CN106092425A - 一种高精度振弦式微压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度振弦式微压传感器，包括壳体、连接电缆的电缆接头、感应线圈、微压敏感部件、设有中心孔的内部堵盖、透水部件，壳体一端连接电缆接头，另一端连接透水部件，感应线圈、微压敏感部件、内部堵盖设于壳体内部并依次连接；微压敏感部件包括上端头、主体、波纹管、下端头、真空膜盒、钢弦，上端头、主体、波纹管和下端头依次连接并形成密封腔体，钢弦设于密封腔体内，真空膜盒与下端头连接。通过将微压敏感部件封装在壳体内部，防止微压敏感部件受到外界影响而损坏，提高传感器的稳定性，并解决了无法实现极限微压及高精度的问题；通过将柔性不锈钢波纹管与真空膜盒相结合提高测值精度。

Description

一种高精度振弦式微压传感器

技术领域

本发明涉及一种微压传感器，具体涉及一种高精度振弦式微压传感器。

背景技术

振弦式压力传感器主要用于监测岩土工程和其他混凝土建筑物的渗透压力，可长期埋设在水工建筑物或其他建筑物内部，测量结构物内部的渗透压力变化；也可用于江河湖泊或库区水位的监测。因使用环境特殊，其大部分是在水下安装并长期测量，因此，仪器本身需要具有较高的防水密封性。

目前，现有振弦式压力传感器主要有透水部件、压力敏感部件、感应线圈、保护壳体、电缆接头及电缆组成，电缆通过电缆接头固定在保护壳体的左端，透水部件安装在保护壳体的右端，感应线圈安装在压力敏感部件的相应孔位后整体封装在保护壳体内部，压力敏感部件中的钢弦张紧固定于上端头、主体及膜片之间，膜片与外界压力P直接接触，感受外界压力P的变化。当外界压力P发生变化时，膜片会相应的发生变形并改变钢弦本身的形变及受力，导致钢弦的自振频率发生改变，通过相应的换算公式即可计算出膜片所受到的压力P值。

该种压力敏感部件的显著特点是：随着压力P的增大，钢弦所受的拉力会逐步变小，其自振频率也会变小，即压力P与钢弦自振频率成反方向的变化，所以需要钢弦在初始状态下承受最大的拉力和具有最大的自振频率。

现有振弦式微压传感器存在的不足有：

1、现有振弦式微压传感器无法做到更微小的量程：为得到了更加微小量程的振弦式压力传感器，需要将膜片的厚度进一步做大做薄且更加均匀，才能得到性能较好的振弦式微压传感器（如膜片厚度仅有0.1mm甚至更薄）。这必然给金属机械加工带来困难，难以依靠机械车削加工完成，且批量加工的一致性无法得到保证，传感器加工制作及装配等环节会出现大量损耗，合格率较低，现有结构的振弦式微压计在市场上做到的最小量程为35kPa；

2、现有振弦式微压传感器的膜片完全暴露在外部，易出现损坏：现有振弦式微压传感器的膜片直接暴露在保护壳体的端部，仅仅通过透水部件的过滤作用进行保护，一旦透水部件脱落或损坏，压力敏感部件的膜片将直接与外界接触，遇到石块、硬物触碰时，会导致膜片受损或过度塑性变形而损害，尤其是微小量程（100kPa以下）的微压传感器出现损害的可能性更大；

3、采用现有振弦式压力敏感部件制造的振弦式微压传感器初始频率较低，灵敏度不高，且超量程的性能较低：现有振弦式压力传感器的结构特点为随着压力增大，钢弦的自振频率降低，为保证在微压量程上限或一定的超量程范围内，钢弦始终是张紧有测值的，需要其在初始状态时有较高的自振频率。钢弦初始时需要承受最大的拉力，这样势必导致膜片也要承受较大拉力而出现凹陷变形。较大的初始拉力往往导致膜片的塑性变形而损坏，因此实际上该种结构的敏感部件初始频率无法做到较高，满量程输出也会受到限制，从而导致灵敏度较低，且传感器超量程测量的能力也较低；

4、现有振弦式微压传感器测量稳定性及长期可靠性较低：振弦式压力传感器敏感部件的钢弦自振频率随着外界压力增大而减小，所以在初始状态下钢弦需要承受较大的拉力，保持最高的初始自振频率，对于微压型的传感器，钢弦直接与膜片连接固定，钢弦势必将较大的初始拉力传递到膜片上，导致膜片变形严重，膜片存在塑性变形或长期徐变的可能，仪器测量稳定性及长期可靠性较低。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改变了现有振弦式压力传感器的结构、封装工艺，解决了现有振弦式压力传感器测量稳定性较低、无法实现极限微压及高精度、易损坏的问题的振弦式微压传感器。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种高精度振弦式微压传感器，包括壳体、连接电缆的电缆接头、感应线圈、微压敏感部件、设有中心孔的内部堵盖、透水部件，所述壳体一端连接电缆接头，另一端连接透水部件，所述感应线圈、微压敏感部件、内部堵盖设于壳体内部，所述电缆接头、感应线圈、微压敏感部件和内部堵盖依次连接；所述微压敏感部件包括上端头、主体、波纹管、下端头、真空膜盒、钢弦，所述上端头、主体、波纹管和下端头依次连接，并形成密封腔体；所述钢弦设于密封腔体内，所述真空膜盒与下端头连接。

上述真空膜盒包括支撑保护壳体、波纹薄膜和圆柱体，所述支撑保护壳体和波纹薄膜连接，且中间为真空腔体，所述支撑保护壳体和波纹薄膜的外侧面设有同轴的圆柱体，所述波纹薄膜一端的圆柱体与下端头连接，另一端的圆柱体置于内部堵盖的中心孔内，与内部堵盖连接。

上述下端头与真空膜盒连接的一端设有与波纹薄膜一端的圆柱体同轴连接的相同的圆柱体。

上述真空膜盒置于内部堵盖的圆柱体通过止紧螺钉对顶与内部堵盖固定连接。

上述壳体上设有通气螺钉。

进一步的，上述微压敏感部件与壳体焊接为一体化的结构。

进一步的，上述波纹管为柔性不锈钢波纹管。

进一步的，上述圆柱体为不锈钢圆柱体。

本发明的有益之处在于：

1、本发明的一种高精度振弦式微压传感器能做到更微小的压力量程：本发明采用了与传统振弦式压力传感器不同的微压敏感部件结构，该微压敏感部件采用柔性不锈钢波纹管及真空膜盒相配合的方式，不需要加工较薄的膜片结构，且钢弦自振频率与受力成正向变化，无需钢弦在初始状态下承受较大的拉力而破坏膜片结构。因此，可以通过选配不同的真空膜盒，得到更微小的微压传感器量程，无需考虑钢弦在初始状态下无法得到较高的自振频率的问题；

2、本发明的微压敏感部件的波纹薄膜能得到较好的保护：微压敏感部件采用真空膜盒的内侧弹性波纹膜片感受外界压力变化，并通过真空膜盒外侧的支撑保护壳体、内部堵盖及透水部件起到多重保护作用，微压敏感部件完全封装在保护壳体内部，不会受到外界的干扰及破坏，具有更高的环境适应能力及长期的使用寿命；

3、本发明的一种高精度振弦式微压传感器具有较高的测量精度及超量程测量能力：采用真空膜盒内侧的弹性波纹薄膜来感受外界压力变化，该种膜片结构增大了与外界压力的接触面，将更大的外界压力的变化传递到钢弦上，且降低外界压力变化在传递过程中的损失，确保振弦式微压传感器得到更高精度的测值。此外，新结构的微压敏感部件，钢弦的自振频率随着外界压力的增大而增大，在实际压力超出满量程输出的范围外，仪器依然能正常使用测值，不会出现钢弦受力较小，无法激振测值甚至松动的情况，因此，传感器具有较高的测量精度及极强的超量程测量能力；

4、本发明的一种高精度振弦式微压传感器具有较高的测量稳定性及长期可靠性：由于现有振弦式微压传感器钢弦初始状态是在最高拉力下的张紧状态，膜片本身已经承受了较大的变形及拉力，膜片变形较为严重，容易出现塑变或存在长期徐变，微压传感器的测值稳定性及长期可靠性很难得到保证。微压敏感部件自振频率会随着外界压力增大而增大，无需在初始状态下承受较大的拉力，仅需保证钢弦在初始状态下有一定的自振频率测值即可。同时，微压敏感部件的钢弦并非直接与压力膜盒连接，不会造成压力膜盒发生过度形变而损坏，测值稳定且具有长期可靠性。此外，本发明的微压敏感部件完全封装在壳体内部，不会受到外界的干扰影响，也为其测值稳定性及长期可靠性提供了保障。

附图说明

图1为本发明的一种高精度振弦式微压传感器的结构示意图。

图2为本发明的一种高精度振弦式微压传感器的微压敏感部件的结构示意图。

图3为本发明的一种高精度振弦式微压传感器的真空膜盒的结构示意图

附图中标记的含义如下：1、壳体，2、电缆接头，3、电缆，4、感应线圈、5、微压敏感部件，6、透水部件，7、内部堵盖，8、通气螺钉，9、止紧螺钉，10、上端头，11、主体，12、波纹管，13、下端头，14、真空膜盒，15、钢弦，16、波纹薄膜，17、支撑保护壳体，18、真空腔体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种高精度振弦式微压传感器，包括壳体1、连接电缆3的电缆接头2、感应线圈4、微压敏感部件5、设有中心孔的内部堵盖7、透水部件6；微压敏感部件5与壳体1焊接为一体化结构，壳体1的一端连接电缆接头2，另一端连接透水部件6，感应线圈4、微压敏感部件5、内部堵盖7设于壳体1内部，电缆接头2、感应线圈4、微压敏感部件5和内部堵盖7依次连接；微压敏感部件5包括上端头10、主体11、柔性不锈钢波纹管12、下端头13、真空膜盒14、钢弦15，上端头10、主体11、柔性不锈钢波纹管12和下端头13依次连接，并形成密封腔体；钢弦15设于密封腔体内，真空膜盒14与下端头13连接。

柔性不锈钢波纹管12具有密封保护钢弦15及防转的作用。

电缆接头2起防水密封的作用。

真空膜盒14包括支撑保护壳体17、波纹薄膜16和圆柱体，所述支撑保护壳体17和波纹薄膜16连接，且中间为真空腔体18，所述支撑保护壳体17和波纹薄膜16的外侧面设有同轴的圆柱体，所述波纹薄膜16一端的圆柱体与下端头13连接，另一端的圆柱体置于内部堵盖7的中心孔内，与内部堵盖7连接。

与下端头13连接的不锈钢圆柱体通过波纹薄膜16感受外界压力变化，并经过下端头13传递到钢弦15上，微压敏感部件5内的钢弦15随着波纹薄膜16所承受压力的增大，钢弦15所受到的拉力及自振频率也相应增大，进而可通过相应公式换算得到外界压力变化。

支撑保护壳体17壁厚较厚，用于固定连接和保护波纹薄膜16不受损，不用于承受压力变化。

真空腔体18用于避免壳体1内部气体热胀冷缩对仪器的测值造成不利影响。

下端头13与真空膜盒14连接的一端设有与波纹薄膜16一端的圆柱体同轴连接的相同的圆柱体。

真空膜盒14的置于内部堵盖7中心孔内的不锈钢圆柱体通过止紧螺钉9对顶与内部堵盖7固定连接。

壳体1上设有通气螺钉8，用于仪器测量时，将壳体1内部腔体内的气体排出，避免微压敏感部件5受到壳体1内部腔体气体的影响，得到较高精度的测量压力。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高精度振弦式微压传感器，包括壳体、连接电缆的电缆接头、感应线圈、微压敏感部件、设有中心孔的内部堵盖、透水部件，所述壳体一端连接电缆接头，另一端连接透水部件，所述感应线圈、微压敏感部件、内部堵盖设于壳体内部，所述电缆接头、感应线圈、微压敏感部件和内部堵盖依次连接；其特征在于所述微压敏感部件包括上端头、主体、波纹管、下端头、真空膜盒、钢弦，所述上端头、主体、波纹管和下端头依次连接，并形成密封腔体，所述钢弦设于密封腔体内，所述真空膜盒与下端头连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度振弦式微压传感器，其特征在于所述真空膜盒包括支撑保护壳体、波纹薄膜和圆柱体，所述支撑保护壳体和波纹薄膜连接，且中间为真空腔体，所述支撑保护壳体和波纹薄膜的外侧面设有同轴的圆柱体，所述波纹薄膜一端的圆柱体与下端头连接，另一端的圆柱体置于内部堵盖的中心孔内，与内部堵盖连接。

3.根据权利要求1所述的一种高精度振弦式微压传感器，其特征在于所述下端头与真空膜盒连接的一端设有与波纹薄膜一端的圆柱体同轴连接的相同的圆柱体。

4.根据权利要求2所述的一种高精度振弦式微压传感器，其特征在于所述真空膜盒置于内部堵盖的圆柱体通过止紧螺钉对顶与内部堵盖固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种高精度振弦式微压传感器，其特征在于所述壳体上设有通气螺钉。

6.根据权利要求1所述的一种高精度振弦式微压传感器，其特征在于所述微压敏感部件与壳体焊接为一体化的结构。

7.根据权利要求1所述的一种高精度振弦式微压传感器，其特征在于所述波纹管为柔性不锈钢波纹管。

8.根据权利要求3所述的一种高精度振弦式微压传感器，其特征在于所述圆柱体为不锈钢圆柱体。