CN117490910A - 一种高精度mcs压力传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种高精度MCS压力传感器及制作方法，其中，高精度MCS压力传感器，包括：压力传感器本体、挡圈、固定锁紧环、定位基座；所述压力传感器本体具有内腔，所述内腔套设于所述定位基座上，与所述定位基座顶面形成流体压力腔；所述压力传感器本体外部具有凸台，所述挡圈套设在所述压力传感器本体上部，放置在所述凸台上，通过所述固定锁紧环与所述定位基座固定；所述定位基座具有流体压力入孔，所述流体压力入孔与所述流体压力腔连通。本申请提供的高精度MCS压力传感器及制作方法及系统，能够克服压力传感器在工作时不受定位件或固定件的影响，使得压力传感器的迟滞、重复性、非线性等不受影响，同时也不会因安装误差而引入新的测量误差。
Description
技术领域
本申请涉及压力传感器制造领域，尤其涉及一种高精度MCS压力传感器及制作方法。
背景技术
压力及力的测量是一类重要的测量，测量压力的压力传感器主要应用在：监控、控制及物理量测量，并广泛应用于生活、工控、军工等诸多领域。
多金属融合系统（MCS，Metals Coalesce System），是通过两种或多种不同金属材料，整片通过不同融合材料和不同融合工艺 ，融合形成复合体，其中“融合”包涵“熔合”的含义 。经光刻，蚀刻，机械分割，精密机械加工后 ，达成不同数量压力传感器的系统工艺方法。
目前，为了提高压力传感器的精度与稳定性，存在在弹性基体上通过多金属熔合技术制作应变式压力传感器的金属复合体（MCS）的技术方案，实现高精度压力传感器的指量化生产。
而MCS压力传感器在使用过程中由于受到待测流体的压力，所以需要特定的机械固定件对压力传感器进行定位和限位，现有技术中，在加工压力传感器时，固定件直接和应变计所在表面接触，同时也和压力传感器膜片的微应变区域接触；这种方式会影响压力传感器接受压力和卸掉压力时产生的变形，即接受压力形变因为固定件的摩擦力而没有达到应达到的变形，使得压力传感器的非线性变差，而卸压时又因为摩擦力的阻碍压力传感器弹性膜片恢复原形，使得压力传感器的迟滞变大、因其摩擦力不固定也会使重复性变差，并且容易出现安装误差，也会使得固定件的轴心线和弹性体的轴心线不同轴，会导致弹性体在受力变形时不对称不匀均，最终使得压力传感器的非线性变差。
发明内容
针对上述问题，本申请提供了一种高精度MCS压力传感器及制作方法，该高精度MCS压力传感器及制作方法能够克服压力传感器在工作时不受定位件或固定件的影响，使得压力传感器的迟滞、重复性、非线性等不受影响，同时也不会因安装误差而引入新的测量误差。
为实现本申请的目的，本申请提供如下的技术方案：
第一方面，本申请提供一种高精度MCS压力传感器，包括：压力传感器本体、挡圈、固定锁紧环、定位基座；
所述压力传感器本体具有内腔，所述内腔套设于所述定位基座上，与所述定位基座顶面形成流体压力腔；
所述压力传感器本体外部具有凸台，所述挡圈套设在所述压力传感器本体上部，放置在所述凸台上，通过所述固定锁紧环与所述定位基座固定；
所述定位基座具有流体压力入孔，所述流体压力入孔与所述流体压力腔连通。
在一种可能的实现方式中，所述挡圈的内径大于所述压力传感器本体上部直径，所述挡圈与所述压力传感器本体上部侧壁具有间隙。
在一种可能的实现方式中，所述定位基座侧壁还具有凹槽，所述凹槽内套设有密封圈。
在一种可能的实现方式中，所述凹槽内还套设有聚四氟挡圈，位于所述密封圈远离所述流体压力腔的一侧。
在一种可能的实现方式中，所述凸台的厚度为0.1mm-2.0mm，深度为1mm-7mm。
第二方面，本申请还提供一种高精度MCS压力传感器制作方法，包括：
S101，毛坯切割：从弹性复合板上切割出具有内腔的圆柱体，得到压力传感器毛坯；
S201，凸台切割：在所述压力传感器毛坯上半部切割出凸台，得到压力传感器本体；
S301，挡圈组装：将挡圈套设于所述压力传感器本体上半部，放置在所述凸台上；
S401，传感器组装：将所述凸台内腔套设在定位基座上，将固定锁紧环上端卡紧所述挡圈顶端，并将所述固定锁紧环下端与所述定位基座固定连接，得到高精度MCS压力传感器。
在一种可能的实现方式中，所述凸台切割厚度为0.1mm-2.0mm，所述厚度为；其中，/>为所述压力传感器毛坯直径，/>为所述凸台内径。
在一种可能的实现方式中，所述凸台的切割深度为1mm-7mm。
在一种可能的实现方式中，所述挡圈的内径大于所述压力传感器本体上半部的直径，所述挡圈与所述压力传感器本体上部侧壁具有间隙。
在一种可能的实现方式中，所述将所述凸台内腔套设在定位基座上之前，还包括：将聚四氟挡圈套设在所述定位基座侧壁的凹槽内，再将密封圈套设在所述定位基座侧壁的所述凹槽内所述聚四氟挡圈上方。
本申请的有益效果为：
通过本申请提供的高精度MCS压力传感器及制作方法，对压力传感器的结构进行调整，在压力传感器的顶部加工了一个凸台，使压力传感器的定位件或固定件接触面远离压力传感器的应变计面和微应变区域。压力传感器在受压力或卸压变形时不受定位件或固定件和压力传感器之间的接触摩擦力影响，从而提高压力传感器的迟滞、重复性、非线性等技术指标。
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；
图1为本申请实施例提供的一种高精度MCS压力传感器结构示意图；
图2为本申请实施例提供的压力传感器毛坯结构示意图；
图3为本申请实施例提供的凸台结构示意图；
图4为本申请实施例提供的挡圈结构示意图；
图5为本申请实施例提供的压力传感器结构示意图；
图6为本申请实施例提供的高精度MCS压力传感器径向应变力对比示意图；
图7为本申请实施例提供的一种高精度MCS压力传感器制作方法流程示意图。
附图标记：1-压力传感器本体，11-凸台；2-挡圈；3-密封圈；4-聚四氟挡圈；5-固定锁紧环；6-流体压力腔；7-间隙；8-流体压力入孔；9-定位基座。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
图1为本申请实施例提供的一种高精度MCS压力传感器，包括：
压力传感器本体1、挡圈2、固定锁紧环5、定位基座9；
所述压力传感器本体1具有内腔，所述内腔套设于所述定位基座9上，与所述定位基座9顶面形成流体压力腔6；
所述压力传感器本体1外部具有凸台11，所述挡圈2套设在所述压力传感器本体1上部，放置在所述凸台11上，通过所述固定锁紧环5与所述定位基座9固定；
所述定位基座9具有流体压力入孔8，所述流体压力入孔8与所述流体压力腔6连通。
可选的，所述固定锁紧环5下端与所述定位基座9通过螺纹固定连接。
其中，所述压力传感器本体1的上半部直径为、下半部直径为/>、内腔的直径为，所述压力传感器本体整体的厚度为h1、上半部厚度为h2，力的方向为在图1中自下向上。
在一种可能的实施方式中，所述挡圈2的内径大于所述压力传感器本体1上部直径，所述挡圈2与所述压力传感器本体1上部侧壁具有间隙7，采用该种实施方式能够在所述压力传感器的受压力变形时实际测得的压力数值不会受到影响。
在一种可能的实施方式中，所述定位基座9侧壁还具有凹槽，所述凹槽内套设有密封圈3。
在一种可能的实施方式中，所述凹槽内还套设有聚四氟挡圈4，位于所述密封圈3远离所述流体压力腔6的一侧。
可选的，所述密封圈3用于对流体压力腔6进行密封；所述聚四氟挡圈4用于防止密封圈3在测量高压力时产生挤隙现象。
在一种可能的实施方式中，所述凸台11的厚度为0.1mm-2.0mm，深度为1mm-7mm。
实施例2
在前述实施例的基础上，如图2-7所示，本申请实施例提供的一种高精度MCS压力传感器的制作方法，包括：
S101，毛坯切割：从弹性复合板上切割出具有内腔的圆柱体，得到压力传感器毛坯；
S201，凸台切割：在所述压力传感器毛坯上半部切割出凸台11，得到压力传感器本体1；
S301，挡圈组装：将挡圈2套设于所述压力传感器本体1上半部，放置在所述凸台11上，其中，如图4所示，为挡圈2的外径，/>为挡圈2的内径；
S401，传感器组装：将所述凸台11内腔套设在定位基座9上，将固定锁紧环5上端卡紧所述挡圈2顶端，并将所述固定锁紧环5下端与所述定位基座9固定连接，得到高精度MCS压力传感器。
在一种可能的实施方式中，所述凸台11切割厚度为0.1mm-2.0mm，所述厚度为；其中，/>为所述压力传感器毛坯直径，/>为所述凸台内径。
在一种可能的实施方式中，所述凸台11的切割深度为1mm-7mm。
在一种可能的实施方式中，所述挡圈2的内径大于所述压力传感器本体1上半部的直径，所述挡圈2与所述压力传感器本体1上部侧壁具有间隙7。
在一种可能的实施方式中，所述将所述凸台11内腔套设在定位基座9上之前，还包括：将聚四氟挡圈4套设在所述定位基座9侧壁的凹槽内，再将密封圈3套设在所述定位基座9侧壁的所述凹槽内所述聚四氟挡圈4上方。
实施例3
在前述实施例的基础上，本申请实施例还提供一种详细的高精度MCS压力传感器及制作方法，其中，毛坯切割与凸台切割的详细步骤为：
取MCS压力传感器毛坯（），将压力传感器毛坯按照详细规范的要求在其弹性膜片一端加工一个凸台，凸台切割厚度/>，切割深度，如图2-3所示，当压力传感器工作主要是凸台部分受压力后发生微应变，凸台以下部分基本不发生微应变；
其中，优选凸台尺寸为：
其中，为压力传感器上半部直径；将压力传感器各结构进行安装，得到高精度MCS压力传感器。
工作原理：
压力传感器在工作中，压力流体通过流体压力入孔8进入流体压力腔6，进入流体压力腔6的压力向四周传递压力，通过定位基座9、密封圈3和聚四氟挡圈4的定位密封作用，促使压力传感器本体1向上移动，压力传感器本体1向上移动从而推动挡圈2向上移动，挡圈2向上的推力最终作用在固定锁紧环5上，而固定锁紧环5下端和定位基座9通过螺纹固定连接，从而固定压力传感器本体1。
压力传感器本体1套设在定位基座9上，压力传感器本体1和定位基座9之间通过密封圈3和聚四氟挡圈4密封和定位，聚四氟挡圈4用于保护密封圈3，防止密封圈3在测量高压力时产生挤隙现象，密封圈3虽然和压力传感器1有接触，但因密封圈3是线性弹性元件，不会对压力传感器本体1产生影响，固定压力传感器本体1的固定锁紧环5和挡圈2接触，固定锁紧环5的固定力通过挡圈2传递给压力传感器本体1。
技术效果：
固定件直接和应变计所在表面接触，同时也和压力传感器膜片的微应变区域接接触，这样影响了压力传感器接受压力和卸掉压力时产生的变形。即接受压力形变因为固定件的摩擦力而没有达到应达到的变形，使得压力传感器的非线性变差。
以库伦摩擦为模型，当压力传感器受到压力P发生变形时，由于无凸台结构的工装夹具直接与变形区域接触，它将会产生与变形运动相反方向的摩擦力,在微观上压力传感器与工装夹具已经发生相对滑动，因此摩擦力可以表示为下式。
其中为滑动摩擦系数，/>为所在平面法向压力，钢与钢无润滑接触时静态摩擦系数可取/>，法向压力/>，若取/>，/>，则法向压力，产生的摩擦力/>，相当于约123.15公斤重力，由于摩擦力始终阻碍传感器发生形变，因此将影响传感器的线性度与迟滞。
使用有限元仿真软件对传感器进行仿真分析并绘制径向应变曲线如图6所示，可以看出：
有凸台的径向应变最大值为1181.1PPM，无凸台径向应变最大值为1381.5PPM，有凸台相较于无凸台径向应变最大值减小了14.5%、有凸台的径向应变最小值为-887.8PPM，无凸台径向应变最小值为-664.4PPM，有凸台相较于无凸台径向应变最小值减小了33.6%，并使最大值与最小值的绝对值更趋向一致，因为径向应变的最大值与切向应变最大值相等，所以这将导致径向应变引起的电阻变化与切向应变引起的电阻变化更趋于相等，从而提高线性度与灵敏度。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，模块和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的模块实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
上述实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制。本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示意的准确结构，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，做出的各种改变和变形，都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种高精度MCS压力传感器，其特征在于，包括：压力传感器本体（1）、挡圈（2）、固定锁紧环（5）、定位基座（9）；
所述压力传感器本体（1）具有内腔，所述内腔套设于所述定位基座（9）上，与所述定位基座（9）顶面形成流体压力腔（6）；
所述压力传感器本体（1）外部具有凸台（11），所述挡圈（2）套设在所述压力传感器本体（1）上部，放置在所述凸台（11）上，通过所述固定锁紧环（5）与所述定位基座（9）固定；
所述定位基座（9）具有流体压力入孔（8），所述流体压力入孔（8）与所述流体压力腔（6）连通。
2.根据权利要求1所述的高精度MCS压力传感器，其特征在于，所述挡圈（2）的内径大于所述压力传感器本体（1）上部直径，所述挡圈（2）与所述压力传感器本体（1）上部侧壁具有间隙（7）。
3.根据权利要求1所述的高精度MCS压力传感器，其特征在于，所述定位基座（9）侧壁还具有凹槽，所述凹槽内套设有密封圈（3）。
4.根据权利要求3所述的高精度MCS压力传感器，其特征在于，所述凹槽内还套设有聚四氟挡圈（4），所述聚四氟挡圈（4）位于所述密封圈（3）远离所述流体压力腔（6）的一侧。
5.根据权利要求1所述的高精度MCS压力传感器，其特征在于，所述凸台（11）的厚度为0.1mm-2.0mm，深度为1mm-7mm。
6.一种高精度MCS压力传感器的制作方法，其特征在于，包括：
S101，毛坯切割：从弹性复合板上切割出具有内腔的圆柱体，得到压力传感器毛坯；
S201，凸台切割：在所述压力传感器毛坯上半部切割出凸台（11），得到压力传感器本体（1）；
S301，挡圈组装：将挡圈（2）套设于所述压力传感器本体（1）上半部，放置在所述凸台（11）上；
S401，传感器组装：将所述凸台（11）内腔套设在定位基座（9）上，将固定锁紧环（5）上端卡紧所述挡圈（2）顶端，并将所述固定锁紧环（5）下端与所述定位基座（9）固定连接，得到高精度MCS压力传感器。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述凸台（11）切割厚度为0.1mm-2.0mm，所述厚度为；其中，/>为所述压力传感器毛坯直径，/>为所述凸台内径。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述凸台（11）的切割深度为1mm-7mm。
9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述挡圈（2）的内径大于所述压力传感器本体（1）上半部的直径，所述挡圈（2）与所述压力传感器本体（1）上部侧壁具有间隙（7）。
10.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述将所述凸台（11）内腔套设在定位基座（9）上之前，还包括：将聚四氟挡圈（4）套设在所述定位基座（9）侧壁的凹槽内，再将密封圈（3）套设在所述定位基座（9）侧壁的所述凹槽内所述聚四氟挡圈（4）上方。
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