1所述的一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的底座(1)、承压圆筒(2)、支架套筒(3)或制作成一体化结构。
4.根据权利要求1所述的一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的下充液孔(3-1)或开在烧结座(4)的侧壁，与下台阶孔(4-1)连通，烧结孔(4-3)、液体通孔(4-4)或开在上台阶孔(4-2)处，此种结构烧结孔(4-3)连通至烧结座(4)壳体外部，液体通孔(4-4)连通至下台阶孔(4-1)，敏感元件(8)贴合在上台阶孔(4-2)的台阶面上并置于液体通孔(4-4)上。
5.根据权利要求1所述的一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的底座(1)与承压圆筒(2)采用高强度高韧性合金制作，承压圆筒(2)为圆柱形圆筒，经过自增强处理后形成弹性层(2-3)与塑性层(2-2)，弹性层(2-3)在外，塑性层(2-2)在内，承压孔(2-1)在塑性层(2-2)内，直接接触被测介质；承压圆筒(2)或制成膜片的承压结构，用于一般压力的测量；承压圆筒(2)经过热处理后能够承受400℃高温冲击。
6.根据权利要求1所述的一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的支架套筒(3)的下充液孔(3-1)用第 一密封珠(6-1)及第一顶丝(7-1)密封，形成下液体腔(14)的密封结构。
7.根据权利要求1所述的一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的上充液孔(4-5)用第二密封珠(6-2)及第二顶丝(7-2)密封，形成上液体腔(15)的密封结构。
8.根据权利要求1所述的一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的敏感元件(8)通过SOI技术制作，能够在250℃以下使用。
9.根据权利要求1所述的一种自增强圆筒式双液体腔结构的耐高温超高压力传感器，其特征在于：所述的下液体腔(14)与上液体腔(15)中充满的可压缩液体为耐高温液体，包括高温硅油。
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