CN107024304B - 一种应力衰减结构的超高压力传感器 - Google Patents

一种应力衰减结构的超高压力传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN107024304B
CN107024304B CN201710207291.5A CN201710207291A CN107024304B CN 107024304 B CN107024304 B CN 107024304B CN 201710207291 A CN201710207291 A CN 201710207291A CN 107024304 B CN107024304 B CN 107024304B
Authority
CN
China
Prior art keywords
upper cover
restraining element
counterbore
metal pressure
pressure restraining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710207291.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107024304A (zh
Inventor
赵玉龙
赵云
张国栋
赵友
韦学勇
王馨晨
张琪
任炜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201710207291.5A priority Critical patent/CN107024304B/zh
Publication of CN107024304A publication Critical patent/CN107024304A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107024304B publication Critical patent/CN107024304B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • 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
    • G01L1/22—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 using resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—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
    • 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

Abstract

一种应力衰减结构的超高压力传感器，包括金属承压元件，金属承压元件的上部为截面逐渐变大的锥形体，外界压力直接作用在锥形体顶部最小的受压面上；金属承压元件的下部为截面积均匀的柱体，并在柱体侧面对称加工有两个侧平面，一个侧平面安装有力敏芯片，力敏芯片通过其上设有的惠斯通电桥和两个转接板连接，两个转接板关于力敏芯片上下对称布置，转接板上的电信号通过引线输出，通过金属承压元件在有限的弹性范围和有限的受压面积之上扩大压力的测量范围，增加压力的测量上限，可测量压力达2GPa。

Description

一种应力衰减结构的超高压力传感器
技术领域
本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种应力衰减结构的超高压力传感器。
背景技术
近年来，随着高压加载新技术快速发展，超高压力测量在军工和民用方面都有着重要作用。军工方面涌现出了轨道炮、电磁炮、强辐射加载(激光束、X射线束、离子束等)技术等，超高压力传感器的研究为研制战略武器及新型火炮、火箭、导弹、装甲等提供必要的技术保证。在民用方面，这种传感器也可用于研究材料的爆炸合成、爆炸焊接、爆炸加工，用在地质钻探、深海作业，汽车、飞机等高速行驶时的碰撞试验等方面。由于高压测试的需求越来越多要求也越来越高，超高压力的测试技术也在不断的发展。力敏型传感器是基于力敏芯片的压阻效应来测量压力大小的传感器，力敏传感器具有精度高、结构简单，尺寸小、重量轻，易于实现小型化、固态化，并且价格低廉、品种多样，便于选择的优点。但是力敏芯片用于测量高压时需要依赖于某种金属承压元件，压力作用在金属承压元件上，使金属发生弹性变形，贴在金属承压元件上的力敏芯片通过金属的变形而产生电参数，输出电信号而得到所需输出量，因此金属承压元件的弹性模量越高能够测量的压力上限越高。但是任何金属材料的弹性范围都是有限的，若压力对弹性元件的作用超出了弹性范围，金属元件则会发生塑性变形，在塑性变形的情况下很难找到应力和应变之间的关系，加大了测量难度也降低了测量精度。对于某些特定的压力测试，由于要求压力的加载面积很小，不适合通过直接增加金属承压元件的横截面积来减小元件的内部应力作用，故无法使用大截面积弹性元件来增加压力测量范围。
发明内容
为了解决上述力敏传感器量程受限的缺点，本发明的目的在于设计一种应力衰减结构的超高压力传感器，在有限的弹性范围和有限的受压面积之上扩大压力的测量范围，增加压力的测量上限。
为实现上诉目的，本发明采取的技术方案为：
一种应力衰减结构的超高压力传感器，包括金属承压元件4，金属承压元件4的上部为截面逐渐变大的锥形体，外界压力直接作用在锥形体顶部最小的受压面上；金属承压元件4的下部为截面积均匀的柱体，并在柱体侧面对称加工有两个侧平面，一个侧平面安装有力敏芯片6，力敏芯片6通过其上设有的惠斯通电桥和两个转接板7连接，两个转接板7关于力敏芯片6上下对称布置，转接板7上的电信号通过引线输出。
所述的金属承压元件4的底部安装在底座1上，金属承压元件4的外部安装有上盖3，上盖3和底座1固定连接，上盖3的顶面中心处加工有一个通孔，通孔直径和金属承压元件4顶部的受压面直径相同。
所述的上盖3的顶部连接有引压元件5，引压元件5是一个空心圆柱体，内圆柱孔的直径和上盖3顶面的通孔直径相同，其内圆柱孔与上盖3顶面的通孔对准。
所述的底座1为圆盘状，圆盘中心加工了一个圆形沉孔，并在沉孔侧面加工一个键槽，在与键槽对称的位置上加工一个和键槽相同宽度的引线槽，引线槽贯穿沉孔内表面一直延续至底座1外表面，键槽和引线槽的深度与沉孔的深度相同。
所述的上盖3从底面加工了一个和底座1直径相同的沉孔，底座1的沉孔和上盖3的沉孔接合形成空腔，空腔的高度和金属承压元件4的高度相同；在上盖3沉孔的侧面上，与金属承压元件4上安装有力敏芯片6的侧平面相对的位置处加工了一个引线槽，该引线槽和底座1上引线槽宽度相等，引线槽的深度和上盖3沉孔深度相同，并贯穿沉孔内表面一直延续至上盖3的外表面。
所述的力敏芯片6是通过MEMS技术制作而成的芯片。
本发明的有益效果为：通过金属承压元件4在有限的弹性范围和有限的受压面积之上扩大压力的测量范围，增加压力的测量上限，可测量压力达2GPa。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为底座1俯视图。
图4为上盖3的仰视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行更详细的说明。
参照图1、图2，一种应力衰减结构的超高压力传感器，一种应力衰减结构的超高压力传感器，包括底座1、上盖3以及金属承压元件4，金属承压元件4的底部安装在底座1上，金属承压元件4的外部安装有上盖3，底座1和上盖3的通过均布的四个螺栓8紧固连接，上盖3的顶部连接有引压元件5，金属承压元件4的上部为截面逐渐变大的锥形体，外界压力直接作用在锥形体顶部最小的受压面上，压力在变截面区域中传播时会因为横截面积的变大而逐渐衰减；金属承压元件4的下部为截面积均匀的柱体，并在柱体侧面对称加工有两个侧平面，一个侧平面安装有力敏芯片6，力敏芯片6通过其上设有的惠斯通电桥和两个转接板7连接，两个转接板7关于力敏芯片6上下对称布置，转接板7上的电信号通过引线输出。
所述的上盖3的顶面中心处加工有一个通孔，通孔直径和金属承压元件4顶部的受压面直径相同。
所述的引压元件5是一个空心圆柱体，内圆柱孔的直径和上盖3顶面的通孔直径相同，其内圆柱孔与上盖3顶面的通孔对准。引压元件5用于引压，使得所测压力能够更好的作用在金属承压元件4的受压面上。
参照图3，所述的底座1为圆盘状，圆盘中心加工了一个圆形沉孔，并在圆形沉孔侧面加工一个键槽，在与键槽对称的位置上加工一个和键槽相同宽度的引线槽，引线槽贯穿圆形沉孔内表面一直延续至底座1的外表面，键槽和引线槽的深度与圆形沉孔的深度相同，金属承压元件4上安装有力敏芯片6的侧平面与底座1上的引线槽相对，金属承压元件4上的另一侧平面则与底座1上的键槽相对并通过键2配合对金属承压元件4定位，底座1上的引线槽作为转接板上的引线引出的通道，底座1上还加工有四个均布的和上盖3连接的通孔。
参照图4，所述的上盖3底面加工有四个均布的和底座1连接的通孔，上盖3从底面加工了一个和底座1直径相同的沉孔；在上盖3沉孔的侧面上，与金属承压元件4上安装有力敏芯片6的侧平面相对的位置处加工了一个引线槽，该引线槽和底座1上引线槽宽度相等，引线槽的深度和上盖3沉孔深度相同，并贯穿沉孔内表面一直延续至上盖3的外表面，引线槽作为转接板上的引线引出的通道。
所述的力敏芯片6是通过MEMS技术制作而成的芯片。
本发明的工作原理为：
由上盖3、底座1和键2对金属承压元件4起定位和固定作用，上盖3和底座1限制了金属承压元件4三个方向的移动自由度和两个方向的转动自由度，但是没能限制金属承压元件4沿其轴线的转动自由度，键2用于限制金属承压元件4沿其轴线的转动自由度；引压元件5为一个空心圆柱体，金属承压元件4的受压面、上盖3顶面中心的通孔和引压元件5的通孔三个孔的孔径相同，且加工精度为±0.01mm，底座1和上盖3以及键2对金属承压元件4的定位保证了金属承压元件4的受压面、上盖3顶面中心的通孔和引压元件5的通孔对准，外界压力通过引压元件5的通孔和上盖3顶面的通孔作用在金属承压元件4的受压面上，压力在金属承压元件4中传播，首先通过金属承压元件4的变截面区域，在这个区域由于横截面积不断增加，金属承压元件4内部所受的压应力会随面积的增加而快速衰减，当压应力传播至均匀截面区域时，应力也均匀传播，此时的压应力会被安装在金属承压元件4侧平面上的力敏芯片6感知，力敏芯片6上设有惠斯通电桥，压应力引起惠斯通电桥上的电阻阻值变化，导致电桥失衡，输出相应的电信号，此信号通过金丝引线传输到转接板7上，再由转接板上的引线输出。

Claims (4)

1.一种应力衰减结构的超高压力传感器，其特征在于：包括金属承压元件(4)，金属承压元件(4)的上部为截面逐渐变大的锥形体，外界压力直接作用在锥形体顶部最小的受压面上；金属承压元件(4)的下部为截面积均匀的柱体，并在柱体侧面对称加工有两个侧平面，一个侧平面安装有力敏芯片(6)，力敏芯片(6)通过其上设有的惠斯通电桥和两个转接板(7)连接，两个转接板(7)关于力敏芯片(6)上下对称布置，转接板(7)上的电信号通过引线输出；
所述的金属承压元件(4)的底部安装在底座(1)上，金属承压元件(4)的外部安装有上盖(3)，上盖(3)和底座(1)固定连接，上盖(3)的顶面中心处加工有一个通孔，通孔直径和金属承压元件(4)顶部的受压面直径相同；
所述的上盖(3)的顶部连接有引压元件(5)，引压元件(5)是一个空心圆柱体，内圆柱孔的直径和上盖(3)顶面的通孔直径相同，其内圆柱孔与上盖(3)顶面的通孔对准。
2.根据权利要求1所述的一种应力衰减结构的超高压力传感器，其特征在于：所述的底座(1)为圆盘状，圆盘中心加工了一个圆形沉孔，并在沉孔侧面加工一个键槽，在与键槽对称的位置上加工一个和键槽相同宽度的引线槽，引线槽贯穿沉孔内表面一直延续至底座(1)外表面，键槽和引线槽的深度与沉孔的深度相同。
3.根据权利要求1所述的一种应力衰减结构的超高压力传感器，其特征在于：所述的上盖(3)从底面加工了一个和底座(1)直径相同的沉孔，底座(1)的沉孔和上盖(3)的沉孔接合形成空腔，空腔的高度和金属承压元件(4)的高度相同；在上盖(3)沉孔的侧面上，与金属承压元件(4)上安装有力敏芯片(6)的侧平面相对的位置处加工了一个引线槽，该引线槽和底座(1)上引线槽宽度相等，引线槽的深度和上盖(3)沉孔深度相同，并贯穿沉孔内表面一直延续至上盖(3)的外表面。
4.根据权利要求1所述的一种应力衰减结构的超高压力传感器，其特征在于：所述的力敏芯片(6)是通过MEMS技术制作而成的芯片。
CN201710207291.5A 2017-03-31 2017-03-31 一种应力衰减结构的超高压力传感器 Active CN107024304B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710207291.5A CN107024304B (zh) 2017-03-31 2017-03-31 一种应力衰减结构的超高压力传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710207291.5A CN107024304B (zh) 2017-03-31 2017-03-31 一种应力衰减结构的超高压力传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107024304A CN107024304A (zh) 2017-08-08
CN107024304B true CN107024304B (zh) 2019-05-07

Family

ID=59527493

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710207291.5A Active CN107024304B (zh) 2017-03-31 2017-03-31 一种应力衰减结构的超高压力传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107024304B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1056747A (zh) * 1990-05-21 1991-12-04 株式会社日立制作所 测压传感器
CN2175929Y (zh) * 1993-11-05 1994-08-31 西安石油学院 超高压水油不浸入测压器
US6209397B1 (en) * 1996-12-18 2001-04-03 Wika Alexander Wiegand Gmbh & Co. Pressure sensor membrane having stepped annular peripheral surfaces and pressure sensor employing same
CN201373787Y (zh) * 2009-01-23 2009-12-30 谢大刚 一种超高压智能压力变送器
CN102692295A (zh) * 2011-03-23 2012-09-26 株式会社电装 压力传感器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1056747A (zh) * 1990-05-21 1991-12-04 株式会社日立制作所 测压传感器
CN2175929Y (zh) * 1993-11-05 1994-08-31 西安石油学院 超高压水油不浸入测压器
US6209397B1 (en) * 1996-12-18 2001-04-03 Wika Alexander Wiegand Gmbh & Co. Pressure sensor membrane having stepped annular peripheral surfaces and pressure sensor employing same
CN201373787Y (zh) * 2009-01-23 2009-12-30 谢大刚 一种超高压智能压力变送器
CN102692295A (zh) * 2011-03-23 2012-09-26 株式会社电装 压力传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN107024304A (zh) 2017-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103983806B (zh) 一种基于柔性铰链的光纤光栅高频加速度传感器
CN106814216A (zh) 一体式直圆型柔性铰链光纤光栅加速度传感器
CN110579303B (zh) 基于梯度泡沫的冲击波能量和冲量一体化测量装置及方法
CN103551921A (zh) 一种压阻式集成化三维车削力传感器
CN111505340A (zh) 一种小型结构的光纤光栅二维加速度传感器
CN107024304B (zh) 一种应力衰减结构的超高压力传感器
CN202814540U (zh) 光纤光栅震动传感器
CN107014533B (zh) 一种适用于准静态压力测量的快速响应冲击波滤波器
CN112097968A (zh) 一种光纤压力和加速度传感器及其安装标定方法
CN105606202A (zh) 高精度超低频六维力微振动测量系统
EP0664004A1 (en) ACCELEROMETER OF THE SHEAR FORCE TYPE.
CN103063230A (zh) 微机械陀螺仪组合的测试工装和交叉耦合的快速调整方法
US9021893B2 (en) High survivability fluid flow sensor having a load cell for detecting loading on the sensor probe
US6925887B1 (en) Blast pressure gauge
CN107870052B (zh) 一种微型光纤法珀压力传感器
CN108225622A (zh) 一种三维力传感器
CN102879149A (zh) 一种光纤fp式冲击波压力传感器
CN103604949A (zh) 一种环状压电式微加速度传感器
CN203037666U (zh) 抗振石英挠性加速度传感器
CN103900747B (zh) 偏心误差修正式的船舶轴系扭矩测量探头
CN113532724B (zh) 一种耐高温高压光纤力传感器
EP3118601A1 (en) Torque sensor
CN110281078A (zh) 一种镗刀片尖端多参数传感器
KR101627356B1 (ko) 힘 측정 기구
Abu-Mahfouz Instrumentation: Theory and Practice, Part 2: Sensors and Transducers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant