CN105806520A - 一种电阻应变式压力传感器及其测试方法 - Google Patents

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王凤平
王文瑞
路彦珍
阳建宏
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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
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    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/04—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges

Abstract

本发明公开了一种电阻应变式压力传感器，包括：压力敏感元件、金属外筒、集成电路芯片和电缆，所述压力敏感元件和所述集成电路芯片通过所述电缆相连，并设置于所述金属外筒内部；靠近所述压力敏感元件的所述金属外筒的第一筒身部分的第一内径小于靠近所述集成电路芯片的所述金属外筒的第二筒身部分的第二内径；靠近所述第一筒身部分的金属外筒的底部设置有第一塞部，所述第一塞部上均匀设置传压孔以连通所述金属外筒的内部和外部。根据本发明的电阻应变式压力传感器，可以在‑200℃至1200℃的气体环境中测量压力，使用温度范围广、测试精度高、重复度好；同时，所述电阻应变式压力传感器可灵活地固定在被测的固体结构构件上，空间利用充分、操作方便。

Description

一种电阻应变式压力传感器及其测试方法
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种电阻应变式压力传感器及其测试方法。
背景技术
随着各工业部门的机械和设备的高性能化，工作温度也越来越高，特别是航空航天、石油化工、地热勘探以及汽车等领域，很多机械设备处于高温下工作，研究构件在高温下的耐压问题，迫切需要进行模型或实物在高温工况下的压力测量。尤其是在高温高速气流、低温高速气流等恶劣环境下，超燃发动机、喷气发动机、风洞、航天器外壳等的压力测量及流场环境测量迫切需要一种具有高/低温测量功能的压力传感器。
目前，常用的压力传感器有压阻式压力传感器、光学压力传感器、应变式压力传感器等。
压阻式压力传感器是当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻值发生变化而测得压力的变化。该压力传感器一般以硅材料作为主体材料。硅器件在高于200℃温度时,传感器性能将会受到较大影响，甚至失效。当温度上升到500℃以上时,硅材料会产生电流泄露,甚至蠕变变形。由于高温下硅材料的局限性，目前已经研制出多晶硅、绝缘体上的硅(SOI)、蓝宝石上的硅(SOS)、碳化硅压力传感器等，且SOI单晶硅压力传感器的工作温度可以达到480℃，6H-SIC压力传感器温度上限达到600℃。目前对于更高温度下的压力接触式测量需将压力引出或填加水冷装置。
光学压力传感器是利用光信号的幅值、相位、频率或光强度等物理量对压力进行间接、非接触测量。光学压力传感器的优点是可以工作在高温、腐蚀性、强电磁场及易燃易爆的危险恶劣环境中。2015年公开的《一种高温压力传感器及其制造方法》发明专利(专利申请号201510481327.X)和《一种高温温度和压力光纤法布里珀罗复合微纳传感器》发明专利(专利申请号201510300783.X)均是光学压力传感器，都可以在1200℃下采用光学干涉的方法测量压力。但这些传感器是通过通气孔引入气流，在反射膜与半透膜间间构成法布利-珀罗型光学干涉仪，当流体压力作用于敏感元件时弹性膜片产生扰度变化，进而使中心硬芯端面产生位移，此位移直接转换为法布利-珀罗干涉仪空腔长度的变化。所以其测量的是总压(静压+动压)，亦即相对于真空的主导压力。且光学压力传感器也存在一定的应用难点，一是对应力和温度同时敏感，目前多用于高温高压的测量中，在普通温度低压力的情况下，温度压力交叉耦合灵敏的问题很难解决；二是封装工艺复杂；三是光信号的解调需要光谱仪和解调仪，成本较高。
电阻应变式压力传感器是被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使其产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片来感受动态压力的变化。一般在发动机或航空航天领域，研究高温下构件的耐压问题时关心的主要是动压，亦即相对于基准压力(大气压力)的压力差。应变式压力传感器确定的恰是这种压力差-动压。应变式压力传感器的优点是精度高，频响好，测量速度快，使用方便，可在高温、超低温、强磁场及核辐射等恶劣环境下对压力进行直接、接触式的原位测量。但目前市场上的电阻应变式压力传感器最高的工作温度是在350℃。
同时，在我国低温科学发展迅速的大环境下，目前的商业化压力传感器的最低工作温度是-55℃，低于此温度时无法获得准确的压力参数。
因此，有必要提供一种新型电阻应变式压力传感器来解决高温和低温下压力测量问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出一种电阻应变式压力传感器，包括：压力敏感元件2、金属外筒3、集成电路芯片4和电缆5，其中，所述压力敏感元件2和所述集成电路芯片4通过所述电缆5相连，并设置于所述金属外筒3内部；靠近所述压力敏感元件2的所述金属外筒3的第一筒身部分8的第一内径小于靠近所述集成电路芯片4的所述金属外筒3的第二筒身部分9的第二内径；靠近所述第一筒身部分8的金属外筒3的底部设置有第一塞部10，所述第一塞部10上均匀设置传压孔7以连通所述金属外筒3的内部和外部。
根据本发明的电阻应变式压力传感器，通过在靠近第一筒身部分的金属外筒的底部设置有第一塞部，并在第一塞部上均匀设置传压孔以连通所述金属外筒的内部和外部，并基于所述金属外筒3的选材和结构设计，使得所述电阻应变式压力传感器可以在-200℃至1200℃的气体环境中测量压力，使用温度范围广、测试精度高、重复度好；同时，所述电阻应变式压力传感器可灵活地固定在被测的固体结构构件上，使被测的固体结构构件在原位进行压力测试，其空间利用充分、操作方便，因而便于为高/低温压力标定、测量提供应用平台。
另外，根据本发明的电阻应变式压力传感器，还可以具有以下附加技术特征：
在本发明的一些示例中，所述压力敏感元件2包括温度敏感弹性基底材料1、应变电桥6、覆盖保护涂层、引线。
在本发明的一些示例中，所述温度敏感弹性基底材料1为蓝宝石单晶片、碳化硅(SiC)、氧化物、硼化物和氮化物陶瓷材料中的任意一种。
在本发明的一些示例中，所述应变电桥6由电阻敏感应变片组成，所述温度敏感弹性基底材料1与所述电阻敏感应变片固接。
在本发明的一些示例中，所述应变电桥6由电阻应变敏感丝栅制成。
在本发明的一些示例中，所述第一筒身部分8为圆柱，所述第二筒身部分9为正六棱柱。
本发明的另一目的在于提出一种电阻应变式压力传感器的测试方法，包含：所述金属外筒3与被测的固体结构构件11连接；所述电阻应变式压力传感器的传压孔7正对气流方向；所述压力敏感元件2受空气压力而产生应变电压变化，所述集成电路芯片4根据所述应变压力变化获取所述被测的固体结构构件11所在气体环境压力。
根据本发明的电阻应变式压力传感器的测试方法，当使用所述压力传感器进行压力测试时，使所述金属外筒的第一塞部上的传压孔正对气流方向，并基于所述金属外筒3的选材和结构设计，从而可在-200℃至1200℃的气体环境中进行压力测量，使用温度范围广、测试精度高、重复度好；同时，由于所述电阻应变式压力传感器的金属外筒可灵活地与被测的固体结构构件连接，使被测的固体结构构件可在原位进行压力测试，其空间利用充分、操作方便，因而便于为高/低温压力标定、测量提供应用平台。
另外，根据本发明的电阻应变式压力传感器，还可以具有以下附加技术特征：
在本发明的一些示例中，所述金属外筒3与被测的固体结构构件连接，包含：所述的金属外筒3与被测的固体结构构件11螺纹连接。
附图说明
图1是根据本发明实施例的电阻应变式压力传感器的侧视图；
图2是根据本发明实施例的电阻应变式压力传感器的左视图。
附图标记：
1、温度敏感弹性基底材料；
2、压力敏感元件；
3、金属外筒；
4、集成电路芯片；
5、电缆；
6、应变电桥；
7、传压孔；
8、第一筒身部分；
9、第二筒身部分；
10、第一塞部；
11、被测的固体结构构件。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图详细描述根据本发明实施例的电阻应变式压力传感器。
如图1和图2所示的，所述电阻应变式压力传感器包括：压力敏感元件2、金属外筒3、集成电路芯片4和电缆5。所述压力敏感元件2和所述集成电路芯片4都设置在所述金属外筒3内部，并且两者通过所述电缆5相连。
所述金属外筒3的筒身分为两部分，分别为第一筒身部分8和第二筒身部分9。所述第一筒身部分8靠近所述压力敏感元件2，第二筒身部分9靠近所述集成电路芯片4。在靠近所述第一筒身部分8的金属外筒3的底部设置第一塞部10，所述第一塞部10上均匀设置传压孔7以连通所述金属外筒3的内部和外部。
优选的，所述压力敏感元件2包括温度敏感弹性基底材料1、应变电桥6、覆盖保护涂层、内部引线。所述应变电桥6可以由电阻敏感应变片组成，在这种结构中，所述温度敏感弹性基底材料1与所述电阻敏感应变片固接。
当使用所述电阻应变式压力传感器进行测试时，所述温度敏感弹性基底材料1受力发生应变变化时，组成应变电桥6的电阻敏感应变片也一起发生形变。相应的，所述电阻敏感应变片的阻值同时发生改变，从而产生电压变化，最终得到气体环境和被测的固体结构构件11承受的压力。
为了使得所述电阻应变式压力传感器对通过所述传压孔7的气流感应更加敏感，同时使所述金属外筒的结构紧凑、空间利用充分，所述第一筒身部分8的第一内径小于所述第二筒身部分9的第二内径。
在本发明的一些示例中，为了使得所述电阻应变式压力传感器灵活地固定在被测的固体结构构件11上，使被测的固体结构构件能够在原位进行压力测试，所述第一筒身部分8可为圆柱，所述第二筒身部分9可为正六棱柱，其安装、操作方便。进一步的，所述第二筒身部分9可与被测的固体结构构件11螺纹连接。由此可见，这种结构的电阻应变式压力传感器也适于为高/低温压力标定、测量提供应用平台。
可替换的，所述应变电桥6可以由电阻应变敏感丝栅制成。所述温度敏感弹性基底材料1可以为蓝宝石单晶片、碳化硅(SiC)、氧化物、硼化物和氮化物陶瓷材料中的任意一种。
根据本发明的电阻应变式压力传感器，通过在靠近第一筒身部分的金属外筒的底部设置有第一塞部，并在第一塞部上均匀设置传压孔以连通所述金属外筒的内部和外部，并基于所述金属外筒3的选材和结构设计，使得所述电阻应变式压力传感器可以在-200℃至1200℃的气体环境中测量压力，使用温度范围广、测试精度高、重复度好；同时，所述电阻应变式压力传感器可灵活地固定在被测的固体结构构件上，使被测的固体结构构件在原位进行压力测试，其空间利用充分、操作方便，因而便于为高/低温压力标定、测量提供应用平台。
接下来，参考上述本发明实施例的电阻应变式压力传感器来描述其测试方法。
所述测试方法包含：所述金属外筒3与被测的固体结构构件11连接；所述电阻应变式压力传感器的传压孔7正对气流方向；所述压力敏感元件2受空气压力而产生应变电压变化，所述集成电路芯片4根据所述应变压力变化获取所述被测的固体结构构件11所在气体环境压力。
优选的，所述的金属外筒3可以与被测的固体结构构件11螺纹连接。
根据本发明的电阻应变式压力传感器的测试方法，当使用所述压力传感器进行压力测试时，使所述金属外筒的第一塞部上的传压孔正对气流方向，从而可在-200℃至1200℃的气体环境中进行压力测量，使用温度范围广、测试精度高、重复度好；同时，由于所述电阻应变式压力传感器的金属外筒可灵活地与被测的固体结构构件连接，使被测的固体结构构件可在原位进行压力测试，其空间利用充分、操作方便，因而便于为高/低温压力标定、测量提供应用平台。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种电阻应变式压力传感器，其特征在于，包括：压力敏感元件(2)、金属外筒(3)、集成电路芯片(4)和电缆5，其中，
所述压力敏感元件(2)和所述集成电路芯片(4)通过所述电缆5相连，并设置于所述金属外筒(3)内部；
靠近所述压力敏感元件(2)的所述金属外筒(3)的第一筒身部分(8)的第一内径小于靠近所述集成电路芯片(4)的所述金属外筒(3)的第二筒身部分(9)的第二内径；
靠近所述第一筒身部分(8)的金属外筒(3)的底部设置有第一塞部(10)，所述第一塞部(10)上均匀设置传压孔(7)以连通所述金属外筒(3)的内部和外部。
2.根据权利要求1所述的电阻应变式压力传感器，其特征在于，所述压力敏感元件(2)包括温度敏感弹性基底材料(1)、应变电桥(6)、覆盖保护涂层、引线。
3.根据权利要求1所述的电阻应变式压力传感器，其特征在于，所述温度敏感弹性基底材料(1)为蓝宝石单晶片、碳化硅(SiC)、氧化物、硼化物和氮化物陶瓷材料中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的电阻应变式压力传感器，其特征在于，所述应变电桥(6)由电阻敏感应变片组成，所述温度敏感弹性基底材料(1)与所述电阻敏感应变片固接。
5.根据权利要求1所述的电阻应变式压力传感器，其特征在于，所述应变电桥(6)由电阻应变敏感丝栅制成。
6.根据权利要求1-5任一所述的电阻应变式压力传感器，其特征在于，所述第一筒身部分(8)为圆柱，所述第二筒身部分(9)为正六棱柱。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的电阻应变式压力传感器的测试方法，其特征在于，
所述金属外筒(3)与被测的固体结构构件(11)连接；
所述电阻应变式压力传感器的传压孔(7)正对气流方向；
所述压力敏感元件(2)受空气压力而产生应变电压变化，所述集成电路芯片(4)根据所述应变压力变化获取所述被测的固体结构构件(11)所在气体环境压力。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述金属外筒(3)与被测的固体结构构件连接，包含：
所述的金属外筒(3)与被测的固体结构构件(11)螺纹连接。
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