CN104568238B - 压电激励谐振膜压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种压力传感器，具体是一种压电激励谐振膜压力传感器。目的是提供一种小体积、低功耗、易于批量生产、稳定性好的采用压电激励方式的谐振膜压力传感器。一种压电激励谐振膜压力传感器，包括压电激励元件、谐振膜片、压电拾取元件、保护管、玻璃绝缘子和端盖，其中谐振膜片内表面和端盖通过真空电子束焊接并抽成真空状态构成压力参考基准腔，谐振膜片外表面、保护管内表面和玻璃绝缘子之间构成压力腔，保护管顶部设有与外界连通的压力孔，压力腔通过压力孔与外界连通，谐振膜片外表面上侧粘贴有压电激励元件和压电拾取元件，压电激励元件和压电拾取元件分别通过导线与信号放大拾取电路连接。
Description
技术领域
本发明属于一种压力传感器，具体是一种压电激励谐振膜压力传感器。
背景技术
图1是一种现有电磁激励谐振膜压力传感器结构的示意图。该传感器主要由谐振膜片11、线圈激励元件12、和拾振元件13组成。其中谐振膜片11用来感受压力，线圈激励元件12用来激励谐振膜振动，拾振元件13用来检测膜片的振动频率。拾振元件12和线圈激励元件13分别放置在谐振膜片11两侧。为了实现测量绝对压力的目的，把谐振膜片11、保护管15、底座16和绝缘子17构成的空腔抽成真空状态作为压力参考基准腔14。基座16和谐振膜片11之间空腔构成压力腔，压力通过基座16进入。工作时，交变的电流流过激励线圈元件13，产生交变的电磁力，当交变电磁力频率与振动膜片11的固有频率相同时，振动膜片11产生谐振，使其边缘处的应力发生周期性的变化，该变化被振动膜片11另一侧的拾振元件13拾取，经绝缘子17输入到驱动电路18，经适当的处理后一方面反馈至激励线圈元件12，形成闭环正反馈，维持谐振膜片11的振动，另一方面经整形电路输出方波信号。
激励线圈元件12需要足够匝数，足够大的电流产生激振力，同时要求与谐振膜片11保持严格的间隙维持谐振膜片11振动，产品的体积和功耗都比较大、装配要求高。参考基准腔14由多种元件和材料形成，气密性很难得到保证，微漏将导致参考基准发生改变，传感器稳定性差。因此，在保证传感器性能的前提下，应用新型压电激励方式和拾取方式，达到减小体积、降低功耗，提高稳定性的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种小体积、低功耗、易于批量生产、稳定性好的采用压电激励方式的谐振膜压力传感器。
本发明采取以下技术方案：一种压电激励谐振膜压力传感器，包括压电激励元件、谐振膜片、压电拾取元件、保护管、玻璃绝缘子和端盖，其中谐振膜片内表面和端盖通过真空电子束焊接并抽成真空状态构成压力参考基准腔，谐振膜片外表面、保护管内表面和玻璃绝缘子之间构成压力腔，保护管顶部设有与外界连通的压力孔，压力腔通过压力孔与外界连通，谐振膜片外表面上侧粘贴有压电激励元件和压电拾取元件，压电激励元件和压电拾取元件分别通过导线与信号放大拾取电路连接。
压电激励元件和压电拾取元件采用具有压电效应的压电陶瓷材料，外形尺寸均为5mm×0.8mm×0.3mm，机电耦合系数K31≥0.3，压电常数d33＞250，谐振频率为fr， 300-10%kHz≤fr≤300+10%kHz。
压电激励元件和压电拾取元件采用导电环氧胶将负极沿谐振膜片径向方向呈180°粘贴于谐振膜片应力集中的边缘，粘贴位置4/5长度位于谐振膜片有效尺寸内，1/5长度粘贴于谐振膜片固支端。
谐振膜片、保护管和端盖采用-40℃～80℃温度范围内频率温度系数在（-10～30）×10-6/℃内的恒弹性材。
本发明基于压电元件的压电效应和逆压电效应，从而实现谐振膜压力传感器的机电转换功能。该方法实施方便、机电转换效率高、功耗低、成本低、抗干扰能力强。
与现有技术相比，本发明具有体积小、功耗低、结构简单，易于生产的优点，同时由于采用全金属零件熔焊构成参考腔，提高了传感器参考基准的可靠性，提高了传感器的稳定性。
附图说明
图1是现有电磁激励谐振膜压力传感器结构示意图；
图1中11-谐振膜片、12-线圈激励元件、13-拾振元件、14-压力参考基准腔、15-保护管、16-底座、17-绝缘子、18-驱动电路；
图2 是本发明压电激励谐振膜压力传感器结构示意图；
图2中1-压电激励元件、2-谐振膜片、3-压电拾取元件、4-保护管、5-玻璃绝缘子、6-端盖、7-压力参考基准腔。
具体实施方式
如图2所示，本发明主要由压电激励元件1、谐振膜片2和压电拾振元件3组成，其中压电激励元件1和压电拾振元件3，采用同一种压电元件，可以互换。压电激励元件1和压电拾取元件3，沿谐振膜片2径向方向呈180°粘贴于应力集中的边缘处。为了实现测量绝对压力的目的，把谐振膜片2和端盖6采用真空电子束焊接，他们之间构成的空腔，抽成真空状态作为压力参考基准腔7。谐振膜片2、保护管4和玻璃绝缘子构成压5之间构成压力腔。工作时，利用压电激励元件1的逆压电效应产生应变，带动谐振膜片2振动，当应变频率与谐振膜片2的固有频率相同时，谐振膜片2产生谐振，边缘处的应力发生周期性的变化，压电拾振元件3感受该种应力的变化（利用正压电效应）检测谐振频率，经绝缘子5输出后续电路，经后续电路处理后一方面反馈至压电激励元件1，形成闭环正反馈，维持谐振膜片2的振动，另一方面经整形电路输出方波信号。
压电激励元件1和压电拾取元件3，采用具有压电效应的压电陶瓷材料，外形尺寸5mm×0.8mm×0.3mm，外形尺寸为5mm×0.8mm×0.3mm，机电耦合系数K31≥0.3，压电常数d33＞250，谐振频率为fr，300-10%kHz≤fr≤300+10%kHz。采用导电环氧胶将压电陶瓷片（负极）沿谐振膜片径向方向呈180°粘贴于谐振膜片应力集中的边缘，粘贴位置4/5长度位于谐振膜片2有效尺寸内，1/5长度粘贴于谐振膜片2固支端，压电陶瓷在正电极焊接漆包导线通过焊接在谐振膜底部的绝缘子引出。
谐振膜片2采用频率温度系数和弹性模量温度系数极低的恒弹性材，如3J53、3J58，保护管4和端盖6采用与谐振膜片2相同的材料，这样可以较好的消除温度应力；参考基准腔有真空电子束焊接密封，可有效保证参考腔的稳定性。
Claims (3)
1.一种压电激励谐振膜压力传感器，其特征在于：包括压电激励元件（1）、谐振膜片（2）、压电拾取元件（3）、保护管（4）、玻璃绝缘子（5）和端盖（6），其中谐振膜片（2）内表面和端盖（6）通过真空电子束焊接并抽成真空状态构成压力参考基准腔（7），谐振膜片（2）外表面、保护管（4）内表面和玻璃绝缘子（5）之间构成压力腔，保护管（4）顶部设有与外界连通的压力孔，压力腔通过压力孔与外界连通，谐振膜片（2）外表面上侧粘贴有压电激励元件（1）和压电拾取元件（3），压电激励元件（1）和压电拾取元件（3）分别通过导线与信号放大拾取电路连接，压电激励元件（1）和压电拾取元件（3）采用具有压电效应的压电陶瓷材料，外形尺寸均为5mm×0.8mm×0.3mm，机电耦合系数K31≥0.3，压电常数d33＞250，谐振频率为fr，270kHz≤fr≤330kHz。
2.根据权利要求1所述的压电激励谐振膜压力传感器，其特征在于：压电激励元件（1）和压电拾取元件（3）采用导电环氧胶将负极沿谐振膜片径向方向呈180°粘贴于谐振膜片应力集中的边缘，粘贴位置4/5长度位于谐振膜片（2）有效尺寸内，1/5长度粘贴于谐振膜片（2）固支端。
3.根据权利要求2所述的压电激励谐振膜压力传感器，其特征在于：谐振膜片（2）、保护管（4）和端盖（6）采用-40℃～80℃温度范围内频率温度系数在（-10～30）×10-6/℃内的恒弹性材。
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