CN115307782A - 用于使用膨胀/收缩装置改进温度检测器的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例针对各种感测装置。实施例可包括外部壳体和位于并包括在外部壳体的开口内并且延伸穿过该外部壳体的开口的至少一个导体。实施例可进一步包括弹簧夹，其包括在外部壳体内并连接到至少一个导体，以及包括在该外部壳体内并连接到该弹簧夹的感测元件。

Description

用于使用膨胀/收缩装置改进温度检测器的系统和方法

相关申请的交叉应用

本主题申请要求2021年2月5日提交的No.63/146,108的美国临时申请的权益。其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本主题技术涉及温度传感器、尤其涉及高温传感器、例如废气温度传感器。本主题技术还涉及一种用于生产温度传感器的方法。

背景技术

典型地，高温传感器包括暴露于待测量介质的外部片材。更具体地，这是废气温度传感器的情况，其中外部片材与废气接触，而内部温度感测元件与内部介质接触，该内部介质将热通量从外侧引导并传递到内侧。内部温度感测元件可以是正温度系数(PTC)热敏电阻或负温度系数(NTC)热敏电阻。

高温传感器受到非常高的加热和冷却梯度的影响。这些梯度导致在内部部件的、连接件的和引线的几种材料之间的压缩应力和拉伸应力过大。应力可能导致内部部件和导体的损坏，这些内部元件和导体承载着代表内部温度感测元件所感测的温度的输出信号。

美国专利No.6,639,505B2公开了一种温度传感器，其中，热敏电阻元件和金属外壳之间的距离不大于0.3mm，并且热敏电阻元件和金属外壳经由绝缘构件彼此接触。绝缘构件可以是结晶玻璃或陶瓷材料。绝缘构件消除了热敏电阻元件和金属外壳之间不期望的间隙。

美国专利No.6,829,820B2公开了一种制造温度传感器的方法。将热敏电阻元件插入底部金属管中，同时用填充材料(优选为硅油)填充金属管的内部，以减小热敏电阻元件和金属管之间的滑动阻力，然后将其作为集成的温度感测结构安装在壳体中。将热敏电阻元件插入金属管后，对金属管进行加热，以使硅油中的油成分挥发。该方法减少了在将热敏电阻放置在金属管中期间由于热敏电阻的电极导线的弯曲而导致的缺陷。

在上述温度传感器中，由测量电阻和供应管线电缆之间的温度变化和振动引起的导体应力导致导体磨损。在美国专利No.8,328,419B2中公开了此类问题的解决方案。热去耦线材布置在测量电阻和供应管线电缆的绞线之间。热去耦线材作为螺旋弹簧粘在矿物绝缘供应管线电缆的绞线上，并将测量电阻弹性连接到供应管线电缆上。

这些方法和其他方法可利用膨胀收缩补偿机制来提高在热循环条件下的存活率，然而其他重要考虑因素未被考虑，比如振动。

发明内容

如下文将更详细地讨论的，本公开的实施例包括各种感测装置和相关方法。实施例可包括外部壳体和位于并包括在外部壳体的开口内并且延伸穿过该外部壳体的开口的至少一个导体。实施例可进一步包括：弹簧夹，其包括在外部壳体内并且连接到所述至少一个导体；以及包括在所述外部壳体内并且连接到所述弹簧夹的感测元件。

可包括以下一个或更多个特征。弹簧夹可具有不对称形状、前弯曲部部分和/或后弯曲部部分。感测装置可包括围绕感测元件位于外部壳体壳内的第一绝缘材料。感测装置可进一步包括围绕所述至少一个导体部分位于外部壳体内的第二绝缘材料。感测装置还可包括围绕所述第二绝缘材料的壳体管。所述至少一个导体和弹簧夹可以用熔焊、钎焊或压接中的一种或更多种进行连接。弹簧夹和感测元件可使用熔焊、钎焊或压接中的一种或多种进行连接。弹簧夹和所述至少一个导体可以是单个零件。弹簧夹和所述至少一个导体可由特定横截面形状的金属或线材构成。弹簧夹的横截面形状可选自包括圆形、椭圆形、正方形、矩形、六边形或管状的组。感测元件可配置为检测废气温度或其它气体特性。弹簧夹可配置为吸收一个或更多个膨胀和收缩变形。弹簧夹可至少部分地位于外部壳体内的空气间隙内。感测装置还可包括止动特征，该止动特征被配置为防止第一绝缘材料或第二绝缘材料的移动。止动特征可包括与外部壳体相关联的辊压成型(rolling)设计。止动特征可包括与外部壳体相关联的倒锥形设计。止动特征还可包括与外部壳体相关联的凹陷设计。止动特征可被配置为防止第一绝缘材料或第二绝缘材料的旋转。感测装置可包括弹簧夹在第一绝缘材料中的嵌入部段的长度和/或在弹簧夹与第一绝缘材料的表面之间的长度。

在附图和下文的描述中阐述了一个或更多个示例性实施方式的细节。其它可能的示例性特征和/或可能的示例性优点将从说明书、附图和权利要求中变得清晰明了。一些实施方式可能不具有那些可能的示例性特征和/或可能的示例性优点，并且这些可能的示例性特征和/或可能的示例性优点可能不是一些实施方式所必需的。

提供该概述是为了介绍将在下文的详细描述中进一步描述的一些挑选的概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的基本特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

参考以下附图描述本公开的实施例。

图1示出了与本公开的实施例一致的高温传感器的示意性剖视图；

图2示出了与本公开的实施例一致的具有与高温传感器相关联的辊压成型特征的壳体；

图3示出了与本公开的实施例一致的具有与高温传感器相关联的凹陷特征的壳体；

图4示出了与本公开的实施例一致的具有与高温传感器相关联的倒锥形特征的壳体。

不同附图中相同的参考标记可表示相同的元件。

具体实施方式

本文包括的实施例为现有方法提供了许多优点。这些包括但不限于废气温度传感器的存活时间和故障时间的增加。这可通过添加弹簧夹作为与RTD内部部件一致的独立部件来实现。在操作中，弹簧夹在应用中可用于吸收加热和冷却循环期间的膨胀和收缩变形。

实施例可通过单独添加的部件来实现弹簧效应，而不是如现有方法所教导的那样由传感器的主体形成导体。一些实施例还可允许使用专用材料选择、更精细的公差、表面处理和多种生产技术，这些在当前的方法中都不可用。本文包括的实施例可配置为使用改进的设计来考虑振动因素。

下文的讨论针对某些实施方式。应当理解，下文的讨论仅仅是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用由任何本文中公开的专利中发现的专利“权利要求”现在或以后定义的任何主题。

具体而言，所要求保护的特征组合不限于本文所包含的实施方式和图示，而是包括那些实施方式的修改形式，包括在以下权利要求的范围内所示的部分实施方式和不同实施方式的元素组合。应当理解，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多实施方式特定的决定以实现开发者的特定目标，比如遵循系统相关和商业相关的约束，这些约束可能因实施方式而异。此外应当理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的普通技术人员来说，这仍然是设计、制作和制造的常规任务。除非明确表示为“关键”或“必要”，否则本申请中的任何内容均不被视为对所要求保护的发明是关键或必要的。

还应当理解，尽管本文中可使用术语第一、第二等以描述各种元件，但这些元件不应受这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一对象或步骤可被称为第二对象或步骤，并且类似地，第二对象或步骤可被称为第一对象或步骤，而不脱离本发明的范围。第一对象或步骤和第二对象或步骤分别为对象或步骤，但它们不应被视为同一对象或步骤。

现在参考图1，提供了与本公开的实施例一致的感测装置100。感测装置100可包括外部壳体102和至少一个导体104，该导体位于并包括在该外部壳体的开口内并延伸穿过该外部壳体的开口。感测装置100可进一步包括弹簧夹106，该弹簧夹包括在外部壳体102内并且连接到至少一个导体104。感测元件108可被配置为检测废气温度和/或其它气体特性，并且可被包括在外部壳体102内并且连接到弹簧夹106。

在操作中，环境中的温度变化会在装置中产生应变和应力。在现有系统中，这些应力可能导致传感器故障、主要是传感器内部构件。降低这些应力的一种方法是通过降低内部构件的轴向刚度来降低其轴向刚度。实现这一点的一种实用方式是通过在比如弹簧夹106的内部构件上设计弹簧(膨胀-收缩补偿部段)特征。低轴向弹簧刚度可能更有利于降低内部构件上的应力。

在一些实施例中，弹簧夹106可具有任何合适的形状，包括但不限于图1所示的示例性不对称形状。在该特定实施例中，弹簧夹106还可包括前弯曲部部分110和后弯曲部部分112。

在一些实施例中，感测装置100可进一步包括围绕感测元件108位于外部壳体102内的第一绝缘材料114。附加地和/或替代地，第二绝缘材料116可部分地位于外部壳体102内、至少部分地围绕至少导体104。壳体管118可配置为围绕第二绝缘材料116。

在典型情况下，外部壳体102的热膨胀(“CTE”)系数可以显著高于位于其中的第一绝缘材料114的CTE。在操作中，当传感器被加热时，外部壳体102和第一绝缘材料114之间的间隙可能会尝试打开。根据外部壳体102和第一绝缘材料114之间的接触，裂纹可能通过绝缘材料传播。优选的是，材料界面上的间隙打开，因为可避免绝缘材料中不受控制的裂纹传播。此类机械去耦在美国专利No.10,345,156B2中进行了描述，其全文通过引用并入本文。如果使用这种机械去耦，则弹簧刚度应足以支撑第一绝缘材料114。

在典型情况下，夹106的热膨胀(“CTE”)系数可以显著高于第一绝缘材料114的CTE。在操作中，当传感器被加热时，嵌入第一绝缘材料114中的夹部分比第一绝缘材料114膨胀得更多。这种膨胀导致两种效应(1)夹的嵌入部段中的纵向压缩和(2)夹的嵌入部段上的径向压缩。两种效应同时作用是不利的、尤其是在快速冷却期间。夹靠近第一绝缘材料的表面的温度滞后于夹在第一绝缘材料中更深处的温度。在冷却循环开始时，(1)夹靠近第一绝缘材料的表面的温度较高，导致摩擦力高于在嵌入夹中更深地方的摩擦力；(2)由于夹的平均温度较高，在夹的嵌入部段中产生轴向压缩；(3)夹的嵌入部段受到芯片连接和第一绝缘材料的表面附近的高摩擦力的机械约束–该部段为超静定的，并且在夹的嵌入部段、芯片连接和芯片引线中产生高应力。这些应力通常不受弹簧刚度的影响。将夹的嵌入部段中的应力最小化一种可能方法是缩短从第一绝缘材料的表面以及夹和芯片引线之间的连接处测量的夹的嵌入部段的长度。芯片和夹的嵌入部段的自由端之间的距离应大，以便最小化由(1)芯片引线、(2)芯片引线和夹之间的连接、(3)夹的嵌入部段的自由端、(4)芯片和夹之间的第一绝缘材料的部分和(5)芯片主体形成的结构系统的刚度。

在一些实施例中，至少一个导体104和弹簧夹106可使用熔焊、钎焊或压接中的一种或更多种进行连接。附加地和/或替代地，弹簧夹106和感测元件108可使用类似的方法连接。在一些特定实施例中，弹簧夹106和至少一个导体104可以是单个零件，而不是连接在一起的多个零件。然而应当注意，将弹簧作为单独的夹部件的实施方式在实现更好的成本/性能平衡方面有很多好处。

在一些实施例中，弹簧夹106和至少一个导体104可由任何合适的材料构成，包括但不限于钢、特定横截面形状的线材等。例如，横截面形状可包括以下一种或更多种：圆形、椭圆形、正方形、矩形、六边形、管状等。

在一些实施例中，在外部壳体102插到感测元件108和弹簧夹106上期间，具有低弹簧刚度可具有附加的实际益处。外部壳体102可引导至壳体管118上方，产生内部构件106和108的横向位移。当弹簧刚度较低时，组装期间的感应应力将较低。

如上所述，弹簧夹106和至少一个导体104可实现为一个部分。因此，弹簧夹106和/或至少一个导体104可由冲压和弯曲的钢制成。如上所述，弹簧夹106和/或至少一个导体104可由具有不同横截面的拉制线材制成，然而，也可采用其它弹簧成形技术。

在操作中，弹簧夹106可配置为吸收一个或更多个膨胀和收缩变形。在一些实施例中，如图1所示，弹簧夹106可至少部分地位于外部壳体102内的空气间隙内，该空气间隙可允许变形。该空气间隙可将绝缘材料分成两部分。低轴向刚度是优选的，以在热循环期间将力保持得低。RTD传感器通常受到振动的影响。弹簧的横向刚度应高到将作用在该弹簧上的加速度和由此产生的疲劳损伤降至最低。轴向刚度和横向刚度为耦合的。在弹簧刚度方面出现了矛盾。低刚度可能是优选的，以保持来自热循环的应力低。另一方面，高刚度可能是优选的，以防止振动故障。

在一些实施例中，可通过使用非对称的弹簧夹来实现轴向弹簧刚度和横向弹簧刚度的部分去耦。例如，感测装置100包括双弯曲部弹簧，该双弯曲部弹簧包括前弯曲部110和后弯曲部112，如图1所示。可优化双弯曲部弹簧的两个弯曲部的长度比，从而将振动和温度循环的总疲劳损伤最小化。在典型的疲劳情况下，发现前弯曲部长度与前弯曲部长度加上后弯曲部长度之和的最佳比约为0.75。在一些实施例中，本文包括的非对称弹簧设计还允许在小壳体空间中实现低轴向刚度。这提高了应用中RTD的反向兼容性和装配关系-规格尺寸-功能中立性。

在一些实施例中，并参考图2-4，感测装置100可包括止动特征120，其被配置为防止第一绝缘材料114或第二绝缘材料116的移动。图2描述了包括止动特征的示例性实施例，该止动特征经由辊压成型工艺成形在外部壳体102上。图3描述了包括止动特征的示例性实施例，该止动特征包括与外部壳体102相关联的凹陷设计。图4描述了包括止动特征的示例性实施例，该止动特征包括与外部壳体102相关联的倒锥形设计。在操作中，这些不同的止动特征可配置为防止第一绝缘材料114和/或第二绝缘材料116的移动和/或旋转。

如上所述，当温度升高时，第一绝缘材料114和外部壳体102之间可能发生分离。因此，随着温度循环，第一绝缘材料114和外部壳体102之间的分离会增加。在具有(多个)空气间隙的传感器中，来自传感器前部和后部的第一绝缘材料114和第二绝缘材料116会向空气间隙移动，以容纳弹簧夹106。这可能导致感测元件108的故障。弹簧夹106的高轴向刚度优选防止(多个)绝缘材料的移动。如上所述，RTD传感器通常处于振动的影响下，因此，弹簧夹106的横向刚度会高到使得作用于其上的加速度和疲劳损伤最小化。轴向刚度和横向刚度是线性耦合的。低刚度有助于保持来自热循环的应力低。另一方面，高刚度有助于防止绝缘材料移动和防止振动故障。弹簧刚度过高可能会造成另一个问题。在冷却的高速率下，压缩力施加到弹簧夹106上。此时弹簧夹106通常是热的，可能具有低屈服应力。这些压缩力会导致弹簧夹106歪曲。当传感器处于室温时，弹簧夹106中可能出现屈服和张力。这种预张紧是不期望的，因为它会迫使第一绝缘材料114向空气间隙移动。如美国专利No.10,345,156B2所述，如果在外部壳体102和绝缘材料之间使用机械去耦，则分离问题变得更加严重。

因此，可通过将如图2-4所示的止动特征应用于外部壳体102上来限制第一绝缘材料114和第二绝缘材料116的移动。因此，止动特征可配置为防止绝缘材料的移动。此类特征的一些实施例包括辊压成型部(图2)和/或凹陷(图3)和/或倒锥形壳体(图4)或其中的任何组合。通过应用这些特征，可降低弹簧的轴向刚度，并防止故障。

在一些实施例中，若干因素可阻止第一绝缘材料114、第二绝缘材料116和外部壳体102之间的分离。其中一些因素可能包括但不限于壳体的氧化、壳体的几何形状缺陷、壳体的弯曲以及其它因素。这些因素通常是无意中提出的，并且应通过最小化它们的影响来复制分离。

在操作中，实现这种设计的一种可能方式是在传感器壳体上创建止动特征，然后铸造绝缘材料(灌封材料)。在旋转对称个壳体中，止动特征可设计用于阻止绝缘材料的旋转。因此，本文包括的实施例可提供一种设置，其中绝缘材料的固定不是弹簧的功能、而是止动特征的功能。可降低弹簧刚度，并且可提高装置的使用寿命。

本文包括的实施例可通过增加弹簧夹部件来显著提高传感器的生存期限。因此，该添加的夹部件是提供膨胀收缩补偿机制的新颖方式。弹簧夹的不对称形状可提高振动和热循环下的疲劳寿命。附加地和/或替代地，由于弹簧夹部件，材料选择、生产技术和后处理选项选择性地与RTD的其余部分去耦。这一优势允许在需要时/在需要的地点通过使用合适的材料来实现更大的设计自由度和成本效益。弹簧夹的功能可包括吸收应用中加热和冷却循环期间的膨胀和收缩变形。

实施例可通过单独添加的部件来实现弹簧效应，而不是如现有方法所述的由传感器的主体形成导体。一些实施例还可允许使用专用材料选择、更精细的公差、表面处理和多种生产技术，否则在现有技术中不可用。

本公开的实施例可找到许多实际应用。弹簧可制成单独的零件(夹)，其允许使用不同的材料。

如在本文所述的任何实施例中所使用的，术语“电路”可例如包括单个或任意组合的硬接线电路、可编程电路、状态机电路和/或存储由可编程电路执行的指令的固件。首先应当理解，本文中任何一个或更多个实施例中描述的任何操作和/或操作部件可用软件、固件、硬接线电路和/或其任何组合来实现。

本文使用的术语是为了描述特定的实施例，而不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。进一步应理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

以下权利要求中的相应结构、材料、动作，以及手段或步骤加功能元件的等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其它要求保护的元件来执行功能的任何结构、材料或动作。本公开的描述是为了说明和描述的目的而提供的，但并不旨在以所公开的形式详尽或局限于本公开。许多修改和变型对于本领域普通技术人员来说是清楚的，而不脱离本公开的范围和精神。选择和描述该实施例是为了最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使本领域的其它普通技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例的公开内容。

尽管上文已详细描述了多个示例性实施例，但本领域技术人员将容易理解，在示例性实施例中可进行许多修改，而不会实质上脱离本文所述的本公开的范围。因此，这些修改旨在包括在如下权利要求所定义的本公开的范围内。在权利要求中，手段-加-功能条款旨在覆盖本文所述的执行所述功能的结构，并且不仅包括结构等同物，还包括等同结构。因此，尽管钉子和螺钉可能不是结构等同物，因为钉子采用圆柱形表面将木质部件固定在一起，而螺钉采用螺旋表面，但是在紧固木质部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同结构。申请人明确表示不实施《美国法典》第35卷第112节第6段来对本文中任何权利要求进行任何限制，除非权利要求明确使用“用于”一词以及相关功能。

已通过参考本文实施例详细描述了本申请的公开内容，显然，可进行修改和变型而不脱离所附权利要求中限定的公开内容的范围。

Claims (22)

1.一种感测装置，包括：

外部壳体；

至少一个导体，其位于并包括在所述外部壳体的开口内且并延伸穿过所述外部壳体的开口；

弹簧夹，其包括在所述外部壳体内并连接到所述至少一个导体；

感测元件，其包括在所述外部壳体内并连接到所述弹簧夹。

2.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述弹簧夹具有不对称形状。

3.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述弹簧夹具有前弯曲部部分。

4.根据权利要求1所述的感测装置，其中所述弹簧夹具有后弯曲部部分。

5.根据权利要求1所述的感测装置，进一步包括：

第一绝缘材料，其围绕所述感测元件位于所述外部壳体内。

6.根据权利要求5所述的感测装置，进一步包括：

第二绝缘材料，其围绕所述至少一个导体部分地位于所述外部壳体内。

7.根据权利要求6所述的感测装置，进一步包括：

壳体管，其围绕所述第二绝缘材料。

8.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述至少一个导体和所述弹簧夹使用熔焊、钎焊或压接中的一种或更多种进行连接。

9.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述弹簧夹和所述感测元件使用熔焊、钎焊或压接中的一种或更多种进行连接。

10.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述弹簧夹和所述至少一个导体是单个零件。

11.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述弹簧夹和所述至少一个导体由特定横截面形状的线材或金属构成。

12.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述弹簧夹的横截面形状选自包括圆形、椭圆形、正方形、矩形、六角形或管状的组。

13.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述感测元件配置为检测废气温度或其它气体特性。

14.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述弹簧夹配置为吸收一个或更多个膨胀和收缩变形。

15.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述弹簧夹至少部分位于处在所述外部壳体内的空气间隙内。

16.根据权利要求6所述的感测装置，进一步包括：

止动特征，其配置为防止所述第一绝缘材料或所述第二绝缘材料的移动。

17.根据权利要求16所述的感测装置，其中，所述止动特征包括与所述外部壳体相关联的辊压成型设计。

18.根据权利要求16所述的感测装置，其中，所述止动特征包括与所述外部壳体相关联的倒锥形设计。

19.根据权利要求16所述的感测装置，其中，所述止动特征包括与所述外部壳体相关联的凹陷设计。

20.根据权利要求16所述的感测装置，其中，所述止动特征防止所述第一绝缘材料或所述第二绝缘材料的旋转。

21.根据权利要求5所述的感测装置，包括弹簧夹在所述第一绝缘材料中的嵌入部段的长度。

22.根据权利要求5所述的感测装置，包括在所述弹簧夹与所述第一绝缘材料的表面之间的长度。

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