CN108088609A - 一种管式压力传感器及加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种管式压力传感器，包括平面弹性体、外壳、引出线、引线端子；所述外壳为管状；所述平面弹性体为阶梯形柱状，平面弹性体内设有通孔，用于被测液体流通，平面弹性体包括液体流入端、测量部、液体流出端；所述测量部上设有平台，平台上设有薄膜状应变片，薄膜状应变片用于测量被测液体流过测量部时测量部的应变；所述液体流入端与外壳的一端连接，所述液体流出端与外壳的另一端连接；所述引线端子安装在测量部上，引线端子与薄膜状应变片连接；所述引出线与引线端子连接。此外还提供了一种管式压力传感器加工方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种管式压力传感器及加工方法，属于传感器技术领域。
背景技术
压力传感器作为最基本的测量单元而被广泛应用于工业自动化生产、军事武器装备、航空航天航海等各个领域中，为这些领域提供最基本的数据支持。目前较为广泛使用的传统的压力传感器为直接测量式，需要安装固定在管道某一位置，这时传感器的安装固定就需要在管道上进行打孔操作，该方法在高压超高压测量、小液体流量领域一方面增加了操作的难度，另一方面降低了管道的安全性能。特别是在高精度超高压液相泵中，工作压力高达50-120MPa，流量范围在2mL/min以下，微升级死体积，主缸与副缸之间的压力一致性等要求高，且会影响流量精度和压力稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种管式压力传感器，在弹性体上通过薄膜溅射工艺设置应变片，待弹性体内部腔体通入被测液体后弹性体发生相应形变，同时应变片丝栅发生相应拉伸或压缩，应变片组成惠斯通全桥后将会有相应的信号输出，从而实现对被测液体的压力的测量。此外还提供了一种管式压力传感器加工方法。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种管式压力传感器，包括平面弹性体、外壳、引出线、引线端子；
所述外壳为管状；所述平面弹性体为阶梯形柱状，平面弹性体内设有通孔，用于被测液体流通，平面弹性体包括液体流入端、测量部、液体流出端；所述测量部上设有平台，平台上设有薄膜状应变片，薄膜状应变片用于测量被测液体流过测量部时测量部的应变；所述液体流入端与外壳的一端连接，所述液体流出端与外壳)的另一端连接；
所述引线端子安装在测量部上，引线端子与薄膜状应变片连接；所述引出线与引线端子连接。
上述管式压力传感器，所述测量部上平台表面的粗糙度为Ra≤0.02μm。
上述管式压力传感器，所述薄膜状应变片贴于测量部上采用但不局限于溅射薄膜工艺或粘贴工艺。
上述管式压力传感器，所述薄膜状应变片组成惠斯通电桥。
上述管式压力传感器，所述平面弹性体采用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料，洛氏硬度HRC达到39～43。
上述管式压力传感器，所述测量部为圆筒状，当被测液体的压力为P时，测量部的最小壁厚h为：
上述管式压力传感器，所述外壳的侧壁上设有穿线孔，所述引出线通过外壳的穿线孔穿出。
上述管式压力传感器，所述液体流入端与外壳的连接采用激光焊接或者电子束焊接；所述液体流出端与外壳的连接采用激光焊接或者电子束焊接。
上述管式压力传感器，所述引线端子与薄膜状应变片采用胶粘连接。
上述管式压力传感器，所述液体流入端的通孔内设有螺纹，与外部的设备螺纹密封连接；所述液体流出端的通孔内设有螺纹，与外部的设备螺纹密封连接。
上述管式压力传感器，所述外壳的一端的外表面设有六方，用于管式压力传感器的安装。
上述管式压力传感器，所述管式压力传感器测量的压力范围为50MPa～500MPa。
上述管式压力传感器，所述管式压力传感器测量的阻抗范围为2.5kΩ～4kΩ，功耗范围为50mW～60mW。
一种管式压力传感器的加工方法，包括如下步骤：
步骤一、利用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料，采用车床加工管状外壳，外壳的侧壁上加工穿线孔；
步骤二、利用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料，采用车床加工平面弹性体；首先加工平面弹性体内部的通孔，然后加工平面弹性体的阶梯形外表面，形成平面弹性体的液体流入端、测量部、液体流出端，最后在测量部的外表面加工平台；采用研磨抛光工艺将平台抛光至镜面，平台的表面粗糙度Ra≤0.02μm；
步骤三、对步骤二中的平面弹性体首先进行清洗、烘干后，采用离子束溅射工艺，将薄膜状应变片溅射在平面弹性体的测量部的平台上；
步骤四、将引线端子粘在薄膜状应变片上，引出线的一端与引线端子连接，引出线的另一端由外壳的穿线孔穿出；
步骤五、将液体流入端和液体流出端分别与外壳两端焊接。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明管式结构压力传感器的死体积极小，由于内腔为管式，在满足流量要求下，做到最小，减少了流路中的死体积，有利于减少液相泵在超高压下介质的压缩量，从而提高高压下的流量精度；
(2)本发明管式结构压力传感器量程大，量程覆盖范围广，可以做到50MPa～500MPa，传感器测量综合精度高，综合精度达到0.1～0.2％FS，该管式压力传感器应用范围广；
(3)本发明管式结构压力传感器采用弹性体作为过流元件，不额外增加机构负担，整体结构尺寸较小，精度高，有利于精密仪器的应用和设备小型化应用；
(4)本发明管式结构压力传感器采用薄膜状应变片，相比于现有技术，应变片体积大幅减小，对于较小的平面弹性体发生变形区域，其更便于安装；同时对于较大的平面弹性体发生变形区域，其更有利于变形区域将形变传导到薄膜状应变片，测量精度更高；
(5)本发明管式结构压力传感器采用薄膜状应变片，其阻抗范围为2.5kΩ～4kΩ，功耗为50mW～60mW，相比于现有技术，功耗下降了90％。
附图说明
图1为本发明一种管式压力传感器的组成示意图；
图2为本发明的平面弹性体的结构示意图；
图3为本发明测量部的侧视图；
图4为本发明实施例平面弹性体的应变分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
图1为本发明一种管式压力传感器的组成示意图。一种管式压力传感器，包括平面弹性体1、外壳2、引出线3、引线端子4；平面弹性体1包括液体流入端11、测量部12、液体流出端13，如图2所示。其中信号引出线3以及引线端子4均采用行业标准协议与标准元件，有利于大规模生产时降低生产成本，同时采用行业标准协议与标准元件降低了产品生产、装配、维修过程中的难度。
外壳2为管状；平面弹性体1为阶梯形柱状，平面弹性体1内设有通孔，用于被测液体流通；测量部12上设有平台，平台表面的粗糙度为Ra≤0.02μm，平台上设有薄膜状应变片14，薄膜状应变片14贴于测量部12上采用但不局限于溅射薄膜工艺或粘贴工艺。薄膜状应变片14组成惠斯通电桥，用于测量被测液体流过测量部12时测量部12的应变。
液体流入端11与外壳2的一端采用激光焊接或者电子束焊接，液体流出端13与外壳2的另一端采用激光焊接或者电子束焊接。
引线端子4安装在测量部12上，引线端子4与薄膜状应变片14采用胶粘连接；引出线3的一端与引线端子4连接；外壳2的侧壁上设有穿线孔，引出线3的另一端通过外壳2的穿线孔穿出，传感器直接输出的信号形式为mV级的电压信号。引出线3接入到相应的检测或者调理电路系统，从而实现了本发明测量数据的采集和读取功能。
液体流入端11和液体流出端13的通孔内设有螺纹，用于与外部的设备螺纹密封连接。外壳2的一端的外表面设有六方，用于管式压力传感器的安装。本发明管式压力传感器的整体外形尺寸小巧，满足精密仪器以及小型化设备的尺寸要求。
平面弹性体1采用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料0Cr17Ni4Cu4Nb，加工前1040℃固溶处理，加工后需要在490℃±5℃真空环境下沉淀硬化，洛氏硬度HRC达到39～43范围。外壳2同样采用采用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料0Cr17Ni4Cu4Nb。
当被测液体的压力为P时，测量部12的最小壁厚h为：
式中，h的单位为mm，P的单位为MPa。
本实施例中，被测液体的压力P为150MPa，测量部12上设有的平台，平台的形状为圆形，圆形直径d为2mm，测量部12的最小壁厚h为0.5mm，H为测量部12的直径，如图3所示。在满足至少1mV/V信号输出灵敏度的情况下，应变量需达到700微应变以上，该平台内达到700微应变以上的区域宽度范围约为1.6mm，其应变分布图如图4所示，图4中横坐标为距离，单位mm，纵坐标为应变，无量纲。而本实施例中薄膜状应变片14的应变丝栅有效应变尺寸为1mm×1.5mm，上述平台内达到700微应变以上的区域宽度范围能够满足该薄膜状应变片14的应变丝栅的分布。
管式压力传感器测量的阻抗范围为2.5～4kΩ，传感器桥路电流在常规12V供电的情况下约为4mA左右，功耗范围为50～60mW。
一种管式压力传感器的加工方法，包括如下步骤：
步骤一、利用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料0Cr17Ni4Cu4Nb，采用车床加工管状外壳2，外壳2的侧壁上加工穿线孔。
步骤二、利用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料0Cr17Ni4Cu4Nb，采用车床加工平面弹性体1；首先加工平面弹性体1内部的通孔，然后加工平面弹性体1的阶梯形外表面，形成平面弹性体1的液体流入端11、测量部12、液体流出端13，最后在测量部12的外表面加工平台；采用研磨抛光工艺将平台抛光至镜面，平台的表面粗糙度Ra≤0.02μm，以达到离子束溅射镀膜的工艺要求。
步骤三、对步骤二中的平面弹性体1依次经过酒精超声波清洗和丙酮清洗，彻底清洁后进行烘干，烘干后进入真空腔室，采用离子束溅射工艺，将薄膜状应变片14溅射在平面弹性体1的测量部12的平台上。
具体的，依次将卡玛合金过渡层、SiO2绝缘层、卡玛合金电阻层、金焊盘、SiO2保护层通过分子间结合的形式直接键合在测量部12的平台上，至此薄膜状应变片14的薄膜溅射工艺完成。薄膜溅射工艺完成后通过阻值测试、绝缘测试、温度试验等相关测试后筛选出合格的薄膜状应变片14后放入真空炉中在480℃下进行老化试验，老化试验后再对薄膜状应变片14进行阻值及绝缘测试，合格后进行下一步骤。
步骤四、将引线端子4粘在薄膜状应变片14上，引出线3的一端与引线端子4连接，引出线3的另一端由外壳2的穿线孔穿出；
步骤五、将液体流入端11和液体流出端13分别与外壳2两端焊接。
本发明管式压力传感器测量能够实现被测液体的压力实时测量，且可测的液体压力范围非常广，尤其适用于高压、超高压液体压力的测量，本发明管式压力传感器测量的压力范围为50～500MPa，管式压力传感器测量的阻抗范围为2.5～4kΩ，功耗范围为50mW～60mW。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (14)
1.一种管式压力传感器，其特征在于：包括平面弹性体(1)、外壳(2)、引出线(3)、引线端子(4)；
所述外壳(2)为管状；所述平面弹性体(1)为阶梯形柱状，平面弹性体(1)内设有通孔，用于被测液体流通，平面弹性体(1)包括液体流入端(11)、测量部(12)、液体流出端(13)；所述测量部(12)上设有平台，平台上设有薄膜状应变片(14)，薄膜状应变片(14)用于测量被测液体流过测量部(12)时测量部(12)的应变；所述液体流入端(11)与外壳(2)的一端连接，所述液体流出端(13)与外壳(2)的另一端连接；
所述引线端子(4)安装在测量部(12)上，引线端子(4)与薄膜状应变片(14)连接；所述引出线(3)与引线端子(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述测量部(12)上平台表面的粗糙度为Ra≤0.02μm。
3.根据权利要求1所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述薄膜状应变片(14)贴于测量部(12)上采用但不局限于溅射薄膜工艺或粘贴工艺。
4.根据权利要求1所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述薄膜状应变片(14)组成惠斯通电桥。
5.根据权利要求1所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述平面弹性体(1)采用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料，洛氏硬度HRC达到39～43。
6.根据权利要求1所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述测量部(12)为圆筒状，当被测液体的压力为P时，测量部(12)的最小壁厚h为：
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7.根据权利要求1～6之一所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述外壳(2)的侧壁上设有穿线孔，所述引出线(3)通过外壳(2)的穿线孔穿出。
8.根据权利要求1～6之一所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述液体流入端(11)与外壳(2)的连接采用激光焊接或者电子束焊接；所述液体流出端(13)与外壳(2)的连接采用激光焊接或者电子束焊接。
9.根据权利要求1～6之一所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述引线端子(4)与薄膜状应变片(14)采用胶粘连接。
10.根据权利要求1～6之一所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述液体流入端(11)的通孔内设有螺纹，与外部的设备螺纹密封连接；所述液体流出端(13)的通孔内设有螺纹，与外部的设备螺纹密封连接。
11.根据权利要求1～6之一所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述外壳(2)的一端的外表面设有六方，用于管式压力传感器的安装。
12.根据权利要求1～6之一所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述管式压力传感器测量的压力范围为50MPa～500MPa。
13.根据权利要求1～6之一所述的一种管式压力传感器，其特征在于：所述管式压力传感器测量的阻抗范围为2.5kΩ～4kΩ，功耗范围为50mW～60mW。
14.一种管式压力传感器的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、利用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料，采用车床加工管状外壳(2)，外壳(2)的侧壁上加工穿线孔；
步骤二、利用17-4PH沉淀硬化不锈钢材料，采用车床加工平面弹性体(1)；首先加工平面弹性体(1)内部的通孔，然后加工平面弹性体(1)的阶梯形外表面，形成平面弹性体(1)的液体流入端(11)、测量部(12)、液体流出端(13)，最后在测量部(12)的外表面加工平台；采用研磨抛光工艺将平台抛光至镜面，平台的表面粗糙度Ra≤0.02μm；
步骤三、对步骤二中的平面弹性体(1)首先进行清洗、烘干后，采用离子束溅射工艺，将薄膜状应变片(14)溅射在平面弹性体(1)的测量部(12)的平台上；
步骤四、将引线端子(4)粘在薄膜状应变片(14)上，引出线(3)的一端与引线端子(4)连接，引出线(3)的另一端由外壳(2)的穿线孔穿出；
步骤五、将液体流入端(11)和液体流出端(13)分别与外壳(2)两端焊接。
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