CN108267247A - 一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，涉及传感器领域，尤其涉及一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，用于解决现有现有技术下石英谐振压力传感器敏感元件和结构之间采用粘贴方式带来的易老化、难定位、存在温度漂移、应力集中和量程小的问题，本发明包括敏感元件和传感器主体，所述敏感元件全部由石英构成，包括元件本体，谐振晶片和第一通孔，所述元件本体为空心圆柱体结构，所述元件本体的顶部设有水平截面的施力平台，所述元件本体的底部设有水平截面的固定平台，所述元件本体的正面中心开设有第一通孔，所述第一通孔中心设有与元件本体相连的谐振晶片，本发明具有结构线性度更好，量程大，解决了偏载问题的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器。
背景技术
目前市面上的压力传感器不外乎压阻式，压电式或者谐振式；压阻式压力传感器的敏感单元是压敏电阻，其特点为当外界压力作用于压敏电阻上引起阻值发生改变，通过测定输出电压值的变化换算出外部压力的大小。该类传感器的缺点是温漂严重，且长时间使用易产生蠕变效应，故应用精度要求低静态力的测试。压电式传感器采用压电石英或陶瓷材料，该类传感器的最大特点压电系数高，Q值高故测试精度高；但是是能测试动态力。最近几年谐振式压力传感器越来越受到关注，采用压电谐振元器件制作而成，同谐振元器件的频率变化感知外界力的大小，其特点直接数字频率信号输出，且精度较上述两种高，另外该类传感器既能测试静态的力同时还可以测试动态的力；在较高精度力测试情况下备受关注。
在制作上述传感器时面临最大的问题是，敏感元件与结构之间的安装问题。过往的做法是通过粘贴的方式将二者连接在一起，这样的做法会存在以下几点问题：
1、胶点的连接会导致传感器长期稳定性。由于胶会随着外界的温度的影响已经长期老化必将导致敏感元件与结构间的粘合力出现问题。
2、胶点的连接无法控制敏感器件与结构之间的粘合力，其结果每个器件中敏感器件的预应力大小不一致，必将导致最终产品的一致性非常差无法批量生产。
3、点胶过程中很难保证敏感器件与结构之间的定位关系。
4、由于胶点，结构和敏感元器件三者之间的材料不同，其热膨胀系数也不同，当外界温度发生变化时，其传感器的温度漂移无法控制。瑞士奇士乐也提出一体式结构，但是结构中仍然存在晶片与金属结构的连接，因此无法避免两种材料不同温度膨胀系数导致传感器的温飘问题。
发明内容
本发明的目的在于:为了解决上述问题，本发明提供一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，采用全石英结构的构型，谐振晶片的切型与结构框架一致，整个结构是一体式，不存在胶点连接，具有量程大，易批量生产，结构定位准确，不存在温度漂移、应力集中和偏载问题的优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，包括敏感元件和传感器主体，所述传感器主体包括基座、引线、底板和外接线，所述底板上设有放大电路，所述敏感元件固定于基座中，所述敏感元件和放大电路通过引线电连接，所述外接线与放大电路电连接，其特征在于，所述敏感元件全部由石英构成，包括元件本体，谐振晶片和第一通孔，所述元件本体为空心圆柱体结构，所述元件本体的顶部设有水平截面的施力平台，所述元件本体的底部设有水平截面的固定平台，所述元件本体的正面中心开设有第一通孔，所述第一通孔中心设有与元件本体相连的谐振晶片。
进一步地，所述元件本体的结构尺寸中，空心圆柱体壁厚为4.70～4.80mm，外径为13mm～15mm。
进一步地，所述第一通孔呈圆柱形贯穿于元件本体的正面中心，所述第一通孔的内径为8.5mm～9.0mm。
进一步地，所述谐振晶片的厚度为0.200mm～0.210mm，包括受力片和连接片，所述受力片对称的两端延伸出两片连接片，所述连接片与第一通孔内壁无缝连接。
进一步地，所述连接片最大宽度小于受力片直径。
进一步地，所述放大电路包括电阻Rb1、电阻Rb2、电阻Rc1、电阻Rc2、电容C1、可变电容C2、三极管T1和三极管T2，敏感元件的一端依次与可变电容C2和电阻Rc2串联后接输出端子Ec，敏感元件的另一端分别与电阻Rb1的一端和三极管T1的基极相连，所述电阻Rb1的另一端依次与电容C1电阻Rb2串联后接输出端子V0，所述三极管T1的发射极与三极管T2的发射极均接地，三极管T1的集电极与电阻Rc1串联后接输出端子EC，所述三极管T2的基极和集电极并联在电阻Rb2的两端。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明采用一体式结构，不存在胶点粘贴，也就不存在粘贴点长期老化的问题，寿命更长。
2.本发明的一体式结构使得元件主体和谐振晶片之间的力的传导可控，每个敏感元件中的预应力大小一致，产品的一致性好，有利于批量生产。
3.本发明谐振晶片和元件主体为一体式结构，在生产过程中不存在定位问题，可以提高生产效率。
4.本发明谐振晶片与元件主体全部采用同样切型的石英晶体，具有相同的膨胀系数，在外界温度发生变化时，其传感器的温度漂移可控。
5.本发明对元件主体进行了打孔的改进，使得谐振晶片受力最大化，提高了晶片受力均匀性，从而提高了传感器的灵敏度。
6.本发明元件本体采用空心圆柱体结构，可以解决普通长方体结构产生的应力集中的问题，提升传感器的量程，同时空心圆柱体结构能够更好的解决力作用于结构表面不同位置导致的偏载问题，结构线性度较好，较一般方形设计的传感器非线性误差降低了1倍
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，在附图中：
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明放大电路原理图；
图3是本发明实施例1敏感元件结构示意图；
图4是本发明实施例1敏感元件受力分析图；
图5是本发明实施例1敏感元件FEM仿真图；
附图说明：1、敏感元件；1-1、元件本体；1-1-1、受力平台；1-1-2、固定平台；1-2、谐振晶片；1-2-1、受力片；1-2-2、连接片；1-3、第一通孔；1-4、第二通孔；2、传感器主体；3、基座；4、引线；5、底板；6、外接线；7、放大电路。
为了本技术领域的人员更好的理解发明，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1和图3所示，一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，包括敏感元件1和传感器主体2，所述传感器主体2包括基座3、引线4、底板5和外接线6，所述底板5上设有放大电路7，所述敏感元件1固定于基座3中，所述敏感元件1和放大电路7通过引线4电连接，所述外接线6与放大电路7电连接，其特征在于，所述敏感元件1全部由石英构成，包括元件本体1-1，谐振晶片1-2和第一通孔1-3，所述元件本体1-1为空心圆柱体结构，所述元件本体1-1的顶部设有水平截面的施力平台1-1-1，所述元件本体1-1的底部设有水平截面的固定平台1-1-2，所述元件本体1-1的正面中心开设有第一通孔1-3，所述第一通孔1-3中心设有与元件本体1-1相连的谐振晶片1-2。
作为一种优选的实施方式，所述元件本体1-1的结构尺寸中，空心圆柱体壁厚为4.75mm，外径为14mm。
作为一种优选的实施方式，所述第一通孔1-3呈圆柱形贯穿于元件本体1-1的正面中心，所述第一通孔的内径为8.7mm。
作为一种优选的实施方式，所述谐振晶片1-2的厚度为0.208mm，包括受力片1-2-1和连接片1-2-2，所述受力片1-2-1对称的两端延伸出两片连接片1-2-2，所述连接片1-2-2与第一通孔1-3的内壁无缝连接。
当整个结构的上表面受力后变形，将力传导到中间的谐振晶片上，导致谐振晶片变形，选取中间谐振晶片上节点测试当表面施加外力后该节点上对应传递的应力值大小，评定该结构的线性度，其受力分析结果如图4所示，进行有限元方法仿真得到如图5结果，对应的数值如下：
| Force(N) | Stress(Pa) |
| 1000 | 16579572.70 |
| 1250 | 20724465.90 |
| 2500 | 41448931.80 |
| 5000 | 82897863.50 |
| 8000 | 132636582.00 |
| 10000 | 165795727.00 |
| 12000 | 198954872.00 |
| 15000 | 248693591.00 |
| 17500 | 290142522.00 |
综合从该仿真结果可以得出，该实施例中结构线性度较好，较一般方形设计的传感器非线性误差降低了1倍。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上做出下列改进：
作为一种优选的实施方式，所述连接片1-2-2最大宽度小于受力片1-2-1直径。
如图2所示，作为一种优选的实施方式，所述放大电路7包括电阻Rb1、电阻Rb2、电阻Rc1、电阻Rc2、电容C1、可变电容C2、三极管T1和三极管T2，敏感元件的一端依次与可变电容C2和电阻Rc2串联后接输出端子Ec，敏感元件的另一端分别与电阻Rb1的一端和三极管T1的基极相连，所述电阻Rb1的另一端依次与电容C1电阻Rb2串联后接输出端子V0，所述三极管T1的发射极与三极管T2的发射极均接地，三极管T1的集电极与电阻Rc1串联后接输出端子EC，所述三极管T2的基极和集电极并联在电阻Rb2的两端。
工作原理：石英晶振具有压电效应，在晶体片上施加压力时，在晶体的某个方向的两面就会产生电荷，一个表面产生正电荷，而另一个表面产生负电荷；如果将压力改为张力(拉力)时，则产生电荷性质刚好相反，此为正压电效应。反之，如果在晶体两面加上电压时，它就会产生伸张或收缩的运动，这种性质称为反压电效应。由于石英晶体具有反压电效应，在交流电压的作用下，晶体便会发生周期性的机械振动，又因为它具有压电效应，在作周期性的机械振动时，又将引起晶体两面电荷性质的周期性变化，所以，便在电路中形成一正弦交流电流i。交流电流的大小是与机械振动的幅度成正比的，也即与外加交流电压的幅度成正比。石英晶体机械振的幅度及交流电流的大小是与外加交流电压的频率有关的，当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，机械振动的振幅及交流电流都为最大，这种现象称为石英晶体的压电谐振，它相当于LC回路的串联谐振。因此，可以把晶振等效为一个LC串联的谐振回路，
当外界力作用于石英晶片的边缘时，会引起石英晶片的变形，阻碍其谐振频率，导致本征频率发生改变；通过检验频率的变化量可以计算出外力的大小。
以上所述，仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，包括敏感元件(1)和传感器主体(2)，所述传感器主体(2)包括基座(3)、引线(4)、底板(5)和外接线(6)，所述底板(5)上设有放大电路(7)，所述敏感元件(1)固定于基座(3)中，所述敏感元件(1)和放大电路(7)通过引线(4)电连接，所述外接线(6)与放大电路(7)电连接，其特征在于，所述敏感元件(1)全部由石英构成，包括元件本体(1-1)，谐振晶片(1-2)和第一通孔(1-3)，所述元件本体(1-1)为空心圆柱体结构，所述元件本体(1-1)的顶部设有水平截面的施力平台(1-1-1)，所述元件本体(1-1)的底部设有水平截面的固定平台(1-1-2)，所述元件本体(1-1)的正面中心开设有第一通孔(1-3)，所述第一通孔(1-3)中心设有与元件本体(1-1)相连的谐振晶片(1-2)。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，其特征在于：所述元件本体(1-1)的结构尺寸中，空心圆柱体壁厚为4.70～4.80mm，外径为13mm～15mm。
3.根据权利要求1所述的一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，其特征在于：所述第一通孔(1-3)呈圆柱形贯穿于元件本体(1-1)的正面中心，所述第一通孔(1-3)的内径为8.5mm～9.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，其特征在于：所述谐振晶片(1-2)的厚度为0.200mm～0.210mm，包括受力片(1-2-1)和连接片(1-2-2)，所述受力片(1-2-1)对称的两端延伸出两片连接片(1-2-2)，所述连接片(1-2-2)与第一通孔(1-3)的内壁无缝连接。
5.根据权利要求4所述的一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，其特征在于：所述连接片(1-2-2)最大宽度小于受力片(1-2-1)直径。
6.根据权利要求1所述的一种圆柱形结构一体式谐振压力传感器，其特征在于：所述放大电路(7)包括电阻Rb1、电阻Rb2、电阻Rc1、电阻Rc2、电容C1、可变电容C2、三极管T1和三极管T2，敏感元件的一端依次与可变电容C2和电阻Rc2串联后接输出端子Ec，敏感元件的另一端分别与电阻Rb1的一端和三极管T1的基极相连，所述电阻Rb1的另一端依次与电容C1电阻Rb2串联后接输出端子V0，所述三极管T1的发射极与三极管T2的发射极均接地，三极管T1的集电极与电阻Rc1串联后接输出端子EC，所述三极管T2的基极和集电极并联在电阻Rb2的两端。
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| 朱惠忠 等: "压电谐振式力传感器的研究", 《仪表技术与传感器》, no. 05, pages 1 - 3 * |
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