CN1166933C - 采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器 - Google Patents
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Abstract
采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，它涉及一种谐振式水晶压力传感器。它包含水平极化切变波的水晶压敏元件(1)、弹性的悬臂梁(6)、底座(10)、波纹片(15)、传力杆(8)，波纹片(15)安装在底座(10)下端的压力接口(10-1)外侧，悬臂梁(6)的一端与底座(10)固定连接，悬臂梁(6)的另一端与传力杆(8)的一端固定连接，传力杆(8)的另一端与波纹片(15)固定连接，两个水晶压敏元件(1)分别安装在悬臂梁(6)上，两个水晶压敏元件(1)分别经导线连接接线端子(3)。该传感器具有压力灵敏度高、分辨率好、温度稳定性优良、长期稳定性佳、对晶体加工表面要求不苛刻、耐灰尘、抗污染、过载能力强的特点。
Description
技术领域：本发明涉及一种谐振式水晶压力传感器，特别是一种采用水平极化切变波模式工作的水晶压力传感器。
背景技术：目前，谐振式水晶压力传感器的工作模式主要有两大类：声表面波式和声体波式。严格地讲，目前的水晶声表面波压力传感器应称为水晶瑞利波压力传感器，其缺点是：一、瑞利波模式抗污染能力差，不能充入硅油，长期稳定性不及体波式；二、瑞利波模式压力传感器使用YX或ST水晶切型，其温度和时间稳定性不及声体波传感器；三、目前的水晶声表面波压力传感器采用“水晶杯”结构(具有盲孔的水晶片)，即周边固支水晶膜片结构，根据材料力学可知，该结构仅在小挠度条件下，传感器具有线性特性，因此它仅适宜制作量程范围较小的压力传感器；四、水晶杯结构压力传感器的加工工艺复杂，不仅需要精确地控制杯底膜片的厚度，而且要求膜片光滑、平整度好，此外还要求杯壁陡直，因此很难实现批量生产。
发明内容：本发明研制一种采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，它是一种可以宽压力范围工作的谐振式水晶压力传感器，它应具有压力灵敏度高、分辨率佳、温度稳定性优良、长期稳定性好、对晶体加工表面要求不苛刻、耐灰尘、抗污染、过载能力强的特点。本发明的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器包含水平极化切变波的水晶压敏元件1、弹性的悬臂梁6、底座10、波纹片15、传力杆8，波纹片15安装在底座10下端的压力接口10-1外侧，悬臂梁6的一端与底座10固定连接，悬臂梁6的另一端与传力杆8的上端固定连接，传力杆8的下端与波纹片15固定连接，两个水晶压敏元件1分别安装在悬臂梁6上，两个水晶压敏元件1分别经导线连接接线端子3。波纹膜片15是一种恒弹波纹膜片，它的功能是隔离被测压力介质以及传递压力，并把压力转换为力，通过传力杆8把它传送到悬臂梁6，使水晶压敏元件1发生变形，从而导致谐振器的固有频率变化。因为其频率变化与压力的大小相对应，并成良好的线性关系，所以测量其频率就可知被测压力值。该传感器的压力接口10-1处焊上波纹片15，成为平口结构，它不同于深孔或毛细管结构，因此不仅适宜于普通流体压力测量，而且可用于粘稠液体或熔融体的压力测量，此外还有利于测量后的清洗，保持传感器的长寿命。由于产生水平极化切变波的两个水晶压敏元件分别处于拉伸和压缩力作用，因此利用差频法进行处理，不仅可以抵消多种误差，还可以使压力灵敏度增大1倍。本发明的传感器具有压力灵敏度高、分辨率佳、温度稳定性优良、长期稳定性好、对晶体加工表面要求不苛刻、耐灰尘、抗污染、过载能力强的优点。本发明的传感器还具有Q值高、体积小、寄生信号小、温度稳定性好、抗污染能力强、一致性好、对工艺参数不太敏感以及便于安装的优点。
附图说明：图1是具体实施方式一中所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器的结构示意图，图2是具体实施方式一中水晶压敏元件1的结构示意图，图3是图2的仰视图，图4是具体实施方式二中水晶压力传感器的结构示意图，图5是具体实施方式三中水晶压敏元件1的结构示意图。
具体实施方式一：本实施方式采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器(参阅图1)由水晶压敏元件1、悬臂梁6、传力杆8、外壳9、底座10、波纹片15、缓冲片18组成。波纹片15安装在底座10下端的压力接口10-1的外侧，波纹片15的外缘与底座10焊接在一起。在底座10的压力接口10-1外侧的周边有凹槽14，在波纹片15上与凹槽14相对的部位有环形的波纹凸起16，上述结构可实现过压保护和增大灵敏度。当被测压力大于额定值时，变形的波纹片15上的凸起16已紧贴在底座10上，因此可防止悬臂梁6损坏。在底座10下部的外表面有传感器接嘴螺纹13。悬臂梁6包含上梁6-1、连接在上梁6-1两端下侧的左立梁6-2和右立梁6-3、连接在左立梁6-2和右立梁6-3下端内侧的左梁6-4和右梁6-5，连为一体结构的上梁6-1、左立梁6-2、右立梁6-3、左梁6-4和右梁6-5形成下侧开口的C形结构。在左立梁6-2和右立梁6-3上端的内侧各开有一个凹槽40，在左立梁6-2的凹槽40上方的上梁6-1上开有两条呈π形的凹槽21，它使悬臂梁6形成柔性隔离结构，悬臂梁6由Al2O3陶瓷材料制成，其弹性强度、刚度极限都优于金属梁，不易发生塑性形变，无蠕变，滞后小，耐疲劳能力极强，弹性模量恒定，并且线膨胀系数等也可以与力敏切型水晶材料匹配。左梁6-4与底座10之间设有缓冲片18并由螺栓19固定在一起，传力杆8的上端通过螺母7与悬臂梁6的右梁6-5固定连接，传力杆8的下端与波纹片15焊接在一起。在底座10上还安装有调整传力杆8变形程度的支撑装置12。它可以调整传感器的零位输出。两个水晶压敏元件1分别安装在悬臂梁6的上梁6-1上下侧的相对应的两个弧形凹槽22中，在水晶压敏元件1的两端有弹性的吸声材料24，通过弹性的吸声材料24把水晶压敏元件1安装在悬臂梁6上，不仅可消除晶片对水平极化波的反射，提高测量精度，而且防止对水晶压敏元件的机械冲击。外壳9罩在悬壁梁6的外面，外壳9下端的边沿与底座10固定连接。由于水晶压敏元件采用水平极化切变波工作模式，因此传感器的外壳9内可以充满硅油，它适宜于高静压(井下、海上油田等)、恶劣环境(存在强振动、冲击、存在核辐射和强磁干扰)条件下长期工作。多个接线端子3固定于外壳9上，接线端子3经导线分别连接两个水晶压敏元件1。参阅图2和图3，水晶压敏元件1由经研磨抛光的水晶片1-1和光刻在水晶片1-1上面的产生水平极化切变波的金属发射叉指换能器1-2和接收换能器1-3、降低插入损耗的能阱金属栅阵1-4、金属反射栅阵1-5和金属汇流条1-7组成，金属反射栅阵1-5分别与发射叉指换能器1-2和接收换能器1-3形成一体化谐振器，水晶片1-1的左右两边为刀刃形，其刃角α为55°～65°，水晶片1-1的切型是YZL(-48°～-51°)水晶切型。在水晶片1-1的左右两边涂覆有弹性的吸声材料24。该水晶片1-1便于涂覆吸声材料，减少了晶片的边缘对声波的反射，改善谐振特性。该水晶压敏元件1有如下特点：1、Q值(品质因数)高，可达1.5万以上；2、容易谐振，并且其谐振频率受外部电容的影响很小；3、温度稳定性好；4、寄生信号小；5、抗污染能力强；6、一致性好，对工艺参数不太敏感，成品率高；7、在同样技术指标条件下，其谐振器尺寸最小。本实施方式的水晶压力传感器，当水晶片上设置栅阵或沟槽等使其声阻抗不连续，则水平极化切变波在基片上的阻抗不连续区相互反射。设计适当长度的反射器，则在腔体内形成驻波，把能量封闭在腔体内，成为水平极化切变波谐振器。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是(参阅图4)，C形结构的悬臂梁6是中间空隙的左右侧为拱形结构的双孔梁，两个水晶压敏元件1背面重叠并水平设置在悬臂梁6的中间，水晶压敏元件1的两端固定在左立梁6-2和右立梁6-3上，在一对水晶压敏元件1的接合面处有上下相对的弧型凹槽26。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是(参阅图5)，水晶压敏元件1的背面有前后贯通的弧型凹槽26。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
Claims (10)
1、采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，它包含弹性的悬臂梁(6)、底座(10)、波纹片(15)、传力杆(8)，波纹片(15)安装在底座(10)下端的压力接口(10-1)外侧，悬臂梁(6)的一端与底座(10)固定连接，悬臂梁(6)的另一端与传力杆(8)的上端固定连接，传力杆(8)的下端与波纹片(15)固定连接，其特征在于它还包含水平极化切变波的水晶压敏元件(1)、两个水晶压敏元件(1)分别安装在悬臂梁(6)上，两个水晶压敏元件(1)分别经导线连接接线端子(3)，水晶压敏元件(1)由经研磨抛光的水晶片(1-1)和光刻在水晶片(1-1)上面的产生水平极化切变波的金属发射叉指换能器(1-2)和接收换能器(1-3)、降低插入损耗的能阱金属栅阵(1-4)、金属反射栅阵(1-5)和金属汇流条(1-7)组成，水晶片(1-1)的左右两边为刀刃形，水晶片(1-1)的切型是YZL(-48°～-51°)水晶切型。
2、根据权利要求1所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于在底座(10)的压力接口(10-1)外侧的周边有凹槽(14)，在波纹片(15)上与凹槽(14)相对的部位有环形的波纹凸起(16)。
3、根据权利要求1所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于悬臂梁(6)包含上梁(6-1)、连接在上梁(6-1)两端下侧的左立梁(6-2)和右立梁(6-3)、连接在左立梁(6-2)和右立梁(6-3)下端内侧的左梁(6-4)和右梁(6-5)，连为一体结构的上梁(6-1)、左立梁(6-2)、右立梁(6-3)、左梁(6-4)和右梁(6-5)形成下侧开口的C形结构。
4、根据权利要求1或3所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于悬臂梁(6)由Al2O3陶瓷材料制成。
5、根据权利要求3所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于左梁(6-4)与底座(10)之间设有缓冲片(18)并由螺栓(19)固定在一起。
6、根据权利要求1所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于在底座(10)上还安装有调整传力杆(8)变形程度的支撑装置(12)。
7、根据权利要求1所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于外壳(9)罩在悬壁梁(6)的外面，外壳(9)下端的边沿与底座(10)固定连接，传感器的外壳(9)内充满硅油。
8、根据权利要求3所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于在左立梁(6-2)和右立梁(6-3)上端的内侧各开有一个凹槽(40)，在左立梁(6-2)的凹槽(40)上方的上梁(6-1)上开有两条呈π形的凹槽(21)，两个水晶压敏元件(1)分别安装在悬臂梁(6)的上梁(6-1)上下侧的相对应的两个弧形凹槽(22)中。
9、根据权利要求3所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于两个水晶压敏元件(1)背面重叠并水平设置在悬臂梁(6)的中间，水晶压敏元件(1)的两端固定在左立梁(6-2)和右立梁(6-3)上，在一对水晶压敏元件(1)的接合面处有上下相对的弧型凹槽(26)。
10、根据权利要求1或8所述的采用水平极化声波模式的谐振式水晶压力传感器，其特征在于水晶压敏元件(1)的背面有前后贯通的弧型凹槽(26)。
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