CN105953968B - 一种新型超高压压力传感器及压力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型超高压压力传感器及压力检测方法，其传感器是在主体底部设有进油口、回油口，主体上依次设有陶瓷芯、钢杆芯、弹簧杆，弹簧杆上设有预压弹簧，陶瓷芯、钢杆芯插装在陶瓷套中，主体顶部设有位移传感器与弹簧杆接触，在回油路中设有阻尼单元。其方法是将压力作用于陶瓷芯的底部，通过钢杆芯将产生的力传到弹簧杆上，弹簧杆在力的作用下压缩弹簧并产生一个位移，压缩弹簧产生的弹簧力、重力、摩擦力、惯性力、粘性阻力和压力达到一种平衡状态，通过位移传感器检测出陶瓷芯位移后，再通过压力补偿即可得到所测压力的具体数值。本发明可满足超高压液压系统的压力测量要求，而且具有结构简单、紧凑，可靠性高，受温度影响小等优点。

Description

一种新型超高压压力传感器及压力检测方法

技术领域

本发明涉及测量流体压力技术领域，具体涉及一种新型超高压压力传感器及压力检测方法。

背景技术

压力传感器是将压力转换为电信号输出的用于检测流体压力的敏感器件。其一般由弹性敏感元件和位移敏感元件(或应变计)组成，弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计金属元素分析仪转换为与压力成一定关系的电信号。

目前，超高压液压系统(70MPa以上)已成为现代液压技术发展的重要方向，在超高压液压系统中，通常采用应变片压力传感器，其具有量程大、精度高、抗冲击、稳定性强等优点；但当液压系统油液温度变化较大时，应变片的形变特性会受到温度的影响，从而带来温漂及测量误差等问题；另外，应变片的形变量与检测的压力并非呈线性关系，这也会影响其压力测量精度。

发明内容

针对上述存在问题，本发明旨在提供一种新型超高压压力传感器及压力检测方法。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种新型超高压压力传感器，包括主体、位移传感器，所述主体底部设有进油口、回油口，进油口上设有流道一、与回油口相通的回油路上设有流道二，回油路内设有阻尼单元，所述流道一上方的主体上依次设有陶瓷芯、钢杆芯、弹簧杆，弹簧杆上设有预压弹簧，所述陶瓷芯与钢杆芯同径，所述陶瓷芯、钢杆芯插装在陶瓷套中，所述陶瓷套通过外螺母固定在主体上，所述陶瓷芯、钢杆芯与陶瓷套之间形成环形管道，所述陶瓷芯、钢杆芯、弹簧杆同轴，所述弹簧杆底部与钢杆芯顶部采用半球窝状结构相接，所述主体与弹簧杆底部之间形成弹簧杆底部容腔，所述弹簧杆下部与主体配合处分别设有格兰圈和导向环；所述流道二与回油口相通且与弹簧杆底部容腔处的主体孔径相切，所述弹簧杆底部开有多个矩形槽，油液从环形管道溢流到弹簧杆底部容腔并通过多个矩形槽和流道二流向回油口；所述弹簧杆顶部与盖帽螺纹连接，所述位移传感器和预压弹簧通过盖帽固定，所述位移传感器头部与弹簧杆顶部相接触。

一种利用新型超高压压力传感器的压力检测方法，包括以下步骤：

a)将油液压力作用于陶瓷芯的底部，通过钢杆芯将产生的力传到弹簧杆上，弹簧杆在力的作用下压缩弹簧并产生一个位移，最终，压缩弹簧产生的弹簧力、重力、摩擦力、惯性力、粘性阻力和压力达到一种平衡状态；

b)首先建立由步骤a)达到的平衡状态下的平衡方程，然后根据平衡方程推导出检测压力的表达式；

c)根据步骤b)获得的压力和陶瓷芯位移的关系后，再通过以下方法进行压力补偿，首先将由位移传感器检测出的陶瓷芯在油液压力作用下产生的位移加上弹簧预压缩量后乘以弹簧的刚度，然后分别补偿粘性阻尼力、摩擦力、惯性力和重力，最后将经过补偿后的力再除以陶瓷芯的截面积就得到所测系统油液的压力。

本发明涉及的新型超高压压力传感器采用预压弹簧来平衡油液压力，通过检测陶瓷芯的运动位移进而计算油液的压力。由于弹簧刚度大、受温度的影响小，使得该传感器的测压量程大，并克服了由于油液温度变化而引起测量误差的问题；陶瓷芯提高了该传感器的抗腐蚀性及抗磨损性。

本发明的一种新型超高压压力传感器结构及其压力检测方法，可满足超高压液压系统的测压要求，而且其结构简单、紧凑，可靠性高，受温度影响小。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、采用弹簧力平衡油液压力，由于弹簧的刚度大且受温度的影响小，使得该传感器的测压量程大且克服了由于油液温度变化引起测量误差的问题。

2、可根据所需要测量压力范围的不同而选取不同刚度的弹簧，从而组成不同系列及测量范围的压力传感器产品，以提高该压力传感器的通用性。

3、与其他压力传感器相比，在该压力传感器的主体上开有回油口，油液从陶瓷套和陶瓷芯之间形成的环形管道溢流到弹簧杆底部容腔，之后通过从弹簧杆底部开的矩形槽流向回油口，使弹簧杆底部容腔压力始终为零，因此不会影响所测压力的精度。

4、在回油路上设有一个相当于单向阻尼器的阻尼单元，当所测流体的压力发生突变时，其能限制陶瓷芯的最大速度，能有效防止陶瓷芯与主体相撞而致使其破裂。

5、本发明的压力检测方法可补偿压力传感器中陶瓷芯的惯性、重力、运动阻尼、摩擦力以及预压弹簧的预压缩量，从而进一步提高了压力传感器的检测精度。

附图说明

图1为本发明的超高压压力传感器结构三维示意图。

图2为本发明的超高压压力传感器结构示意图。

图3为本发明的超高压压力传感器的主体结构俯视图及其A-A向剖视图。

图4为本发明的超高压压力传感器的弹簧杆结构仰视图及其B-B向剖视图。

图5为本发明的超高压压力传感器的钢杆芯结构主视图。

图6为图2中Ⅰ部局部放大图。

图7为本发明的超高压压力传感器的盖帽结构左视图及其C-C向剖视图。

图8为本发明的压力检测方法的检测原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：

如图1～2所示，一种新型超高压压力传感器，其结构是由主体1，陶瓷芯2，钢杆芯3，陶瓷套4，外螺母5，格兰圈6，导向环7，弹簧杆8，预压弹簧9，盖帽10，位移传感器11，螺堵12，阻尼单元，回油口16、进油口17组成。其中，陶瓷芯2、钢杆芯3与陶瓷套4之间形成环形流道；预压弹簧可采用圆柱弹簧或蝶形弹簧，当压力在70MPa-200MPa时采用圆柱弹簧，当压力超过200MPa时采用碟形弹簧，本实施例中的液压系统压力不超过200MPa，其预压弹簧选用圆柱弹簧。

如图1～3所示，主体1的内螺纹20和外螺母5相旋合将陶瓷套4固定在孔径19中，孔径21与弹簧杆8上的格兰圈6配合形成动密封，内螺纹23和盖帽10上的外螺纹32旋合给弹簧9产生一个预压缩力，流道二24和回油口16相通且和孔径21的底部相切。

如图3～5所示，弹簧杆8，其底部开有4道均布的矩形槽27，以保证弹簧杆底部容腔和流道二24相通，半球槽28与钢杆芯3顶部的半球29相接，这种结构可以有效防止由于偏载而导致钢杆芯3的折断；

如图6所示，阻尼单元是由弹簧13、阻尼件14、螺纹帽15组成的单向阻尼器，其依靠在螺纹帽15上加工的外螺纹与内螺纹26(见图3)旋合，将其定位在回油路上，当弹簧杆8(见图2)向上运动时，油液由油箱顶开阻尼单元的阀口进入弹簧杆底部容腔，当弹簧杆向下运动时，弹簧杆底部容腔油液必须经过阻尼件的阻尼小孔30流回油箱。

如图2、图7所示，盖帽10的孔径31对弹簧杆8有导向作用，内螺纹33和位移传感器11外壳上加工的外螺纹旋合从而起到固定位移传感器11的作用。

本发明的新型超高压压力传感器的工作流程如下：

液压系统油液经由进油口和流道一18流至陶瓷芯2底部截面，当压力作用在陶瓷芯2的底部时，压力推动陶瓷芯2，其再带动钢杆芯3和弹簧杆8向上产生一定的位移量，与此同时其会压缩预压弹簧9，当压缩预压弹簧产生的弹簧力、重力、摩擦力、惯性力、粘性阻力和压力达到一种平衡状态时，运动停止。此时，通过位移传感器11检测出陶瓷芯2运动的位移量，再通过外部的补偿即可得到所测压力的具体数值。

在正常情况下，阻尼件14在其自重和弹簧13的共同作用下会与螺纹帽15形成一个封闭的阀口，但当所测压力上升时，弹簧杆8向上移动导致其底部的封闭容腔变大而形成一定的真空度，此时从油箱来的油液会顶开由阻尼件14和螺纹帽15形成的阀口而进入到弹簧杆8底部容腔内；再当所测压力突然降低时，在被压缩预压弹簧9的作用下会使得弹簧杆8和陶瓷芯2产生一个很大的加速度(若无该阻尼单元，陶瓷芯2就很有可能与主体1相撞而破裂)，但此时回油路上的油液必须经过阻尼小孔30流回油箱，从而在弹簧杆底部容腔和油箱之间会产生一个压差，从而可以有效控制弹簧杆8和陶瓷芯2的下降速度，进而防止陶瓷芯2与主体1相撞而破裂。

如图8所示，一种利用新型超高压压力传感器的压力检测方法，该方法先通过位移传感器11检测出陶瓷芯2在油液压力作用下产生的位移，再加上弹簧9预压缩量后乘以弹簧9的刚度K，然后分别补偿粘性阻尼力、摩擦力、惯性力和重力，最后，经过补偿的力再除以陶瓷芯2的截面积后就得到所测系统油液的压力。包括以下步骤：

a)将油液压力作用于陶瓷芯2的底部，通过钢杆芯3将产生的力传到弹簧杆8上，弹簧杆在力的作用下压缩预压弹簧9并产生一个位移x_p，最终，压缩预压弹簧产生的弹簧力、重力、摩擦力、惯性力、粘性阻力和压力达到一种平衡状态；

b)首先建立由步骤a)达到的平衡状态下的平衡方程：

Kx+M_tg+F_f+B_pv+M_ta＝PA，

式中：K—弹簧刚度；x—预压弹簧总压缩量，其值等于预压弹簧的预压缩量x_b和陶瓷芯的位移量x_p之和；M_t—等效质量，其值等于陶瓷芯、钢杆芯、弹簧杆和弹簧质量之和；g—重力加速度；F_f—摩擦力；B_p—粘性阻尼系数；v—陶瓷芯速度，此速度与钢杆芯和弹簧杆速度相同；a—陶瓷芯加速度，此加速度与钢杆芯和弹簧杆加速度相同；P—所测系统压力；A—陶瓷芯的截面积；

然后根据平衡方程推导出检测压力的表达式：

c)根据步骤b)获得的压力和陶瓷芯2位移的关系后，再通过以下的检测补偿方法进行压力补偿，首先将由位移传感器11检测出的陶瓷芯2在油液压力作用下产生的位移量x_p(通过对位移传感器输出信号进行信号去噪处理后得到)加上预压弹簧9的预压缩量x_b后乘以预压弹簧的刚度K，然后分别补偿粘性阻尼力B_pv(通过对陶瓷芯的位移量x_p进行微分和信号处理后乘以粘性阻尼系数B_p后得到)、摩擦力F_f、惯性力M_ta(通过对陶瓷芯的位移量x_p进行两次微分和信号处理后乘以等效质量M_t后得到)和重力M_tg，最后将经过补偿后的力再除以陶瓷芯的截面积A就得到所测系统油液的压力。

Claims (6)

1.一种新型超高压压力传感器，包括主体、位移传感器，其特征在于，所述主体底部设有进油口、回油口，所述进油口上设有流道一，回油路上设有流道二，回油路内设有阻尼单元，所述流道一上方的主体上依次设有陶瓷芯、钢杆芯、弹簧杆，弹簧杆上设有预压弹簧，所述陶瓷芯与钢杆芯同径，所述陶瓷芯、钢杆芯插装在陶瓷套中，所述陶瓷套通过外螺母固定在主体上，所述陶瓷芯、钢杆芯与陶瓷套之间形成环形管道，所述陶瓷芯、钢杆芯、弹簧杆同轴，所述弹簧杆底部与钢杆芯顶部采用半球窝状结构相接，所述主体与弹簧杆底部之间形成弹簧杆底部容腔，所述弹簧杆下部与主体配合处分别设有格兰圈和导向环；所述流道二与回油口相通且与弹簧杆底部容腔处的主体孔径相切，所述弹簧杆底部开有多个矩形槽，油液从环形管道溢流到弹簧杆底部容腔并通过多个矩形槽和流道二流向回油口；所述弹簧杆顶部与盖帽螺纹连接，所述位移传感器和预压弹簧通过盖帽固定，所述位移传感器头部与弹簧杆顶部相接触。

2.根据权利要求1所述的一种新型超高压压力传感器，其特征在于，所述阻尼单元为由弹簧、阻尼件、螺纹帽组成的单向阻尼器，当弹簧杆向上运动时，油液由油箱顶开阻尼单元的阀口进入弹簧杆底部容腔，当弹簧杆向下运动时，弹簧杆底部容腔油液必须经过阻尼件的阻尼小孔流回油箱。

3.根据权利要求1所述的一种新型超高压压力传感器，其特征在于，所述弹簧杆底部开有四个均布排列的矩形槽。

4.根据权利要求1所述的一种新型超高压压力传感器，其特征在于，所述主体外侧设有螺堵用于封闭所述流道二。

5.根据权利要求1所述的一种新型超高压压力传感器，其特征在于，所述预压弹簧采用圆柱弹簧或蝶形弹簧，当压力在70MPa-200MPa时采用圆柱弹簧，当压力超过200MPa时采用碟形弹簧。

6.一种利用如权利要求1所述超高压压力传感器的压力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将油液压力作用于陶瓷芯的底部，通过钢杆芯将产生的力传到弹簧杆上，弹簧杆在力的作用下压缩预压弹簧并产生一个位移x_p，最终，压缩预压弹簧产生的弹簧力、重力、摩擦力、惯性力、粘性阻力和压力达到一种平衡状态；

b)首先建立由步骤a)达到的平衡状态下的平衡方程：

Kx+M_tg+F_f+B_pv+M_ta＝PA，

式中：K—弹簧刚度；x—预压弹簧总压缩量，其值等于预压弹簧的预压缩量x_b和陶瓷芯的位移量x_p之和；M_t—等效质量，其值等于陶瓷芯、钢杆芯、弹簧杆和弹簧质量之和；g—重力加速度；F_f—摩擦力；B_p—粘性阻尼系数；v—陶瓷芯速度，此速度与钢杆芯和弹簧杆速度相同；a—陶瓷芯加速度，此加速度与钢杆芯和弹簧杆加速度相同；P—所测系统压力；A—陶瓷芯的截面积；

然后根据平衡方程推导出检测压力的表达式：

c)根据步骤b)获得的压力和陶瓷芯位移的关系后，再通过以下方法进行压力补偿，首先将由位移传感器检测出的陶瓷芯在油液压力作用下产生的位移量x_p加上预压弹簧的预压缩量x_b后乘以预压弹簧的弹簧刚度K，然后分别补偿粘性阻尼力B_pv、摩擦力F_f、惯性力M_ta和重力M_tg，最后将经过补偿后的力再除以陶瓷芯的截面积A就得到所测系统油液的压力。