CN104568239B

CN104568239B - 一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器

Info

Publication number: CN104568239B
Application number: CN201410745111.5A
Authority: CN
Inventors: 宋继红; 姚敏强; 郭军; 李拉兔; 王文霞; 康志宏
Original assignee: Taiyuan Aero Instruments Co Ltd
Current assignee: Taiyuan Aero Instruments Co Ltd
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: CN104568239A

Abstract

本发明属于压电激励振动筒压力传感器技术领域，为解决18mm压电激励振动筒压力传感器尺寸大、重量重、抗振性能差及4mm压电激励振动筒压力传感器精度及稳定性差的技术问题，提供了一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器，包括振动筒组件和电路板，振动筒组件包括振动筒、保护筒、连接套环、激拾元件、筒座组件、温度传感器、引压垫环和气压接嘴，激拾元件粘贴于振动筒内壁，振动筒、保护筒、筒座组件均与连接套环连接固定；筒座组件内设置有温度传感器和绝缘子；气压接嘴与筒座组件连接，引压垫环焊接在气压接嘴上；电路板设置在振动筒组件外部，通过导线与绝缘子上的引线相连。本发明尺寸小、重量轻、抗振性能好、测量精度及稳定性高。

Description

一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器

技术领域

本发明属于压电激励振动筒压力传感器技术领域，具体涉及一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器。

背景技术

振动筒压力传感器以薄壁圆柱（即振动筒）为谐振敏感元件，被测压力改变振动筒的等效刚度，从而改变其固有频率，通过检测薄振动筒的固有频率就可以实现对压力的测量。每个振动筒具有不同的振型，每种振型对应一定的固有频率，而结构尺寸不同，振动筒各阶振型所具有的固有频率也不相同，传感器设计的目的就是在优化的结构尺寸前提下选择合适的振型，使其能够稳定的工作在一定的频率范围内。

现有应用的振动筒压力传感器，按照工作原理区分主要有压电激励振动筒压力传感器与电磁激励振动筒压力传感器两种，电磁激励振动筒压力传感器具有非接触式测量的优点，稳定性好，但其结构工艺较为复杂，不容易实现批量生产。压电激励振动筒压力传感器目前有直径为18mm的压电激励振动筒压力传感器和直径为4mm的压电激励振动筒压力传感器，目前成熟应用的为直径为18mm压电激励振动筒压力传感器，但直径为18mm压电激励振动筒压力传感器外形尺寸为115×40×30mm³，重量为125g，采用环向波数为4，轴向半波数为1的（4，1）振型，固有频率为4.5kHz～5.9 kHz，该频率距离机载环境振动频率2kHz较近，容易受振动干扰；随着现代机载系统高精度、小型化发展的需求，现有18mm振动筒压力传感器的外形尺寸、重量及抗振性能已不能满足现有机载及测量仪表的小型化需求。

直径为4mm的压电激励振动筒压力传感器的外形尺寸为60×30×15mm³，重量为60g，采用环向波数为2，轴向半波数为1的（2，1）振型，固有频率为9.8kHz～11.5 kHz，该频率远离机载环境振动频率2kHz，抗振性能良好；虽然4mm压电激励振动筒压力传感器外形尺寸和重量有所减小，抗振性能提高，但是4mm振动筒压力传感器由于筒体结构尺寸更小、筒壁更薄而带来的工艺制约，使其产品在精度及稳定性方面暂时不能达到机载产品的工程应用需求。

发明内容

本发明为解决18mm压电激励振动筒压力传感器尺寸大、重量重、抗振性能差及4mm压电激励振动筒压力传感器精度及稳定性差的技术问题，提供了一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器，包括振动筒组件和电路板，振动筒组件包括振动筒、保护筒、连接套环、激拾元件、筒座组件、温度传感器、引压垫环和气压接嘴，所述振动筒包括上部的敏感区和下部的非敏感区，振动筒的上端密封为自由端，下端固定在连接套环上；保护筒套设于振动筒之外，振动筒与保护筒之间的空腔为真空，保护筒也固定在连接套环上；振动筒内设置有3个激拾元件，所述激拾元件在圆周方向呈120°粘贴于振动筒内壁敏感区与非敏感区交界处；连接套环的另一端与筒座组件的一端固定连接，筒座组件内设置有温度传感器和用于引出激拾元件电极引线及温度传感器引线的绝缘子；筒座组件的另一端与气压接嘴固定连接，引压垫环焊接在气压接嘴上；所述电路板设置在振动筒组件的外部，通过导线与筒座组件内的绝缘子上的引线相连。

所述保护筒的顶部设有用于抽真空的小孔，所述小孔的直径为1.5mm。

所述引压电环内部安装有用于过滤外部气体的滤网。

所述振动筒敏感区的壁厚为0.04~0.06mm、直径为9mm、高为30~32mm。

所述激拾元件采用具有压电效应的压电陶瓷材料，外形尺寸5×0.8×0.3 mm³，外表面分别镀有一层电极作为正负电极。

压电激励振动筒传感器采用环向波数为3，轴向半波数为1的（3,1）振型。

本发明的有益效果：

1.本发明9mm压电激励小型振动筒压力传感器的外形尺寸为60×22×15mm³，重量为50g，与18mm压电激励振动筒压力传感器相比，外形尺寸有所减小、重量有所减轻。

2.本发明9mm压电激励小型振动筒压力传感器采用环向波数为3，轴向半波数为1的（3，1）振型，固有频率7.9kHz～9.6 kHz，远离机载环境振动频率，与18mm压电激励振动筒压力传感器相比，从设计上避免了振动的干扰，提高了抗振性。

3.本发明9mm压电激励小型振动筒压力传感器测量精度优于0.03％FS，与4mm压电激励振动筒压力传感器测量精度优于0.05％FS相比，测量精度及稳定性有所提高。

4.与外置电磁激励小型振动筒相比，本发明9mm压电激励小型振动筒压力传感器结构简单，机电转换效率高，功耗低，便于构成不同方式的闭环系统等优点，更容易实现工程化批量生产的特点。

附图说明

图1为本发明振动筒组件的内部结构示意图；

图2为本发明的外形结构示意图；

图3为激拾元件的结构示意图；

图中：1-振动筒，2-保护筒，3-激拾元件，4-连接套环，5-筒座组件，6-温度传感器，7-引压垫环，8-滤网，9-气压接嘴，10-电路板。

具体实施方式

如图1、2所示，一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器，包括振动筒组件和电路板10，振动筒组件包括振动筒1、保护筒2、连接套环4、激拾元件3、筒座组件5、温度传感器6、引压垫环7和气压接嘴9，所述振动筒1包括上部的敏感区和下部的非敏感区，振动筒1的上端密封为自由端，下端固定在连接套环4上；保护筒2套设于振动筒1之外，振动筒1与保护筒2之间的空腔为真空，保护筒2也固定在连接套环4上；振动筒1内设置有3个激拾元件3，所述激拾元件3在圆周方向呈120°粘贴于振动筒1内壁敏感区与非敏感区交界处；连接套环4的另一端与筒座组件5的一端固定连接，筒座组件5内设置有温度传感器6和用于引出激拾元件3电极引线及温度传感器6引线的绝缘子；筒座组件5的另一端与气压接嘴9固定连接，引压垫环7焊接在气压接嘴9上；所述电路板10设置在振动筒组件的外部，通过导线与筒座组件5内的绝缘子上的引线相连。

所述保护筒1的顶部设有用于抽真空的小孔，所述小孔的直径为1.5mm。

所述引压电环7内部安装有用于过滤外部气体的滤网8。

所述振动筒1敏感区的壁厚为0.04~0.06mm、直径为9mm、高为30~32mm。

所述激拾元件3采用具有压电效应的压电陶瓷材料，外形尺寸5×0.8×0.3 mm³，外表面分别镀有一层电极作为正负电极。

振动筒组件主要组成部件的具体结构如下：

1）振动筒

振动筒壁厚及长度不同，其压力测量的范围不同，测压灵敏度亦不相同，输出特性也存在差异，该振动筒输出频率约为8kHz～10kHz，这一频率远高于振动环境试验中2kHz的振动频率，从设计上提高其抗振性能。振动筒的上端密闭，为自由端，下端固定在连接套环上。振动筒敏感元件的下端非敏感部分卡入连接套环的内孔中焊接，底座内孔的直径为10～15mm、高：4～6mm；振动筒敏感元件的敏感部分的壁厚为0.04～0.06mm、直径为9mm、高为30～32mm。

2）保护筒

将振动筒与保护筒之间的空腔抽成真空，作为压力参考标准。当被测压力传入振动筒内部的空腔时，振动筒就能感受绝对压力的大小。保护筒外部直径为15mm，高为30～38mm，保护筒与振动筒之间通过连接套环焊接固定组合在一起并保证气密良好，顶部留有直径约1.5mm的小孔作为抽真空的封口。

3）拾振与激励元件

拾振与激励元件采用具有正负电极的三片压电陶瓷片组成，在两个电极各焊接一根漆包导线通过筒座组件上的绝缘子引出与电路板连接。压电陶瓷片在圆周方向呈120°粘贴于筒壁内侧敏感与非敏感区交界处。

4）筒座组件

筒座组件用于固定绝缘子，其中一部分用于将压电陶瓷片上的电极引线引出外部，一部分用于固定连接温度传感器并将温度传感器电极引出外部。

5）气压接嘴

气压接嘴内部通过焊接安装引压垫环，引压垫环内部可安装滤网，起到过滤外部气体的作用；气压接嘴与筒座组件通过焊接连接。气压接嘴为直径为3mm的直管，并提供方便用户使用的尺寸为M2的安装螺纹孔。

材料组成如下：

1）振动筒、保护筒、连接套环

为了减小温度误差，振动筒材料选择频率温度系数和弹性模量温度系数极低的恒弹性合金材料，其合金成份重量比为Cr:5.2～5.8% 、 Ni: 43.0～44.0%、Ti:2.3～2.7%、Al: 0.5～0.8%Fe:余量。考虑筒体边界条件对传感器频率稳定性能的影响，与振动筒相连接的连接套环和保护筒应具有相同的频率温度系数及热膨胀系数，二者与振动筒选用相同的恒弹性合金材料。

2）拾振与激励元件

拾振与激励元件采用具有压电效应的压电陶瓷材料，外形尺寸5×0.8×0.3 mm³，外表面分别镀有一层电极作为正负电极，如图3所示。

3）筒座组件、气压接嘴、引压垫环

重点考虑耐环境性能，选用普通不锈钢材料。

与现有18mm压电激励振动筒压力传感器相比，本发明的9mm压电激励振动筒压力传感器整体结构外形尺寸由原有的约115×40×30mm³缩小为60×22×15mm³，振动筒组件外部直径由原有的约24mm缩小为15mm，传感器重量由约125g减小到50g。在测量压力20～2620hPa，工作温度-55℃～80℃范围内，测量精度优于0.03％FS。

表1为9mm、18mm、4mm压电激励振动筒压力传感器基本性能比较：

表1

18mm压电激励振动筒传感器固有频率4.5kHz～5.9 kHz，该频率距离机载环境振动频率2kHz较近，容易受振动干扰；本发明的9mm压电激励振动筒压力传感器固有频率7.9kHz～9.6 kHz，远离机载环境振动频率，从设计上避免了振动的干扰，提高了抗振性。

4mm压电激励振动筒压力传感器测量精度优于0.05％FS；本发明的9mm压电激励振动筒压力传感器测量精度优于0.03％FS，与4mm压电激励振动筒压力传感器相比，本发明的测量精度及稳定性有所提高。

国内对于小型化高精度压力传感器的应用目前主要集中在硅谐振压力传感器上，主要依靠进口，而国内的该类型传感器仍燃停留在预研阶段，离工程化还有一段距离，小型化振动筒压力传感器是目前国内最宜在短期实现工程应用的小型高精度压力传感器，目前9mm振动筒压力传感器已达到预计设计指标，并展开工程应用工作。

Claims

1.一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器，包括振动筒组件和电路板（10），振动筒组件包括振动筒（1）、保护筒（2）、连接套环（4）、激拾元件（3）、筒座组件（5）和气压接嘴（9），所述振动筒（1）包括上部的敏感区和下部的非敏感区，振动筒（1）的上端密封为自由端，下端固定在连接套环（4）上；保护筒（2）套设于振动筒（1）之外，振动筒（1）与保护筒（2）之间的空腔为真空，保护筒（2）也固定在连接套环（4）上；连接套环（4）的另一端与筒座组件（5）的一端固定连接，筒座组件（5）内设置有用于引出激拾元件（3）电极引线的绝缘子；筒座组件（5）的另一端与气压接嘴（9）固定连接，所述电路板（10）设置在振动筒组件的外部，通过导线与筒座组件（5）内的绝缘子上的引线相连, 其特征在于：所述振动筒（1）敏感区的壁厚为0.04~0.06mm、直径为9mm、高为30~32mm，振动筒（1）内设置有3个激拾元件（3），所述激拾元件（3）在圆周方向呈120°粘贴于振动筒（1）内壁敏感区与非敏感区交界处；采用环向波数为3，轴向半波数为1的（3,1）振型；筒座组件（5）内还设置有温度传感器（6）和用于引出温度传感器（6）引线的绝缘子，气压接嘴（9）上焊接引压垫环（7）。

2.根据权利要求1所述的一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器，其特征在于：所述保护筒（2）的顶部设有用于抽真空的小孔，所述小孔的直径为1.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器，其特征在于：所述引压电环（7）内部安装有用于过滤外部气体的滤网（8）。

4.根据权利要求1所述的一种9mm压电激励小型振动筒压力传感器，其特征在于：所述激拾元件（3）采用具有压电效应的压电陶瓷材料，外形尺寸5×0.8×0.3 mm³，外表面分别镀有一层电极作为正负电极。