CN105973525A - 一种高可靠性压阻式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高可靠性压阻式压力传感器，包括：引压嘴、敏感元件、转接件、屏蔽件、电路板、滤波器、外壳，引压嘴上端放置敏感元件，敏感元件和引压嘴焊接连接，敏感元件和引压嘴内腔形成一个密封腔体；转接件通过螺纹连接引压嘴并在螺纹处涂胶；引压嘴和外壳焊接连接；转接件上端固定电路板和屏蔽件，滤波器安装在屏蔽件上；电连接器固定连接外壳；敏感元件与电路板电连接，电路板与滤波器电连接，滤波器与电连接器电连接，敏感元件测量被测介质后输出电压信号到电路板，电路板对电压信号进行温度补偿和滤波放大后输出测量信号，测量信号通过滤波器保护后传送至电连接器，成为传感器输出。该传感器具有高过载能力、良好的温度特性和测量性能，在航天领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高可靠性压阻式压力传感器

技术领域

本发明属于压力传感器设计技术，具体涉及一种高可靠性压阻式压力传感器。

背景技术

压阻式压力传感器在军事和航空航天领域应用广泛，许多应用场合对传感器的可靠性和温度误差都有严格的要求。如在管道压力测量应用中，一旦传感器失效导致被测气体或者液体泄露，不仅会使测量任务失败，严重的情况甚至会造成人员伤亡。压阻式传感器与其他同类传感器相比，没有一般机械传动结构，所以完全消除了摩擦误差，也能消除一般传感器中金属膜片因蠕变、迟滞产生的误差，大大提高了传感器的精度，而且耐震性、耐腐蚀性、抗干扰能力、稳定性以及可靠性好，广泛地应用在航天、航空、航海等各个领域。

压阻式压力传感器对温度敏感，会受到环境温度的影响，导致输出信号产生零点漂移和灵敏度漂移，传统的温度补偿技术多采用分离元件设计，补偿方法有串并联电阻补偿、热敏电阻补偿及二极管补偿等，这些补偿方法调试过程复杂且补偿精度有限，近年来随着技术发展运用智能化信号补偿芯片以提高补偿精度。随着国民经济的发展，诸如航空航天、武器装备等领域对压阻式压力传感器在大幅变化的温度范围下的可靠性提出了越来越高的要求。

本发明提出的高可靠性压阻式压力传感器包括选用MEMS压力敏感元件、传感器机械结构设计和温度补偿电路设计三部分。选用合适的MEMS压力敏感元件可以根据要求设计出不同量程的传感器，方法灵活。机械结构设计采用焊接连接和螺纹粘胶防松连接方式，保证产品具有足够的结构强度，避免泄露和失效，极大的提高了产品的可靠性。温度补偿电路设计不仅能提高产品的精度，降低温度误差，还可以根据要求自由设置传感器输出信号范围，采用本发明提供的传感器，具有3倍量程压力过载能力，并能够通过箭上环境试验的考核，满足航天和军事领域压力测量的使用要求。

发明内容

用于航天领域的压力传感器，对产品的结构强度和可靠性有严格的要求，本发明采用了基于MEMS技术制作的压阻压力敏感元件，该元件结构简单可靠且过载能力强。为了防止传感器发生泄露，本发明采用焊接实现敏感元件和引压嘴之间的连接，该密封结构可保证产品具备3倍设计量程的过压能力；外壳材料为不锈钢，与引压嘴焊接，外壳表面经导电氧化后具有更好的耐腐蚀性；转接件材料为铝，该材料轻且工艺性好，转接件和引压嘴通过螺纹加粘胶连接，该方式操作简便且强度高，可有效保证传感器的可靠性。

本发明提供一种高可靠性压阻式压力传感器，包括：引压嘴、敏感元件、转接件、屏蔽 件、电路板、滤波器、外壳，引压嘴上端放置敏感元件，敏感元件和引压嘴焊接连接，敏感元件和引压嘴内腔形成一个密封腔体；转接件通过螺纹连接引压嘴并在螺纹处涂胶；引压嘴和外壳焊接连接；转接件上端固定电路板和屏蔽件，滤波器安装在屏蔽件上；电连接器固定连接外壳；敏感元件与电路板电连接，电路板与滤波器电连接，滤波器与电连接器电连接，敏感元件测量被测介质后输出电压信号到电路板，电路板对电压信号进行温度补偿和滤波放大后输出测量信号，测量信号通过滤波器保护后传送至电连接器，成为传感器输出。

所述电路板为双层板，材料为环氧玻璃布压板，包括第一稳压源和第二稳压源，信号调理芯片，感压电桥；电源接第一稳压源第1管脚和第二稳压源第1管脚，第一稳压源第1管脚接0.1uf电容接地，第二稳压源第1管脚接0.1uf电容接地，第一稳压源第3管脚和第二稳压源第3管脚共同接地；第一稳压源和第二稳压源为信号调理芯片供电；第二稳压源第2管脚接信号调理芯片的第9管脚，第一稳压源第2管脚接信号调理芯片的第7管脚；信号调理芯片的第5管脚接感压电桥的1端，给感压电桥供电，信号调理芯片的第5管脚与第1管脚短接；信号调理芯片的第4管脚接感压电桥的4端，信号调理芯片的第6管脚接感压电桥的2端，感压电桥的3端接地G，信号调理芯片的第3管脚和第8管脚接地；调试时信号调理芯片的第11管脚和第10管脚连通智能调试系统，调试完信号调理芯片的第11管脚悬空，第10管脚接地；信号调理芯片的第2管脚输出温度补偿并放大后的信号，信号调理芯片的第2管脚接低通滤波电路后输出。

进一步的，在电源到地之间并接瞬态电压抑制二极管。

所述引压嘴采用不锈钢材料，引压嘴下端设螺纹、螺距，引压嘴上端设螺纹。

所述敏感元件为MEAS 87N和MEAS 85C。

转接件材料是铝，下端内部螺纹和引压嘴上端螺纹配合，上端有4个螺纹孔和1个凹槽。

所述电连接器为4芯插针，1号插针连接+15V电源，2号插针连接输出信号，3号插针连接地，4号插针为空。

本发明的有益效果如下：

为检验本发明的效果，生产了本发明所述的10只样机，其中5只小量程压力传感器，5只大量程压力传感器，所有传感器均能够承受3倍量程的压力过载，并且顺利通过振动、温循、冲击、过载及低气压等严酷条件的试验。试验测试结果表明，本发明压阻式压力传感器的零位输出电压分布在144mV～156mV之间，满量程输出电压分布在4.898V～4.903V之间，常温精度分布在0.080％～0.146％之间，全温度范围总精度分布在：0.216％～0.358％之间，均能很好的满足设计指标的要求。

本发明提供的高可靠性压阻式压力传感器具有高过载能力和良好的温度特性，具有优良 的测量性能，在航天领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明压阻式压力传感器的整机结构图；

1-引压嘴 2-敏感元件 3-转接件 4-外壳 5-电路板 6-螺钉 7-屏蔽件 8-滤波器 9-导线 10-螺钉 11-电连接器 A-焊缝 B-焊缝

图2是大量程传感器引压嘴的结构示意图；

图3是小量程传感器引压嘴的结构示意图；

图4是大量程传感器转接件的结构示意图；

图5是小量程传感器转接件的结构示意图；

图6是外壳的结构示意图；

图7是屏蔽件的主视图；

图8是屏蔽件的俯视图；

图9是智能补偿电路图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

如图1所示，本发明的压阻式压力传感器包括引压嘴、敏感元件、转接件、屏蔽件、滤波器、外壳，敏感元件和引压嘴焊接连接，测量时将引压嘴通过螺纹连接到被测管道或箱体上，里面的被测气体或液体进入到引压嘴内腔与敏感元件接触，敏感元件承压后输出电压信号到电路板，电压信号经电路板温度补偿和滤波放大后通过电连接器输出。

1、敏感元件焊接

选用MEAS公司生产的敏感元件85C系列传感器作为小量程传感器敏感元件，量程15-500psi；选用MEAS 87N系列传感器作为大量程传感器敏感元件，量程1000-5000psi。这两个系列均为可焊型全不锈钢材料。根据敏感元件外形尺寸不同，引压嘴上端尺寸结构设计也不同，如图2、图3所示。85C系列传感器安装到小量程引压嘴上端，87N系列传感器安装到大量程引压嘴上端，敏感元件和引压嘴通过焊接连接，敏感元件和引压嘴内腔共同形成一个密封的腔体。

2、转接件结构

传感器的转接件结构用于固定电路板和屏蔽件，根据引压嘴尺寸不同，转接件也有不同 的结构如图4、图5所示。转接件材料是铝，该材料轻且工艺性好。转接件下端内部螺纹与引压嘴连接，并粘胶防松，转接件上端用于固定电路板和屏蔽件；屏蔽件上装有滤波器，可实现对外界电磁干扰信号的屏蔽。

3、传感器电路设计

传感器电路设计采用信号调理芯片对传感器输出进行补偿，并采用瞬态电压抑制二极管实现电路抗尖峰脉动干扰。选用Max1452为信号调理芯片，Max1452芯片为16引脚SSOP封装，工作温度范围在-40～125℃之间，供电电压范围为4.5～5.5V，功耗电流为2mA。Max1452可同时实现零点和灵敏度的补偿，补偿后传感器温度误差可以达到传感器满量程0.5％以内，并且不会使输出端信号引入量化噪声。

如图9所示，为Max1452的应用电路。U1和U2为两片稳压芯片7805，U3为Max1452，U4为感压电桥。U3有两个供电端，一个是正电源电压VDD，另一个是EEPROM的供电电压VDDF，为了抑制相互间的噪声干扰，选用两个稳压芯片U1和U2分别供电。

+15V电源接稳压源U1第1管脚in和稳压源U2第1管脚in。U1第1管脚in接0.1uf电容C1接地，U2第1管脚in接0.1uf电容C2接地。U1第3管脚GND和U2第3管脚GND共同接地G。U1和U2为Max1452供电，U2第2管脚out接信号调理芯片U3的第9管脚VDDF，U1第2管脚OUT接U3的第7管脚VDD。U3的第5管脚BDR接U4的1端，Max1452上电工作后通过BDR给电桥U4供电，恒压供电时U3的第5管脚BDR与第1管脚ISRC短接，U3的第4管脚INP接U4的4端，U3的第6管脚INP接U4的2端。U4的3端接地G。U3的第3管脚VSS和第8管脚TEST接地G。U3的第2管脚OUT输出温度补偿并放大后的信号。R1和C3组成低通滤波电路，U3的第2管脚OUT接低通滤波电路后输出U0。

在电源到地之间并接瞬态电压抑制二极管，在电源出现过电压的尖峰脉冲时，其工作阻抗立即降到很低的导通值，吸收电源尖峰脉冲的能量,并将电压钳位到额定值5V，保护传感器电路。在电源和瞬态电压抑制二极管之间串入限流电阻，当瞬态电压抑制二极管工作阻抗降到导通值时，限流电阻会起到对供电电源的保护作用。

后置信号滤波放大电路可以对温度补偿后的输出信号进行滤波和放大，滤除高频干扰信号。电路板为双层板，材料选用环氧玻璃布压板作为材料，强度较大。如图1所示，电路板通过螺钉和转接件、屏蔽件连接，结构可靠。

3、整机结构的装配连接

整机结构装配过程中，机械连接主要有三处，分别是引压嘴和外壳、转接件和引压嘴、电连接器和外壳，三处的连接强度对整机的结构强度非常关键，其中外壳和引压嘴通过焊接连接，转接件和引压嘴通过螺纹连接处凃胶固定措施，电连接器和外壳连接螺钉上涂胶固定 防松，三处连接结构可靠，有效保证了整机的结构强度。另外，敏感元件与引压嘴焊接连接，电路板和屏蔽件通过螺钉与转接件连接，滤波器安装在屏蔽件上。电连接器通过螺钉与外壳相连。

电气连接为敏感元件与电路板相连，敏感元件测量被测介质后输出电压信号Uin到电路板，电路板对电压信号Uin进行温度补偿和滤波放大后输出测量信号Ut，测量信号Ut通过滤波器保护后传送至电连接器与外界相连，成为传感器输出Uout。电连接器为4芯插针，1号插针连接+15V电源，2号插针连接输出信号Uout，3号插针连接地，4号插针为空。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专利技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (7)

1.一种高可靠性压阻式压力传感器，其特征在于，包括：引压嘴、敏感元件、转接件、屏蔽件、电路板、滤波器、外壳，引压嘴上端放置敏感元件，敏感元件和引压嘴焊接连接，敏感元件和引压嘴内腔形成一个密封腔体；转接件通过螺纹连接引压嘴并在螺纹处涂胶；引压嘴和外壳焊接连接；转接件上端固定电路板和屏蔽件，滤波器安装在屏蔽件上；电连接器固定连接外壳；敏感元件与电路板电连接，电路板与滤波器电连接，滤波器与电连接器电连接，敏感元件测量被测介质后输出电压信号到电路板，电路板对电压信号进行温度补偿和滤波放大后输出测量信号，测量信号通过滤波器保护后传送至电连接器，成为传感器输出。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠性压阻式压力传感器，其特征在于，所述电路板为双层板，材料为环氧玻璃布压板，包括第一稳压源和第二稳压源，信号调理芯片，感压电桥；电源接第一稳压源第1管脚和第二稳压源第1管脚，第一稳压源第1管脚接0.1uf电容接地，第二稳压源第1管脚接0.1uf电容接地，第一稳压源第3管脚和第二稳压源第3管脚共同接地；第一稳压源和第二稳压源为信号调理芯片供电；第二稳压源第2管脚接信号调理芯片的第9管脚，第一稳压源第2管脚接信号调理芯片的第7管脚；信号调理芯片的第5管脚接感压电桥的1端，信号调理芯片的第5管脚给感压电桥供电，第5管脚与第1管脚短接；信号调理芯片的第4管脚接感压电桥的2端，信号调理芯片的第6管脚接感压电桥的4端，感压电桥的3端接地，信号调理芯片的第3管脚和第8管脚接地；信号调理芯片的第2管脚输出温度补偿后的信号，信号调理芯片的第2管脚接低通滤波电路后输出。

3.根据权利要求2所述的一种高可靠性压阻式压力传感器，其特征在于，在电源到地之间并接瞬态电压抑制二极管。

4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的一种高可靠性压阻式压力传感器，其特征在于，所述引压嘴采用不锈钢材料，引压嘴下端设螺纹、螺距，引压嘴上端设螺纹。

5.根据权利要求4所述的一种高可靠性压阻式压力传感器，其特征在于，所述敏感元件为MEAS 87N和MEAS 85C。

6.根据权利要求4所述的一种高可靠性压阻式压力传感器，其特征在于，所述转接件材料是铝，下端内部螺纹和引压嘴上端螺纹配合，上端有4个螺纹孔和1个凹槽。

7.根据权利要求1所述的一种高可靠性压阻式压力传感器，其特征在于，所述电连接器为4芯插针，1号插针连接+15V电源，2号插针连接输出信号，3号插针连接地，4号插针为牢。