CN111551106B - 传感器组件 - Google Patents
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Abstract
描述了一种传感器组件。所述传感器组件包括具有向外延伸的凸缘的传感器主体、第一和第二间隔件、以及具有第一壳体部分和第二壳体部分的一体式两部分壳体。所述两部分壳体包括环形槽，在所述环形槽中容纳有向外延伸的凸缘以及第一和第二间隔件。壳体与第一和第二间隔件的相对的环形表面彼此滑动接触。第一和第二间隔件与凸缘的相对的环形表面彼此滑动接触。壳体的环形表面借助于第一和第二间隔件向凸缘施加压缩载荷，以在相对的环形表面之间保持密封。如果传感器组件暴露于高温环境中，则相对的环形表面可调节传感器组件的各组成部分之间的热膨胀差。
Description
技术领域
本发明涉及传感器组件，且具体地涉及结合有传感器主体的传感器组件。
术语“传感器组件”旨在涵盖各种不同的传感器类型和产品，如以下(非穷举的)清单所示：压力传感器、应变仪传感器、温度传感器、电容式传感器、位移测量传感器、叶尖定时传感器、叶尖间隙测量传感器、感应传感器、光学传感器以及微波传感器和红外传感器。
背景技术
EP 2330408描述了一种可以在高温操作环境中使用的传感器组件。该传感器组件包括具有径向凸缘的传感器主体。壳体具有环形槽，传感器主体的径向凸缘容纳在所述环形槽中。环形槽由一对相对的肩部限定，每个肩部具有环形表面和实质圆柱面。
肩部的环形表面与凸缘的环形表面滑动接触，并向凸缘施加压缩载荷。因此，传感器主体不是被物理地固定至壳体(例如，通过钎焊)，而是由于通过肩部的环形表面施加到凸缘上的压缩载荷而牢固地保持在壳体内。传感器组件的特殊构造意味着不存在显著的热膨胀差问题，因此传感器组件固有地适用于高温环境。
传感器组件可以是用于测量燃气涡轮发动机叶片的尖端与周围壳体之间的间隙的电容式传感器。
发明内容
本发明提供一种传感器组件，包括：
传感器主体，所述传感器主体具有向外延伸的凸缘，所述凸缘具有第一环形表面和第二环形表面；
第一间隔件，所述第一间隔件具有第一环形表面和第二环形表面；
第二间隔件，所述第二间隔件具有第一环形表面和第二环形表面；和
壳体，所述壳体具有环形槽，所述环形槽中容纳有向外延伸的凸缘以及第一和第二间隔件，所述环形槽限定在所述壳体的第一环形表面和第二环形表面之间；
其中：
所述壳体的第一环形表面与所述第一间隔件的第一环形表面滑动接触；
所述第一间隔件的第二环形表面与所述向外延伸的凸缘的第一环形表面滑动接触；
所述向外延伸的凸缘的第二环形表面与所述第二间隔件的第一环形表面滑动接触；并且
所述第二间隔件的第二环形表面与所述壳体的第二环形表面滑动接触；并且
其中所述壳体的第一和第二环形表面借助于第一和第二间隔件将压缩载荷施加到向外延伸的凸缘上。
间隔件是不导电的，并且可以由合适的陶瓷材料或任何其他合适的非导电材料形成。材料的选择可取决于与间隔件滑动接触的其他部件(诸如传感器主体的凸缘和壳体)的材料，以保持密封并适应热膨胀差。间隔件可实质上围绕传感器主体(例如，环形间隔件)，并且间隔件可具有开口，通过该开口容纳传感器主体。
壳体可以由合适的金属或金属合金形成，该金属或金属合金能够承受传感器组件在使用中通常会经历的升高的工作温度。
传感器主体可具有大致呈圆形截面的大致圆柱形。
凸缘可以是径向凸缘。凸缘可包括位于其第一环形表面和第二环形表面之间的外边缘表面。外边缘表面可以是大致圆柱形的。
环形槽可进一步包括位于壳体的第一环形表面和第二环形表面之间的壳体内表面。壳体内表面可以是大致圆柱形的。
每个间隔件可包括面向壳体内表面的外边缘表面和限定间隔件开口并面向传感器主体的外表面的内边缘表面。每个间隔件的外边缘表面可以是大致圆柱形的。每个间隔件的内边缘表面可以是大致圆柱形的。每个间隔件的外边缘表面和内边缘表面可分别与壳体内表面和传感器主体的外表面接触或紧密公差配合。
传感器主体优选地与壳体电绝缘，可选地，传感器主体通过间隔件与壳体间隔开而与壳体电绝缘。传感器主体可以通过环形空隙或通过插入非导电材料与壳体间隔开。传感器主体与壳体之间的空隙的至少一部分可以由合适的非导电材料填充，或者可以保持未填充，即，作为提供必要的电绝缘的气隙。
传感器主体可由任何合适的材料形成，并且优选地包括导电电极。传感器主体还可以包括导电屏蔽件。电极和屏蔽件可以由任何合适的导电材料制成，诸如金属、金属合金或陶瓷。屏蔽件与电极电绝缘。
传感器主体可以由任何合适的材料形成，诸如金属、金属合金、陶瓷或其组合。传感器主体可具有多层构造或多部分构造，其中一层或多层或者一部分或多部份是合适的导电材料，诸如金属、金属合金或陶瓷，并且一层或多层或者一部分或多部份是合适的非导电材料，诸如陶瓷。传感器主体的导电层或导电部分可以限定电极或屏蔽件，或者传感器主体的一些部分在电极或屏蔽件与传输电缆(例如同轴电缆或三轴电缆)之间提供电连接。这种传输电缆可以以适当的方式电连接至传感器主体。在一种布置中，传感器主体与传输电缆之间的连接可以使用密封且实质上刚性的电缆连接组件来进行。这种电缆连接组件可以抑制传感器主体在壳体内的任何微小移动或振动，从而使噪声最小化。矿物绝缘电缆通常具有吸湿性，如果吸收湿气，则电缆的绝缘电阻可能会受损。使用密封的电缆连接组件意味着，如果有少量湿气进入传感器组件(请参见下文)，也不会对矿物绝缘电缆产生任何不利影响。传输电缆可以实质上垂直于传感器主体的轴定向或处于任何其他合适或方便的定向。例如，传感器主体的非导电层或非导电部分可以使电极与壳体电绝缘，或者使屏蔽件与电极和壳体电绝缘。某些层可以是例如使用合适的沉积工艺施加的沉积层。
电极可具有任何合适的形状。通常，电极将具有大致圆形的截面。
可以将导电涂层施加到电极上，例如施加到电极的前表面或朝外的表面上。
可以将隔热涂层施加到电极上，例如施加到电极的前表面或朝外的表面上，或者施加到先前施加的表面涂层上，以保护其免受可能在使用中暴露的高温的影响。电极通常位于传感器组件的前端部分。例如，在用于测量燃气涡轮发动机叶片的尖端与周围壳体之间的间隙的电容式传感器的情况下，传感器组件的前端部分将是朝着叶片尖端延伸的部分并且在使用中会暴露于高温和污染物。暴露于高温会导致传感器组件本身的温度升高，有关传感器组件的构造如何允许其适应由于例如在燃气涡轮发动机不工作时的环境温度与燃气涡轮发动机工作时的高温(诸如1200℃或更高)之间的显著温度变化而导致传感器组件的各个部件之间的热膨胀差的更详细讨论，请参见下文。
传感器主体可以形成有轴向延伸的支撑件和电极。如果电极形成为单独的部件，则可以通过任何合适的方式将其固定到支撑件上，诸如通过焊接或钎焊，或者诸如通过使用互补的螺纹或机械固定。凸缘可以是支撑件的一部分，并且在已将一个间隔件定位在支撑件的前端部分上之后，将电极固定到支撑件的前端部分，即，使得定位的间隔件轴向定位在凸缘和电极之间的支撑件上。
如上所述，支撑件可以在电极与传输电缆(例如同轴电缆或三轴电缆)之间提供电连接。如果传感器主体包括屏蔽件，则支撑件还可以在屏蔽件和传输电缆之间提供电连接。传输电缆可电连接至支撑件的后端部分，在使用中，该后端部分所经历的温度可能比前端部分低。
壳体可以是两部分壳体。具体地，壳体的第一环形表面可以形成在第一壳体部分中，并且壳体的第二环形表面可以形成在第二壳体部分中。第一壳体部分优选地例如通过钎焊材料、通过焊接或任何其他合适的固定方法被牢固地固定至第二壳体部分。第一壳体部分和第二壳体部分中的一个可以是外部壳体，并且第一壳体部分和第二壳体部分中的另一个可以是内部壳体，所述内部壳体至少部分地位于外部壳体内，并且可选地完全位于外部壳体内。
壳体的前端部分可包括电极位于其中的凹入开口。壳体的前端部分可以通过环形空隙或通过插入非导电材料而与电极间隔开。电极与壳体的前端部分之间的环形空隙的至少一部分可以由合适的非导电材料填充，包括上述的隔热涂层，该隔热涂层还可以施加至电极的前表面或向外延伸的表面以保护其免受高温影响。或者，电极与壳体的前端部分之间的环形空隙可以保持未填充，即，作为提供必要的电绝缘的气隙。填充环形空隙可以是有用的，因为它密封了传感器组件前端的凹入开口，因此可以防止可能影响传感器组件的操作的污染物进入。壳体的前端部分可以突出到电极的前表面或向外表面之外，以限定环形圈，该环形圈可以填充有例如隔热涂层材料或其他非导电材料。
传感器主体不是被物理地固定至壳体，而是由于壳体(即通过间隔件)施加到凸缘上的压缩载荷而牢固地保持在壳体内。传感器组件的特殊构造意味着，即使传感器组件的各个部件通常由不同类型的材料(例如，金属、金属合金、陶瓷等)制成，也不会出现显著的热膨胀差问题。因此，传感器组件固有地适合在工作温度升高的环境中使用。如果壳体由合适的金属或金属合金制成，传感器主体主要由合适的金属或金属合金制成，且间隔件由合适的陶瓷制成，当传感器主体经历显著的温度变化时，壳体与间隔件之间的热膨胀差可以通过相对的环形表面之间的滑动接触来调节，并且间隔件与传感器主体之间的热膨胀差可以通过相对的环形表面之间的滑动接触来调节。如果壳体由合适的金属或金属合金制成，传感器主体主要由合适的陶瓷制成，且间隔件由合适的陶瓷制成，当传感器主体经历显著的温度变化时，壳体与间隔件之间的热膨胀差可以通过相对的环形表面之间的滑动接触来调节。(将理解的是，如果传感器主体和间隔件均由合适的陶瓷制成，则它们之间的热膨胀差很小，并且通过使用相同的陶瓷或通过使用具有实质上类似的热膨胀系数的不同陶瓷，可以将热膨胀差最小化甚至完全消除。)温度显著变化的结果是，传感器组件的各部件将主要在径向方向上相对于彼此移动，并且这种径向移动通过如上所述的各个相对的环形表面之间的滑动接触来调节。轴向上的任何相对移动都非常小(通常为几微米的数量级)，并由壳体的材料特性来调节。
可以在任何环形表面上施加合适的涂层，以减少滑动接触表面之间的摩擦和磨损。
由壳体施加到凸缘上的压缩载荷通过四组同样滑动接触的相对的环形表面施加，即：(i)第一壳体部分和第一间隔件的相对的环形表面，(ii)第一间隔件和凸缘的相对的环形表面，(iii)第二间隔件和凸缘的相对的环形表面，以及(iv)第二壳体部分和第二间隔件的相对的环形表面。与EP 2330408中所描述的传感器组件相比，这可以提供显著的改进，在EP 2330408中，仅通过两组相对的环形表面(即，第一壳体部分和凸缘的相对的环形表面以及第二壳体部分和凸缘的相对的环形表面)施加压缩载荷。这种改进可以减少环形表面的磨损，并延长传感器组件的使用寿命。间隔件还可以保持传感器主体在壳体内的定位/对准并提供电绝缘。
传感器组件可以使用传统的钎焊技术以经济有效的方式制造，如下文更详细描述的。
本发明进一步提供一种制造传感器组件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有向外延伸的凸缘的传感器主体，所述凸缘具有第一环形表面和第二环形表面；
提供具有第一环形表面和第二环形表面的第一间隔件；
提供具有第一环形表面和第二环形表面的第二间隔件；
将传感器主体以及第一和第二间隔件定位在具有环形槽的两部分壳体中，在所述环形槽中容纳有向外延伸的凸缘以及第一和第二间隔件，所述环形槽被限定在形成于第一壳体部分中的第一环形表面与形成于第二壳体部分中的第二环形表面之间；
使第一壳体部分的第一环形表面与第一间隔件的第一环形表面接触；
使第一间隔件的第二环形表面与向外延伸的凸缘的第一环形表面接触；
使向外延伸的凸缘的第二环形表面与第二间隔件的第一环形表面接触；
使第二间隔件的第二环形表面与第二壳体部分的第二环形表面接触；和
将第一壳体部分和第二壳体部分固定以形成一体式两部分壳体，从而借助于第一和第二间隔件将压缩载荷施加到向外延伸的凸缘上。
在一种方法中，将第一壳体部分和第二壳体部分固定在一起的步骤可进一步包括以下步骤：
将传感器组件的温度升高至特定温度，在此期间，第一壳体部分和第二壳体部分经历热膨胀；
在特定温度下将第一和第二壳体部分与传感器组件固定在一起；和
降低传感器组件的温度，在此期间，一体式两部分壳体的第一壳体部分和第二壳体部分经历热收缩，从而借助于第一和第二间隔件将压缩载荷施加到向外延伸的凸缘上。
将第一壳体部分和第二壳体部分固定在一起的步骤可以使用钎焊工艺，并且可进一步包括以下步骤：在第一壳体部分和第二壳体部分之间以熔融状态施加钎焊材料。从特定温度(例如，钎焊温度)降低传感器组件的温度意味着钎焊材料固化以将第一壳体部分和第二壳体部分固定在一起以形成一体式两部分壳体。
可以使用任何合适的钎焊材料。
在优选的钎焊方法中，第一壳体部分和第二壳体部分被组装在一起以基本上围绕传感器主体，并且各个钎焊表面接触或紧密接近。在钎焊过程中，当传感器组件升高到钎焊温度时，第一壳体部分和第二壳体部分优选地被施加载荷以保持各个相对的环形表面之间的直接接触。更具体地，优选地将载荷施加到第一壳体部分和第二壳体部分，以迫使它们在轴向方向上彼此接近。这使得第一壳体部分和第二壳体部分的环形表面与间隔件的相对的环形表面接触，并且进而使得间隔件的相对的环形表面与凸缘的相对的环形表面接触。在特定的钎焊温度下，钎焊材料处于熔融状态，并且优选地在载荷下保持各个相对的环形表面之间的接触。钎焊材料被施加在第一壳体部分和第二壳体部分的钎焊表面之间。可以在传感器组件处于环境温度时(即，在“冷”施加工序中)施加钎焊材料，以便当传感器组件的温度达到特定的钎焊温度时，钎焊材料转变为熔融状态，或者可以在传感器组件的温度达到钎焊温度之后(例如，在“热”施加工序中)施加钎焊材料。随着传感器组件的温度随后降低，钎焊材料固化以将第一壳体部分和第二壳体部分牢固地固定在一起，以形成围绕传感器主体的一体式两部分壳体。随着传感器组件的温度降低，第一壳体部分和第二壳体部分经历热收缩并且有效地收缩到传感器主体的凸缘上，以通过间隔件将显著的压缩载荷沿轴向施加在凸缘上。换句话说，随着温度降低，第一壳体部分和第二壳体部分比传感器主体收缩更多。施加压缩载荷导致在壳体和传感器主体之间形成密封。具体地，通过施加压缩载荷，在保持滑动接触的各个相对的环形表面之间形成密封。在实践中，应当理解，尽管密封通常将防止湿气和其他污染物进入传感器组件的后部，但是由于滑动表面上的凹凸、磨损等原因，有时会使极少量的空气通过滑动密封。容易理解，由第一和第二壳体部分的收缩产生的压缩载荷不同于在钎焊过程中施加的外部载荷。在传感器组件的整个使用寿命期间都保持压缩负载。已知陶瓷材料能够很好地应对压缩载荷，这使得这种材料固有地适用于间隔件以及至少传感器主体的限定凸缘的部分。在实践中，由于壳体和传感器主体在轴向方向上的热膨胀差，在传感器组件经受较高的工作温度时施加的压缩负载将略小于在环境温度下施加的压缩负载。然而，压缩载荷将始终处于足够的水平，以维持各个相对的环形表面之间的密封。
在另一种方法中，将第一壳体部分和第二壳体部分固定在一起的步骤可进一步包括以下步骤：
将第一壳体部分和第二壳体部分机械地压缩在一起，以借助于第一和第二间隔件将压缩载荷施加到向外延伸的凸缘上；和
在施加压缩载荷的同时，通过焊接将第一壳体部分和第二壳体部分固定在一起。
这可以在室温下进行，并且不需要高温钎焊工艺。
附图说明
图1是根据本发明的第一传感器组件的截面图；
图2是图1的第一传感器组件的轴向端视图；
图3是图1的第一传感器组件的一部分的分解示意图，示出了壳体的环形槽、间隔件和凸缘；
图4是具有隔热涂层的图1的第一传感器组件的前端部分的细节图；
图5是具有隔热涂层的图1的第一传感器组件的替代形式的前端部分的细节图；
图6是根据本发明的第二传感器组件的截面图；
图7是根据本发明的第三传感器组件的截面图；
图8是根据本发明的第四传感器组件的截面图；
图9是图8的第四传感器组件的替代形式的截面图，其中传感器主体与壳体之间的空隙填充有非导电材料；
图10是具有隔热涂层的图8的第四传感器组件的替代形式的截面图。
具体实施方式
参照图1至图5，第一传感器组件2包括传感器主体4，该传感器主体4具有固定至轴向延伸的支撑件8的电极6。
电极6具有基本为圆形的前表面6a和外圆柱表面6b。电极6的内圆柱表面6c限定了开口，该开口容纳支撑件8的前端部分8a。电极6可以以任何合适的方式固定至支撑件8的前端部分8a，例如通过焊接或钎焊。尽管未示出，但是电极的内圆柱表面6c可包括螺纹部分，该螺纹部分可被固定至支撑件8的前端部分8a的螺纹部分。
电极6和支撑件8均由导电金属或金属合金形成。
支撑件8是大致圆柱形的，并且包括从支撑件的外表面向外延伸的径向凸缘10。凸缘10包括第一环形表面10a、第二环形表面10b和外圆柱表面10c。
传感器组件2包括一体式两部分壳体。第一壳体部分12形成为外壳体，并且在其前端部分12a上包括凹槽14，电极6位于凹槽14中。电极6的外圆柱表面6b通过提供电绝缘的环形空隙或气隙16而与第一壳体部分12的前端部分12a的内表面间隔开。
如图4所示，可以将隔热涂层18施加至电极6的前表面6a。当传感器组件2暴露于高温环境中时，隔热涂层18保护电极6。隔热涂层18可以延伸并填充在电极6与第一壳体部分12的前端部分12a之间的环形空隙中，以防止污染物进入传感器组件2。电极与第一壳体部分之间的环形空隙也可以用任何其他合适的非导电材料填充。在图1和图4所示的传感器组件2中，第一壳体部分12的前端部分12a与电极6的前表面6a基本齐平。但是在图5所示的替代构造中，第一壳体部分的前端部分12a轴向突出超过电极6的前表面6a，以限定用于容纳隔热涂层18的环形圈。
第一壳体部分12包括环形表面12b和内圆柱表面12c。
第二壳体部分20形成为同轴地位于第一壳体部分12内的内部保持环。第一壳体部分12和第二壳体部分20牢固地固定在一起，如下文更详细地描述的。如图1和图3所示，第二壳体部分20包括面对第一壳体部分12的环形表面12b的环形表面20a。壳体的环形槽26由第二壳体部分20的环形表面20a以及第一壳体部分12的环形表面12b和内圆柱表面12c限定。
第一壳体部分12和第二壳体部分20由金属或金属合金形成。
第一环形间隔件22包括第一环形表面22a、第二环形表面22b、限定开口的内圆柱表面22c、和外圆柱表面22d。第二环形间隔件24包括第一环形表面24a、第二环形表面24b、限定开口的内圆柱表面24c、和外圆柱表面24d。在图3中示意性地示出了由第一壳体部分12和第二壳体部分20、第一环形间隔件22和第二环形间隔件24、以及凸缘10限定的环形槽26，图3中的上述部件在轴向和径向上略微间隔开，以便可以清楚地识别出各个表面。将理解的是，在实际的传感器组件中，相对的环形表面将彼此滑动接触并且处于压缩载荷下以保持密封，如下面更详细地描述的。
第一环形间隔件22和第二环形间隔件24由非导电陶瓷形成。
第一环形间隔件22如图1所示定位，其中通过间隔件开口来容纳支撑件8的与凸缘10相邻的部分。例如，在将电极6固定到支撑件8上之前，可以将第一环形间隔件22容纳在支撑件8的前端部分8a上。第一环形表面22a与第一壳体部分12的环形表面12b滑动接触，并且第二环形表面22b与凸缘10的第一环形表面10a滑动接触。第二环形间隔件24位于支撑件8上，如图1所示，其中通过间隔件开口来容纳支撑件8的与凸缘10相邻的部分。第一环形表面24a与凸缘10的第二环形表面10b滑动接触，并且第二环形表面24b与第二壳体部分20的环形表面20a滑动接触。
限定第一环形间隔件22的开口的内圆柱表面22c与支撑件8的外圆柱表面紧密公差配合，并且外圆柱表面22d与第一壳体部分12的内圆柱表面12c紧密公差配合。类似地，限定第二环形间隔件24的开口的内圆柱表面24c与支撑件8的外圆柱表面紧密公差配合，并且外圆柱表面24d与第一壳体部分12的内圆柱表面12c紧密公差配合。第一环形间隔件22和第二环形间隔件24的尺寸使得支撑件8通过提供电绝缘的环形空隙或气隙28而与两部分壳体间隔开。
第一壳体部分12的后端部分由端盖30封闭。
传输电缆32电连接至支撑件8。传输电缆32连接至支撑件8的后端部分，在使用时，该后端部分可暴露于比前端部分稍低的温度。传输电缆32和支撑件8之间的连接是使用可减弱支撑件的振动的密封且实质刚性的电缆连接组件进行的。支撑件8在传输电缆32的导体(例如，同轴或三轴电缆的内部导体)和电极6之间提供电连接。在其他实施方式中，支撑件可被构造成还在传输电缆的导体(例如，三轴电缆的中间导体)和基本上围绕电极的屏蔽件之间提供单独的电连接。使用电极进行的测量可以通过传输电缆32提供给外部测量设备。
在组装好的传感器组件2中，传感器主体4并未物理地固定至两部分壳体，而是由于通过壳体(即，通过相对的环形表面12b、20b)以及第一环形间隔件22和第二环形间隔件24施加在凸缘10上的压缩载荷而牢固地保持在壳体内。压缩载荷在处于滑动接触的各个环形表面(例如，滑动/密封界面)之间保持密封，以防止污染物进入传感器组件的后端部分。支撑件8与两部分壳体之间在径向方向上的热膨胀差通过各个环形表面之间的滑动接触来调节。
第一壳体部分12和第二壳体部分20包括钎焊表面。当组装在一起时，第二壳体部分20的钎焊表面以紧密公差配合位于第一壳体部分12的钎焊表面内。
现在将说明传感器组件的组装步骤。
第一壳体部分12被支撑在合适的框架或支撑件中。传感器主体4(即，电极6和支撑件8)、以及第一环形间隔件22和第二环形间隔件24插入到第一壳体部分12的孔中，使得第一环形间隔件22的第一环形表面22a与第一壳体部分的环形表面12b接触。第一环形间隔件22的第二环形表面22b与凸缘10的第一环形表面10a接触，第二环形间隔件24的第一环形表面24a与凸缘的第二环形表面10b接触。在一种实际布置中，第一间隔件22、支撑件8和第二间隔件24可以从第一壳体部分12的后端插入，使得间隔件搁置在环形槽26和凹槽14之间的第一壳体部分的环形表面12b上，所述间隔件由向内延伸的凸缘界定。然后，电极6可以插入凹槽14中并固定至支撑件8的前端部分8a。
然后，通过钎焊工艺将第一壳体部分12和第二壳体部分20固定在一起。钎焊材料(可选地以膏体的形式)被施加到第一壳体部分12和第二壳体部分20的相应钎焊表面之间的界面。例如，钎焊材料可以放置在一个或两个相对的钎焊表面中形成的窄环形槽中。传感器组件2升高到特定的钎焊温度，该钎焊温度由将要使用的钎焊材料确定。在钎焊工艺期间，轴向载荷被施加到第二壳体部分20，以保持第一壳体部分和第二壳体部分、第一环形间隔件22和第二环形间隔件24、以及支撑件8的凸缘10之间的各个环形表面的直接接触。
一旦传感器组件的温度达到钎焊温度，则钎焊材料处于熔融状态并且通过毛细作用被吸入第一壳体部分12和第二壳体部分20的钎焊表面之间的界面。
随着传感器组件的温度随后降低，钎焊材料固化以将第一壳体部分12和第二壳体部分20固定在一起，以形成围绕传感器主体4的一体式两部分壳体。更具体地说，第一壳体部分12和第二壳体部分20在相对的钎焊表面之间的接合处或界面处、通常在传感器组件的后端部分处通过钎焊材料牢固地固定在一起。第一壳体部分12和第二壳体部分20没有在任何其他界面处固定在一起，并且除了各个相对的环形表面之间的滑动接触和压缩载荷的组合之外，第一壳体部分12和第二壳体部分20没有以任何方式物理地固定至传感器主体4。这意味着传感器组件2不会因热膨胀差而承受任何应力，在其他情况下，热膨胀差可能会导致陶瓷和/或金属部件的分解或故障。
随着传感器组件的温度随后降低，第一壳体部分12和第二壳体部分20经历热收缩并有效地收缩到第一环形间隔件22和第二环形间隔件24上，这进而将显著的压缩载荷沿轴向施加到支撑件8的凸缘10上。在钎焊工艺期间施加压缩载荷使得在壳体和支撑件之间形成密封。更具体地说，在第一壳体部分12和第二壳体部分20与第一环形间隔件22和第二环形间隔件24的相对的环形表面之间，以及在第一环形间隔件和第二环形间隔件与凸缘10的相对表面之间形成密封。可以对一个或多个环形表面进行机械加工、涂覆或其他处理，以提供光滑的表面光洁度，从而在尽可能大的区域上形成紧密的物理接触。也可以施加抗磨涂层等。
传输电缆32可以通过密封的电缆连接组件连接至支撑件，并且第一壳体部分12的后端部分可以被端盖30覆盖。在另一种布置中，在钎焊工艺完成后，可以将电极6固定至支撑件的前端部分8a。
当传感器组件2暴露于高温环境中时，第一壳体部分12和第二壳体部分20经历热膨胀并沿径向方向远离支撑件8膨胀。这种膨胀导致第一壳体部分12和第二壳体部分20的环形表面12b、20a相对于第一环形间隔件22和第二环形间隔件24的相对的环形表面22a、24b沿径向方向滑动。第一环形间隔件22和第二环形间隔件24的环形表面22b、24a也可以相对于凸缘10的相对的第一环形表面10a和第二环形表面10b沿径向方向滑动。凸缘10以及第一环形间隔件22和第二环形间隔件24在高工作温度下保持在压缩载荷下，并且在传感器组件的工作寿命期间始终保持密封。
参照图6，示出了第二传感器组件40，其与第一传感器组件2非常相似，并且相似的部件已被赋予相同的附图标记。第二传感器组件40具有延伸的轴向结构，即，壳体的轴向尺寸更长，使得传输电缆32进一步远离传感器组件的前端部分。
参照图7，示出了第三传感器组件50，其与第一传感器组件2和第二传感器组件40非常相似，并且相似的部件已被赋予相同的附图标记。电极52成一定角度，使得电极的前表面的法线与传感器组件的纵轴不平行。
图8至图10示出了第四传感器组件60。第四传感器组件60类似于第一传感器组件2、第二传感器组件40和第三传感器组件50，并且相似的部件已被赋予相同的附图标记。
第四传感器组件60包括具有一体电极(未示出)的传感器主体62。在一种布置中，传感器主体62可具有多层构造，该多层构造具有合适的导电材料(诸如金属、金属合金或陶瓷)的一层或多层或者一部分或多部份以及合适的非导电材料(诸如陶瓷)的一层或多层或者一部分或多部份。传感器主体的导电层或导电部分可以限定电极或屏蔽件，或者传感器主体的一些部分在电极或屏蔽件与传输电缆(例如同轴电缆或三轴电缆)之间提供电连接。非导电层或非导电层部分可以在导电层或导电层部分之间限定绝缘体或间隔件。
传感器主体62是大致圆柱形的，并且包括从传感器主体的外表面向外延伸的径向凸缘64。凸缘64对应于上述凸缘10，并且包括第一环形表面64a、第二环形表面64b和外圆柱表面64c。通常，传感器主体62的限定凸缘64的部分由诸如陶瓷之类的合适的非导电材料形成。
传感器组件60包括一体式两部分壳体。第一壳体部分12形成为外壳体，并且在其前端部分12a处包括开口。传感器主体62的前端部分62a的外圆柱表面通过提供电绝缘的环形空隙或气隙16(图8)而与第一壳体部分12的前端部分12a的内表面间隔开。
如图9所示，环形空隙可以填充有合适的非导电材料66，以防止污染物进入传感器组件60。如图10所示，隔热涂层68可以施加至传感器主体62的前表面62b。当传感器组件60暴露于高温环境中时，隔热涂层68保护传感器主体62。隔热涂层68可以延伸到传感器主体62与第一壳体部分的前端部分12a之间的环形空隙中并且填充该环形空隙(即，图9中所示的非导电材料66可以是隔热材料)。在图8至图10所示的传感器组件60中，第一壳体部分12的前端部分12a与传感器主体62的前表面62b基本齐平。但是在替代构造中，第一壳体部分12的前端部分轴向突出超过传感器主体的前表面，以限定用于容纳隔热涂层的环形圈。
第一壳体部分12包括环形表面12b和内圆柱表面12c。
第二壳体部分20形成为同轴地位于第一壳体部分12内的内部保持环。第一壳体部分12和第二壳体部分20牢固地固定在一起，如上文更详细地描述的。如图9至图10所示，第二壳体部分20包括面对第一壳体部分12的环形表面12b的环形表面20a。壳体的环形槽26由第二壳体部分20的环形表面20a以及第一壳体部分12的环形表面12b和内圆柱表面12c限定。
第一壳体部分12和第二壳体部分20由金属或金属合金形成。
第一环形间隔件22包括第一环形表面22a、第二环形表面22b、限定开口的内圆柱表面22c、和外圆柱表面22d。第二环形间隔件24包括第一环形表面24a、第二环形表面24b、限定开口的内圆柱表面24c、和外圆柱表面24d。
第一环形间隔件22和第二环形间隔件24由非导电陶瓷形成。
如图8至图10中所示定位第一环形间隔件22，其中通过间隔件开口来容纳传感器主体62的与凸缘64相邻的部分。在将传感器主体插入第一壳体部分12中之前，可以将第一环形间隔件22设置于传感器主体62的前端部分62a。第一环形表面22a与第一壳体部分12的环形表面12b滑动接触，并且第二环形表面22b与凸缘64的第一环形表面64a滑动接触。如图8至图10所示，第二环形间隔件24位于传感器主体62上，其中通过间隔件开口来容纳传感器主体的与凸缘64相邻的部分。第一环形表面24a与凸缘64的第二环形表面64b滑动接触，并且第二环形表面24b与第二壳体部分20的环形表面20a滑动接触。
限定第一环形间隔件22的开口的内圆柱表面22c与传感器主体62的外圆柱表面紧密公差配合，并且外圆柱表面22d与第一壳体部分12的内圆柱表面12c紧密公差配合。类似地，限定第二环形间隔件24的开口的内圆柱表面24c与传感器主体62的外圆柱表面紧密公差配合，并且外圆柱表面24d与第一壳体部分12的内圆柱表面12c紧密公差配合。第一环形间隔件22和第二环形间隔件24的尺寸使得传感器主体62与两部分壳体间隔开。
在组装的传感器组件60中，传感器主体62并未物理地固定至两部分壳体，而是由于通过壳体(即，通过相对的环形表面12b、20b)以及第一环形间隔件22和第二环形间隔件24施加在凸缘64上的压缩载荷而牢固地保持在壳体内。压缩载荷在处于滑动接触的各个环形表面(例如，滑动/密封界面)之间保持密封，以防止污染物进入传感器组件的后端部分。传感器主体62与两部分壳体之间在径向方向上的热膨胀差通过各个环形表面之间的滑动接触来调节。
Claims (24)
1.一种传感器组件，包括：
传感器主体，所述传感器主体具有向外延伸的凸缘，所述向外延伸的凸缘具有第一环形表面和第二环形表面；
非导电环形的第一间隔件，所述第一间隔件实质上围绕所述传感器主体并且具有第一环形表面、第二环形表面和容纳所述传感器主体的开口；
非导电环形的第二间隔件，所述第二间隔件实质上围绕所述传感器主体并且具有第一环形表面、第二环形表面和容纳所述传感器主体的开口；和
壳体，所述壳体具有环形槽，所述环形槽中容纳有所述向外延伸的凸缘以及第一间隔件和第二间隔件，所述环形槽限定在所述壳体的第一环形表面和第二环形表面之间；
其中：
所述壳体的第一环形表面与所述第一间隔件的第一环形表面滑动接触；
所述第一间隔件的第二环形表面与所述向外延伸的凸缘的第一环形表面滑动接触；
所述向外延伸的凸缘的第二环形表面与所述第二间隔件的第一环形表面滑动接触；并且
所述第二间隔件的第二环形表面与所述壳体的第二环形表面滑动接触；并且
其中所述壳体的第一环形表面和第二环形表面借助于所述第一间隔件和所述第二间隔件而将压缩载荷施加到所述向外延伸的凸缘上，以在滑动接触的环形表面之间提供密封，并且通过环形表面之间的滑动接触来调节所述传感器主体与所述壳体之间的热膨胀差。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述第一间隔件和所述第二间隔件由陶瓷材料形成。
3.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述壳体由金属或金属合金形成。
4.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述凸缘包括位于第一环形表面和第二环形表面之间的外边缘表面。
5.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述环形槽包括位于所述壳体的环形表面之间的内表面。
6.根据权利要求5所述的传感器组件，其中所述第一间隔件和所述第二间隔件的每一者包括面向所述环形槽的内表面的外边缘表面和面向所述传感器主体的外表面的内边缘表面。
7.根据权利要求6所述的传感器组件，其中所述第一间隔件和所述第二间隔件的外边缘表面与所述环形槽的内表面接触，并且所述第一间隔件和所述第二间隔件的内边缘表面与所述传感器主体的外表面接触。
8.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体与所述壳体电绝缘。
9.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体通过环形空隙与所述壳体间隔开。
10.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体通过非导电材料与所述壳体间隔开。
11.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体由金属、金属合金、或陶瓷、或其组合形成。
12.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体包括导电的电极。
13.根据权利要求12所述的传感器组件，其中所述传感器主体具有多层构造，所述多层构造具有限定所述电极的导电材料层、以及一层或多层非导电材料。
14.根据权利要求12所述的传感器组件，其中所述壳体包括端部，所述端部包括凹入开口，所述电极或所述传感器主体位于所述凹入开口中。
15.根据权利要求14所述的传感器组件，其中所述壳体的所述端部通过环形空隙与所述电极或所述传感器主体间隔开。
16.根据权利要求14所述的传感器组件，其中所述壳体的所述端部通过非导电材料与所述电极或所述传感器主体间隔开。
17.根据权利要求16所述的传感器组件，其中所述电极或所述传感器主体包括一表面，并且其中所述非导电材料是隔热涂层，所述隔热涂层还在所述电极或所述传感器主体的所述表面上延伸。
18.根据权利要求17所述的传感器组件，其中所述壳体的所述端部突出超过所述电极或所述传感器主体的所述表面，以限定环形圈。
19.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体包括轴向延伸的支撑件。
20.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述壳体是两部分壳体，其中所述环形槽的第一环形表面形成在第一壳体部分中，并且所述环形槽的第二环形表面形成在第二壳体部分中。
21.根据权利要求20所述的传感器组件，其中所述第一壳体部分牢固地固定至所述第二壳体部分，并且所述传感器主体没有被物理地固定至所述两部分壳体。
22.一种制造传感器组件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有向外延伸的凸缘的传感器主体，所述向外延伸的凸缘具有第一环形表面和第二环形表面；
提供非导电环形的第一间隔件，所述第一间隔件具有第一环形表面、第二环形表面和开口；
通过所述第一间隔件的开口容纳所述传感器主体，并使所述第一间隔件的第二环形表面与所述向外延伸的凸缘的第一环形表面接触；
提供非导电环形的第二间隔件，所述第二间隔件具有第一环形表面、第二环形表面和开口；
通过所述第二间隔件的开口容纳所述传感器主体，并使所述向外延伸的凸缘的第二环形表面与所述第二间隔件的第一环形表面接触；
将所述传感器主体以及所述第一间隔件和所述第二间隔件定位在具有环形槽的两部分壳体中，在所述环形槽中容纳有所述向外延伸的凸缘以及所述第一间隔件和所述第二间隔件，所述环形槽被限定在形成于第一壳体部分中的第一环形表面与形成于第二壳体部分中的第二环形表面之间；
使所述第一壳体部分的第一环形表面与所述第一间隔件的第一环形表面接触；
使所述第二间隔件的第二环形表面与所述第二壳体部分的第二环形表面接触；和
将所述第一壳体部分和所述第二壳体部分固定以形成一体式两部分壳体，从而借助于所述第一间隔件和所述第二间隔件将压缩载荷施加到所述向外延伸的凸缘上，以在滑动接触的环形表面之间提供密封，并且通过环形表面之间的滑动接触来调节所述传感器主体与所述壳体之间的热膨胀差。
23.根据权利要求22所述的方法，其中将所述第一壳体部分和所述第二壳体部分固定的步骤进一步包括以下步骤：
将所述传感器组件的温度升高至特定温度，在此期间，所述第一壳体部分和所述第二壳体部分经历热膨胀；
在所述传感器组件处于所述特定温度的情况下，通过钎焊工艺将所述第一壳体部分和所述第二壳体部分固定在一起；和
降低所述传感器组件的温度，在此期间，所述一体式两部分壳体的所述第一壳体部分和所述第二壳体部分经历热收缩，以借助于所述第一间隔件和所述第二间隔件将压缩载荷施加到所述向外延伸的凸缘上。
24.根据权利要求22所述的方法，其中将所述第一壳体部分和所述第二壳体部分固定的步骤进一步包括以下步骤：
将所述第一壳体部分和所述第二壳体部分机械地压缩在一起，以借助于所述第一间隔件和所述第二间隔件将压缩载荷施加到所述向外延伸的凸缘上；和
在施加压缩载荷的同时，通过焊接将所述第一壳体部分和所述第二壳体部分固定在一起。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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