CN1235027C - 压电激励振动筒压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明压电激励振动筒压力传感器，属振动筒压力传感器；其目的是精度高、稳定性好、而且结构简单、易于批量生产；本发明包括有敏感元件和激励电路；敏感元件包括有压力接嘴、真空保护筒、外筒、薄壁圆筒、压电元件、套环、套座、接线柱、绝缘子及内置线路板；套座上安装绝缘子，薄壁筒体与真空保护筒之间通过套环连接；接嘴和套环通过外筒相连，一对压电元件分别粘贴在敏感薄壁圆筒内部对称的两侧，压电元件上的引线穿过安装在内置线路板上的接线柱，再通过绝缘子与外部电路相连；敏感元件的结构以真空电子束焊接形式固接。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动筒压力传感器，属谐振式压力传感器。
技术背景
振动筒压力传感器最早发明在英国，其工作原理是利用筒体谐振时磁间隙的微弱变换，改变了激、拾线圈的电流，经放大、闭环激励、输出，达到测量压力—频率的对应关系。这种传感器测量精度较高，但结构复杂，闭环调试困难，能耗大，不易于批量生产。
发明内容
本发明的目的就是克服上述已有技术的不足，提供一种精度高、稳定性好、而且结构简单、易于批量生产的压电激励振动筒压力传感器。
本发明压电激励振动筒压力传感器对传统的振动筒压力传感器的激励和拾取方式进行了改进，采用有机或者无机的具有压电特性的元件紧贴在敏感元件薄壁圆筒的应力最大部位，作为激励—拾取信号的器件，利用压电元件的正、逆压电效应，薄壁圆筒谐振而发生应力—电信号—应力转化，经放大、闭环激励后输出。
本发明压电激励振动筒压力传感器包括有敏感元件和激励电路。敏感元件包括有压力接嘴、真空保护筒、外筒、薄壁圆筒、压电元件、套环、套座、接线柱、绝缘子和内置接线板。套座上安装绝缘子，薄壁圆筒与真空保护筒之间通过套环连接；压力接嘴和套环通过外筒相连，一对压电元件分别粘贴在薄壁圆筒内部对称的两侧，压电元件上的引线穿过安装在内置线路板上的接线柱，再通过绝缘子与外部电路相连。
激励电路包括有阻抗变换、低通滤波器、高通滤波器、相位补偿、增益放大器和整形电路。
当紧贴薄壁圆筒上的激励压电元件外加电信号时由逆压电效应产生应变，引起薄壁圆筒本身产生应变力，驱动薄壁圆筒发生刚体形变，在薄壁圆筒另一端的拾取压电元件拾取到薄壁圆筒的变形力，由正压电效应产生电荷，经电信号变换、放大等信号处理，输出信号的频率就是薄壁圆筒谐振的频率，另一部分信号被引入激励端，当反馈信号的频率与薄壁圆筒谐振的固有频率相同时，形成闭环正反馈，传感器闭环系统便成为一个稳定的谐振系统。
敏感元件中薄壁圆筒压电激励实现的谐振模态为(2，1)模式，即横向全波数为2，纵向半波数为1。且薄壁圆筒对压力变化能产生敏感的谐振频率变换。
本发明压电激励振动筒压力传感器主要用于测量动态或者静态的气体压力。该传感器既具有谐振式传感器精度高、稳定性、可靠性好、频率量输出的特点，结构又比较简单，易于实现批量生产，适用领域广泛。
附图说明
图1为本发明敏感元件结构示意图。
图2为本发明激励电路原理框图。
图中：1、压力接嘴，2、真空保护筒，3、外筒，4、薄壁圆筒，5、压电元件，6、套环，7、内置接线板，8、螺钉，9、接线柱，10、套座，11、绝缘子。
具体实施方式
激励电路是该传感器的激励源。阻抗变换、低通滤波器、高通滤波器和相位补偿均采用高阻抗TL084运算放大器，增益放大器采用高阻抗TL082运算放大器，整形电路采用微型三极管BC187-16和MC78L05三端稳压器及稳压管ZMM4V7。
当拾取压电元件拾取到薄壁圆筒的变形力，由正压电效应产生电荷，经电荷转换器转化为电压信号、再经过由低通滤波器和高通滤波器组成的带通滤波器，提取到可用的信号；然后通过相位补偿电路对信号的相位进行调整，再将此信号进行限幅放大处理。此信号的一部分经整形电路输出，输出信号的频率就是筒体谐振的频率，另一部分信号被引入激励端，当反馈信号的频率与筒体谐振的固有频率相同时，形成闭环正反馈，传感器闭环系统便成为一个稳定的谐振系统。
本发明的敏感元件的结构以真空电子束焊接形式固接。薄壁圆筒4、真空保护筒2、外筒3由内到外分别焊接在套环6上，外筒3的另一端与压力接嘴1焊接，压电元件5用胶水粘贴在薄壁圆筒4内部对称的两侧，接线柱9铆接在内置接线板7上，用螺钉8把内置接线板7固定在套环6上，套环11焊接在套座10上，套座10与套环6焊接在一起。
压电元件5采用有机或者无机材料均可。
本发明一个具体应用实例是已制成φ4mm压电激励振动筒压力传感器，用于测量大气压力，是国内目前尺寸最小的谐振筒压力传感器，其敏感元件——薄壁圆筒的典型尺寸为直径4mm、长度28～30mm、厚度0.03～0.05mm，传感器整体尺寸为60×30×17mm3。其测量范围为2kPa～600kPa，综合测量精度为0.01％～0.05％FSP，使用环境温度范围在-55℃～100℃。
Claims (4)
1、一种压电激励振动筒压力传感器，包括有敏感元件和激励电路；其特征是敏感元件包括有压力接嘴、真空保护筒、外筒、薄壁圆筒、压电元件、套环、套座、接线柱、绝缘子及内置线路板；套座上安装绝缘子，薄壁圆筒与真空保护筒之间通过套环连接；接嘴和套环通过外筒相连，一对压电元件分别粘贴在敏感薄壁圆筒内部对称的两侧，压电元件上的引线穿过安装在内置线路板上的接线柱，再通过绝缘子与外部电路相连，激励电路包括有阻抗变换、低通滤波器、高通滤波器、相位补偿、增益放大器和整形电路；阻抗变换、低通滤波器、高通滤波器和相位补偿均采用高阻抗TL084运算放大器，增益放大器采用高阻抗TL082运算放大器，整形电路采用微型三极管BC187-16和MC78L05三端稳压器及稳压管ZMM4V7。
2、如权利要求1所述的压电激励振动筒压力传感器，其特征是薄壁敏感圆筒压电激励实现的谐振模态为(2，1)模式，即横向全波数为2，纵向半波数为1。
3、如权利要求1所述的压电激励振动筒压力传感器，其特征是敏感元件的结构以真空电子束焊接形式固接。
4、如权利要求1所述的压电激励振动筒压力传感器，其特征是薄壁圆筒的尺寸为直径4mm、长度在28～30mm、厚度在0.03～0.05mm。
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