CN115342965A - 一种电容式气体压力传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容式气体压力传感器结构，包括基座，其一端开设有第一凹槽，另一端开设有第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽通过孔连通；固定极板，固定垂直设在第一凹槽内；可动极板，垂直设在第一凹槽内部靠近第二凹槽的一侧，与第一凹槽的内壁滑动连接；第一绝缘板，位于固定极板远离第二凹槽的一侧，与固定极板固定连接；第二绝缘板，位于可动极板靠近第二凹槽的一侧，与可动极板固定连接；波纹管，设在第二凹槽中，其开口端与外部气体压力源连接；顶杆，穿设在孔中，其外壁与孔的内壁滑动连接；弹簧，设在第二凹槽中，且套设在顶杆上。本发明实现了传感器的测量范围及量程可调整，可应用在多个测试条件下，提高传感器的利用率。

Description

一种电容式气体压力传感器结构
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体为一种电容式气体压力传感器结构。
背景技术
传感器是一种能感受被测量(温度、压力、流量、速度等)并按一定的规律转换成电信号输出的装置，主要由弹性敏感元件(直接感受被测量的部件)和转换元件(将感受的被测量转换成适于传输的电信号部件)构成。作为现代信息技术的三大支柱之一，传感器技术直接制约着信息技术的发展。没有传感器对客观世界原始信息的感知，一切测量都不可实现。
电容式传感器是一种非接触测量传感器，具有结构简单、灵敏度高及分辨率高的特点，因此广泛应用在位移、振动、压力、角度等领域的测量。电容式传感器以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，并通过信号转换电路(如运算放大器电路、交流电桥电路、变压器式电桥电路、二极管电路等)将电容信号转换为更易于应用的电压、电流或频率信号，进而实现对被测物理参数的测量。电容量与两个极板间的结构参数及介电常数相关，因此，通过改变极板间隙、极板面积或极板间的介电常数可实现对电容量的改变。电容式传感器在外观上主要分平行板式和圆柱同轴式，以平行板式为常用结构。
采用电容式传感器进行气体压力测量时，分布压力不能直接作用到电容极板上，需要通过其他的装置将分布压力转换为电容极板间距的改变或极板间覆盖面积的改变，进而引起电容的变化。常用的电容式压力传感器不可拆卸，当极板损坏或绝缘部件损坏后，传感器报废。同时，因实际工作状态及测量位置不同，待测气体压力数值相差很大，对于量程固定不变的同一个压力传感器，无法兼顾多种使用工况，需要购置新的传感器，进而造成已有传感器资源的浪费。
发明内容
本发明提出了一种电容式气体压力传感器结构，用以解决现有的传感器量程不易更改且不便于拆卸的问题。
本发明提供了一种电容式气体压力传感器结构，包括：
基座，其一端开设有第一凹槽，另一端开设有第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽通过孔连通；
固定极板，固定垂直设在第一凹槽内；
可动极板，垂直设在第一凹槽内部靠近第二凹槽的一侧，与第一凹槽的内壁滑动连接；
第一绝缘板，位于固定极板远离第二凹槽的一侧，与固定极板固定连接；
第二绝缘板，位于可动极板靠近第二凹槽的一侧，与可动极板固定连接；
波纹管，设在第二凹槽中，其开口端与外部气体压力源连接；
顶杆，穿设在孔中，其外壁与孔的内壁滑动连接，其一端与第二绝缘板的侧面螺纹连接，另一端与波纹管的自由封闭端连接；
弹簧，设在第二凹槽中，且套设在顶杆上，其一端与第二凹槽内底面接触，另一端与与波纹管的自由封闭端的端面相接触。
进一步地，所述固定极板、可动极板、第一绝缘板、第二绝缘板、顶杆、波纹管的中心线均共线。
进一步地，还包括定位盖，设在基座的一侧，与基座的端部螺纹连接且与波纹管的开口端固定连接；
所述定位盖与基座之间的螺纹连接孔的深度大于或等于两倍的定位盖的螺纹长度；
所述定位盖远离第二凹槽的一端与外部气体压力源连接；
所述定位盖上开设有进气孔，该进气孔与波纹管的开口端连通。
进一步地，所述定位盖远离第二凹槽的一端加工有外螺纹。
进一步地，还包括压盖，设在基座的另一侧，且与基座的端部螺纹连接；
所述压盖与基座之间的螺纹连接孔的孔径大于第一凹槽的内径，所述第一绝缘板位于所述螺纹连接孔中，所述第一绝缘板一侧的侧面受螺纹连接孔的定位面的限制；
当所述压盖与基座螺纹固定连接时，相互固定连接的所述第一绝缘板、固定极板处于固定状态。
进一步地，还包括环形绝缘罩，设在第一凹槽中，且套设在固定极板、可动极板、第二绝缘板上；相互固定连接的所述可动极板、第二绝缘板的外壁均与环形绝缘罩的内壁滑动连接。
进一步地，所述第一绝缘板与固定极板，及所述可动极板、第二绝缘板均为通过胶水粘接连接的一体件。
进一步地，所述压盖、第一绝缘板、固定极板上均开设有孔径相同且孔的中心线共线的通孔；
所述固定极板、可动极板上的接线分别穿过各个通孔与外部信号转换电路连接。
进一步地，所述第二绝缘板的侧面上开设有螺纹盲孔，所述顶杆与第二绝缘板侧面上的该螺纹盲孔螺纹连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明设计了一种电容式气体压力传感器结构，通过采用波纹管作为弹性敏感元件，实现将分布压力转换为电容极板间距的变化，采用可更换弹簧设计，实现对测量量程的更改，传感器组装过程中采用螺纹连接，易于对传感器各部件的拆解及更换。通过更换弹簧这一部件，可调整传感器的测量范围及量程，满足单一传感器可应用在多个测试条件下的需求，提高传感器的利用率。此外，本发明设计的传感器各关键部件均可拆卸，通过更换损坏部件的方式可延长传感器的使用寿命，减小使用成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提出的一种电容式气体压力传感器结构的示意图。
附图标记说明：
1-基座，2-固定极板，3-可动极板，4-波纹管，5-顶杆，6-弹簧，7-第一绝缘板，8-第二绝缘板，9-环形绝缘罩，10-压盖，11-定位盖，101-定位面，102-第一凹槽的内底面，103-第二凹槽的内底面。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例
如图1所示，本发明提供一种电容式气体压力传感器结构，包括：
基座1，其一端开设有第一凹槽，另一端开设有第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽通过孔连通；
固定极板2，固定垂直设在第一凹槽内；
可动极板3，垂直设在第一凹槽内部靠近第二凹槽的一侧，与第一凹槽的内壁滑动连接；
第一绝缘板7，位于固定极板2远离第二凹槽的一侧，与固定极板2固定连接；
第二绝缘板8，位于可动极板3靠近第二凹槽的一侧，与可动极板3固定连接；
波纹管4，设在第二凹槽中，其开口端与外部气体压力源连接；
顶杆5，穿设在孔中，其外壁与孔的内壁滑动连接，其一端与第二绝缘板8的侧面螺纹连接，另一端与波纹管4的自由封闭端连接；
弹簧6，设在第二凹槽中，且套设在顶杆5上，其一端与第二凹槽内底面103接触，另一端与与波纹管4的自由封闭端的端面相接触。
本发明所提供的电容式气体压力传感器结构，采用波纹管4作为弹性敏感元件。波纹管4是一种圆柱外表面有波纹结构的薄壁管状弹性敏感元件，该薄壁管的进口端固定，而密封端处于自由伸缩状态，通过将进口端承受的分布压力转换为位移或力实现对被测参数的测量，并且采用波纹管4作为传感器的弹性敏感元件，具有灵敏度高的特点。
当控制波纹管4内引入的气体压力不同，则波纹管4的自由封闭端伸长，发生一定的位移，从而使得与波纹管4的自由封闭端固定连接的顶杆5发生一定的移动，此时顶杆5推动可动极板3发生移动，即顶杆5将位移变化传递到可动极板3上，导致固定极板2与可动极板3之间的距离发生变化，从而引起固定极板2与可动极板3之间的电容发生变化，根据固定极板2与可动极板3之间的电容值可反映外部气体压力源的压力变化。
再通过接入信号转换电路将电容信号转换为更易于测量及应用的电压、电流或频率信号，最终实现对气体压力信号的检测。
如图1所示，固定极板2、可动极板3、第一绝缘板7、第二绝缘板8、顶杆5、波纹管4的中心线均共线。为了保证在通入外部气压后，波纹管4沿水平方向进行伸缩时，实现顶杆5推动可动极板3在第一凹槽中沿水平方向进行移动，从而保证该传感器在实际测量时，所得的信号值更加准确。
如图1所示，还包括定位盖11，设在基座1的一侧，与基座1的端部螺纹连接且与波纹管4的开口端固定连接；
定位盖11与基座1之间的螺纹连接孔的深度大于或等于两倍的定位盖11的螺纹长度；
定位盖11远离第二凹槽的一端与外部气体压力源连接；
定位盖11上开设有进气孔，该进气孔与波纹管4的开口端连通。
定位盖11远离第二凹槽的一端加工有外螺纹，利用该外螺纹实现了定位盖11与外部气体压力源的连接。
在实际使用该传感器时，通过控制、调整定位盖11拧入基座1的螺纹深度，可实现传感器的零点校正，即实现对传感器的信号输出值进行校正。
如图1所示，还包括压盖10，设在基座1的另一侧，且与基座1的端部螺纹连接；压盖10与基座1之间的螺纹连接孔的孔径大于第一凹槽的内径，第一绝缘板7位于螺纹连接孔中，第一绝缘板7一侧的侧面受螺纹连接孔的定位面101的限制；当压盖10与基座1螺纹固定连接时，相互固定连接的第一绝缘板7、固定极板2处于固定状态。
当压盖10与基座1螺纹固定连接时，因第一绝缘板7位于压盖10与基座1之间螺纹连接孔中，且第一绝缘板7被限制在螺纹连接孔的定位面101，因此当压盖10被拧紧时，可实现第一绝缘板7与固定极板2的固定。
如图1所示，还包括环形绝缘罩9，设在第一凹槽中，且套设在固定极板2、可动极板3上；相互固定连接的可动极板3、第二绝缘板8的外壁均与环形绝缘罩9的内壁滑动连接。
为了进一步形成绝缘防护，在基座1中的第一凹槽中设置环形绝缘罩9，环形绝缘罩9与基座1、固定极板2、第二绝缘板8、可动极板3均采用间隙配合。
本发明中的传感器结构中除第一绝缘板7、第二绝缘板8及环形绝缘罩9采用绝缘材料外，其余部件均采用金属材料，因此通过采用第一绝缘板7、第二绝缘板8及环形绝缘罩9包围电容式传感器的固定极板和可动极板，实现两个极板与其他金属部件间的绝缘。
如图1所示，第一绝缘板7与固定极板2，及可动极板3与第二绝缘板8均为通过胶水粘接连接的一体件。
如图1所示，压盖10、第一绝缘板7、固定极板2上均开设有孔径相同且孔的中心线共线的通孔；
固定极板2、可动极板3上的接线分别穿过各个通孔与外部信号转换电路连接。
通过在压盖10、第一绝缘板7、固定极板2上分别开设通孔，有利于保证固定极板2、可动极板3的极板间的气体与外界环境中的气体相同，也便于固定极板2、可动极板3上的接线引出，从而便于实现与外部转换电路的连接。
如图1所示，第二绝缘板8的侧面上开设有螺纹盲孔，顶杆5与第二绝缘板8侧面上的该螺纹盲孔螺纹连接。
如图1所示，本发明中，弹簧6的一端与基座1的第二凹槽的弹簧受压平面接触，另一端与波纹管4的自由端平面接触，在安装时，通过选择合适长度的弹簧6及控制定位盖11的拧入深度，使得弹簧6在测量初始时有轻微的压缩效果。此外，通过更换不同刚度的弹簧6，实现电容式气体压力传感器结构的测量范围及量程的改变。
本发明中的传感器在首次采用不用刚度的弹簧6进行压力信号测量时，需要进行传感器的组装、零点校正及静态标定。在压力信号测量完成后，需要将传感器拆卸放置。再次进行信号测量时，需要重新组装传感器，并进行零点校正。
本发明中的传感器零点校正及静态标定主要操作方法如下：
步骤S1：将基座1按照其中心线垂直于水平面的方式放置；
步骤S2：将环形绝缘罩9放入基座1的孔内，并使环形绝缘罩9的一端与第一凹槽的内底平面接触；
步骤S3：将可动极板3与第二绝缘板8粘接成的一体件，放入环形绝缘罩9内，并使该一体件的第二绝缘板8一端与第一凹槽内底面102接触；
步骤S4：将第一绝缘板7与固定极板2粘接成的一体件，放入基座1的孔内，并使第一绝缘板7的粘接面一端与基座1与压盖10的螺纹连接孔的定位面101接触；
步骤S5：采用一定的拧紧力矩实现压盖10对第一绝缘板7和固定极板2的固定。
步骤S6：将固定极板2和可动极板3的接线接入信号转换电路，记录此状态的输出值，记为初始输出值；
步骤S7：按照以上相反步骤，将压盖10、第一绝缘板7与固定极板2粘接成的一体件、环形绝缘罩9、可动极板3与第二绝缘板8粘接成的一体件分别从基座1上拆除；
步骤S8：将基座1按照其中心线平行于水平面的方式放置；
步骤S9：将弹簧6、顶杆5、波纹管4和定位盖11组装到基座1上；
步骤S10：将可动极板3与第二绝缘板8粘接成的一体件通过螺纹连接到顶杆5上；
步骤S11：将压盖1、第一绝缘板7与固定极板2粘接成的一体件、环形绝缘罩9组装到基座1上；
步骤S12：将固定极板2和可动极板3的接线接入信号转换电路，调整定位盖11拧入基座1的螺纹深度，使得此信号输出值与初始初始值相等；
至此，完成传感器的零点校正。
步骤S13：采用螺纹连接方式将定位盖11与校准气源装置连接，将校准气体引入到波纹管4内，通过改变校准气体压力，可得到不同压力条件下的信号输出值。
至此，完成传感器的静态标定。
本发明中通过更换弹簧这一部件，可调整传感器的测量范围及量程，满足单一传感器可应用在多个测试条件下的需求，提高传感器的利用率。
本发明中的传感器在每次使用前，需进行组装操作，传感器在每次使用后，需进行拆卸操作。
在传感器组装前，需要进行如下操作：
1、将顶杆5、波纹管4及定位盖11焊接成一体件。
2、将第一绝缘板7与固定极板2采用胶水粘接连接。
3、按照要求将可动极板3与第二绝缘板8采用胶水粘接连接。
4、选择合适长度的弹簧6，套入顶杆5、波纹管4及定位盖11焊接成一体件的顶杆5上。将该一体件插入传感器基座1上，通过螺纹连接，实现该一体件在传感器基座1上的固定，调整定位盖11拧入传感器基座1的螺纹深度，使得弹簧6在测量初始时有轻微的压缩效果，且保证顶杆5穿过第一凹槽内底面102。
5、将可动极板3与第二绝缘板8粘接成的一体件通过螺纹连接到顶杆5上，第二绝缘板8可与第一凹槽内底面102接触，也可不接触。
6、将环形绝缘罩9插入到传感器基座1上，并与第一凹槽内底面接触。
7、将第一绝缘板7与固定极板2粘接成的一体件放到传感器基座1上，并由基座1与压盖10的螺纹连接孔的内定位面限制一体件的位移。
8、将压盖1拧到传感器基座1上，通过一定的拧紧力矩实现对第一绝缘板7和固定极板2的固定。完成传感器的组装。
传感器的拆卸步骤与组装步骤相反。
因本发明中的传感器结构便于拆卸，因此可通过更换损坏部件的方式可延长传感器的使用寿命，减小使用成本。
本发明的使用原理及使用方法：
在使用时，将定位盖与外部压力气源连通，当外部常压力的气体源进入到波纹管4内时，则波纹管4的自由封闭端伸长，发生一定的位移，从而使得与波纹管4的自由封闭端固定连接的顶杆5发生一定的移动，此时顶杆5推动可动极板3发生移动，即顶杆5将位移变化传递到可动极板3上，导致固定极板2与可动极板3之间的距离发生变化，从而引起固定极板2与可动极板3之间的电容发生变化，根据固定极板2与可动极板3之间的电容值可反映外部气体压力源的压力变化。通过接入信号转换电路将电容信号转换为更易于测量及应用的电压、电流或频率信号，最终实现对气体压力信号的检测。
最后说明的是：以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于，包括：
基座(1)，其一端开设有第一凹槽，另一端开设有第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽通过孔连通；
固定极板(2)，固定垂直设在第一凹槽内；
可动极板(3)，垂直设在第一凹槽内部靠近第二凹槽的一侧，与第一凹槽的内壁滑动连接；
第一绝缘板(7)，位于固定极板(2)远离第二凹槽的一侧，与固定极板(2)固定连接；
第二绝缘板(8)，位于可动极板(3)靠近第二凹槽的一侧，与可动极板(3)固定连接；
波纹管(4)，设在第二凹槽中，其开口端与外部气体压力源连接；
顶杆(5)，穿设在孔中，其外壁与孔的内壁滑动连接，其一端与第二绝缘板(8)的侧面螺纹连接，另一端与波纹管(4)的自由封闭端连接；
弹簧(6)，设在第二凹槽中，且套设在顶杆(5)上，其一端与第二凹槽内底面(103)接触，另一端与与波纹管(4)的自由封闭端的端面相接触。
2.根据权利要求1所述的一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于：所述固定极板(2)、可动极板(3)、第一绝缘板(7)、第二绝缘板(8)、顶杆(5)、波纹管(4)的中心线均共线。
3.根据权利要求1所述的一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于：还包括定位盖(11)，设在基座(1)的一侧，与基座(1)的端部螺纹连接且与波纹管(4)的开口端固定连接；
所述定位盖(11)与基座(1)之间的螺纹连接孔的深度大于或等于两倍的定位盖(11)的螺纹长度；
所述定位盖(11)远离第二凹槽的一端与外部气体压力源连接；
所述定位盖(11)上开设有进气孔，该进气孔与波纹管(4)的开口端连通。
4.根据权利要求3所述的一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于：所述定位盖(11)远离第二凹槽的一端加工有外螺纹。
5.根据权利要求3所述的一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于：还包括压盖(10)，设在基座(1)的另一侧，且与基座(1)的端部螺纹连接；
所述压盖(10)与基座(1)之间的螺纹连接孔的孔径大于第一凹槽的内径，所述第一绝缘板(7)位于所述螺纹连接孔中，所述第一绝缘板(7)一侧的侧面受螺纹连接孔的定位面(101)的限制；
当所述压盖(10)与基座(1)螺纹固定连接时，相互固定连接的所述第一绝缘板(7)、固定极板(2)处于固定状态。
6.根据权利要求5所述的一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于：还包括环形绝缘罩(9)，设在第一凹槽中，且套设在固定极板(2)、可动极板(3)、第二绝缘板(8)上；相互固定连接的所述可动极板(3)、第二绝缘板(8)的外壁均与环形绝缘罩(9)的内壁滑动连接。
7.根据权利要求6所述的一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于：所述第一绝缘板(7)与固定极板(2)，及所述可动极板(3)、第二绝缘板(8)均为通过胶水粘接连接的一体件。
8.根据权利要求2所述的一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于：所述压盖(10)、第一绝缘板(7)、固定极板(2)上均开设有孔径相同且孔的中心线共线的通孔；
所述固定极板(2)、可动极板(3)上的接线分别穿过各个通孔与外部信号转换电路连接。
9.根据权利要求1所述的一种电容式气体压力传感器结构，其特征在于：所述第二绝缘板(8)的侧面上开设有螺纹盲孔，所述顶杆(5)与第二绝缘板(8)侧面上的该螺纹盲孔螺纹连接。
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