CN208833416U - 一种高温型薄膜绝压传感器 - Google Patents

Abstract

一种高温型薄膜绝压传感器，由通过高温线缆连接的压力敏感头和变换器组成，压力敏感头包括一个由外壳和带沉孔的压力接口座构成的腔体空间，在压力接口座的沉孔内装有阻尼器，在阻尼器上装有溅射薄膜式敏感芯体，在腔体空间内设有与敏感芯体压力信号端连接的信号转接板，信号转接板的电压信号输出端通过烧结端子与高温线缆的一端连接；变换器具有一个外端带有电连接器的中空壳体，在壳体内装有可将电压信号转换为数字信号并通过电连接器输出的电路板；高温线缆的另一端连接至变换器的电路板。实际工作中，当外界压力发生变化时，压力敏感头中敏感芯体产生形变引起薄膜丝栅组成的惠斯通电桥发生变化，最终通过变换器输出RS485数字信号。

Description

一种高温型薄膜绝压传感器

技术领域

本实用新型属于电子感测衡器技术领域，涉及一种高温型薄膜绝压传感器，产品主要用于高温环境下飞行器发动机设备内部液体或气体介质压力的测量，其最高工作温度可达500℃。

背景技术

飞行器发动机工作时燃烧室内部处于高温高压状态，需要使用高温压力传感器监测其内部压力，以保证发动机正常工作，进而控制飞行器的飞行姿态。飞行器在做高速飞行时其表面与大气摩擦处于高温状态，要测量飞行过程中的外界大气压力就需要使用高温压力传感器，而在其它高温压力设备如高温空压机、高温泵的工作过程中同样也需要使用高温压力传感器来检测其输出压力，以实现精确控制。但目前本领域公知的传统的压力传感器工作温度范围窄，无法在200℃以上的高温环境下工作，压电式压力传感器虽然可以工作在500℃的高温环境下，但是其只能用于瞬间压力测量而无法用于静态压力的测量；再有，通常高温环境下静态压力的测量采取引压冷却的方式实现，这样造成了设备复杂、庞大、使用局限性大的缺点。另外，现有的压力传感器还存在有精度低、抗振动冲击能力差、频响较慢等缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有压力传感器存在的缺陷，提供一种测量精度高、抗振动冲击能力差、频响迅速、可在高温500℃环境可靠工作并可以实现对绝对压力进行测量的高温型溅射薄膜绝压传感器。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案如下所述：

一种高温型薄膜绝压传感器，包括通过高温线缆连接的压力敏感头和变换器，所述的压力敏感头具有一个带沉孔的压力接口座和一个扣装在压力接口座上方的筒状外壳，压力接口座的底部开有与沉孔相通的引压孔，在压力接口座的沉孔内装有阻尼器，在阻尼器上装有溅射薄膜式敏感芯体，在压力接口座与外壳之间的腔体空间内设有与敏感芯体压力信号端连接的陶瓷制信号转接板，信号转接板的电压信号输出端通过烧结端子与高温线缆的一端连接；所述的变换器具有一个外端带有电连接器的中空壳体，在壳体内装有一块可将电压信号转换为数字信号并通过电连接器输出的电路板；高温线缆的另一端连接至变换器的电路板。

本实用新型进一步的技术解决方案还包括：在压力敏感头外壳上端壁和变换器壳体侧壁上分别设有第一线卡和第二线卡，敏感芯体产生的电压信号依次经第一线卡、高温线缆和第二线卡进入变换器。

上述高温型薄膜绝压传感器中，高温线缆为最高可承受1000℃的高温防火线缆。

上述高温型薄膜绝压传感器中，压力敏感头外壳和变换器壳体均采用4J29铁镍合金制成。

上述高温型薄膜绝压传感器，敏感芯体采用表面通过离子溅射方式镀制有绝缘膜和应变丝栅电阻的耐高温不锈钢基体制成，绝缘膜的材料为高温SiO2，应变丝栅电阻组成惠斯通电桥，其制作材料为镍。采用耐高温材料制成的敏感芯体具有精度高、温度特性好、抗振动冲击的优点，其最高工作温度为500℃。

上述高温型薄膜绝压传感器中，变换器电路板电路由电源电路、芯体补偿电路、数据转换电路、核心处理器、存储电路、通信电路组成，可对敏感芯体输出的信号进行补偿、放大、采集、运算处理和发送，最终通过电连接器输出RS485信号。

本实用新型所述的高温型薄膜绝压传感器采用薄膜应变式测量原理，当外界压力发生变化时，敏感芯体产生形变引起薄膜丝栅组成的惠斯通电桥发生变化，在恒压供电条件下输出毫伏电压信号，电压信号与外界压力成正比，并经过高温线缆进入变换器。具体工作结构中，压力接口座为机械安装接口，介质可通过其上的引压孔进入传感器内部；压力接口座与阻尼器和敏感芯体通过激光焊接成整体，阻尼器用于缓冲外界压力冲击，保护敏感芯体；敏感芯体用于感受外界压力，将压力信号转换为毫伏级电压信号；陶瓷制信号转接板实现敏感芯体输出信号转接，在真空状态下将烧结件焊接在敏感芯体外部并用密封盖密封焊接，为敏感芯体提供一个真空环境可实现对绝对压力的测量；高温线缆通过第一线卡固定在压力敏感头顶部，可将其输出的信号连接至变换器电路；变换器通过第二线卡将高温线缆固定在外壳上，敏感芯体输出的电压信号进入变换器内部，变换器对信号进行补偿、放大、采集、运算处理和发送，最终通过电连接器输出RS485数字信号。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所述高温薄膜绝压传感器的压力敏感头基于薄膜应变式测量原理，敏感元件采用离子磁控溅射原理制成，在不锈钢基体材料表面通过离子磁控溅射方式镀制致密而均匀的应变电桥，电气特性和温度特性更加稳定，而且抗振动冲击能力更强；

2、本实用新型所述高温薄膜绝压传感器的压力敏感头金属部件采用不锈钢和铁镍合金材料制成、转接电路板使用高温陶瓷材料制成，可在高温条件下正常工作，最高可承受500℃高温；

3、本实用新型所述高温薄膜绝压传感器的丝栅图形的设计方式是将引出焊盘设计在转接板焊盘的正下方，焊接时使用金丝焊接机利用金丝进行焊接，以达到良好的导电性能，并可以承受高温冲击；

4、本实用新型所述高温薄膜绝压传感器在薄膜敏感芯体的外部焊接一个玻璃烧结件，在真空状态下使用密封盖密封焊接，为敏感芯体提供一个真空环境，从而实现对绝对压力的测量；

5、本实用新型所述高温薄膜绝压传感器的密封烧结件壳体以及密封盖均采用4J29铁镍合金制成，烧结密封材料为高温玻璃，最高可承受1000℃高温，4J29与玻璃的热膨胀系数接近，当温度变化时两者可保持良好的密封性。烧结件的引针使用金属镍制成，导电性能好并可承受1000℃高温；

6、本实用新型所述高温薄膜绝压传感器采用分体式结构，压力敏感头和变换器之间通过高温线缆连接，高温线缆最高可承受1000 ℃的高温，线缆长度为3m可有效避免变换器电路受到高温损坏，并且便于传感器的安装使用；

7、本实用新型所述高温薄膜绝压传感器的变换器可对敏感芯体输出的信号进行补偿、放大、采集转换、运算处理、参数存储和发送，最终以RS485总线形式输出；

8、本实用新型所述高温薄膜绝压传感器的压力敏感头过载能力大于200％，总精度不大于1％(包括线性、迟滞、重复)，响应频率不小于500Hz，最高工作温度为500℃，输出信号为RS485总线形式；变换器供电电压为±15V，工作电流小于20mA，数据传输速率大于100kb/s。

附图说明

图1是本实用新型所述高温薄膜绝压传感器中压力敏感头部分的结构示意图。

图2是本实用新型所述高温薄膜绝压传感器中变换器部分的结构示意图。

图3是本实用新型中变换器电路板的电路原理图。

图中各数字标记分别是：Ⅰ－压力敏感头，Ⅱ－变换器；1－压力接口座，2－阻尼器，3－敏感芯体，4－信号转接板，5－密封盖， 6－第一线卡，7－烧结端子，8－外壳，9－高温线缆，10－第二线卡，11－电路板，12－壳体，13－电连接器。

具体实施方式

参见附图，本实用新型所述的高温薄膜绝压传感器由压力敏感头Ⅰ和变换器Ⅱ组成，两者之间通过高温线缆9相连。压力敏感头Ⅰ具有一个带沉孔的压力接口座1，在压力接口座1的座面上方扣装有一个筒状外壳8形成腔体空间。压力接口座1的底部开有与沉孔相通的引压孔。在压力接口座1的沉孔内装有用于缓冲外部压力冲击并保护敏感芯体的阻尼器2，在阻尼器2上装有采用耐高温材料制成的用于感受外界压力的溅射薄膜式敏感芯体3，阻尼器2位于压力接口座1 和敏感芯体3之间，起到缓冲外界压力的作用，用于保护敏感芯体3。在压力接口座1与外壳8之间的腔体空间内设有烧结端子7和耐高温陶瓷制信号转接板4。信号转接板4焊接在烧结端子7内部，起到信号转接的功能，敏感芯体3的输出信号通过金丝转接至信号转接板4，具有导电性能好、耐高温的优点。烧结端子7使用高温玻璃将金属引针密封在金属壳体上，金属壳体使用4J29铁镍合金制成，该合金与玻璃具有相似的热胀系数，可保证可靠的密封性，烧结端子最高可承受1000℃高温。在真空环境下将密封盖5焊接在烧结端子7顶部，为薄膜芯体提供一个真空环境，从而实现对绝对压力的测量；烧结端子7一方面为敏感芯体3提供一个真空环境，另一方面实现信号的传递。在压力敏感头外壳上端壁上设有第一线卡6，信号转接板4的电压信号输出端依次通过烧结端子7和第一线卡6后与高温线缆9的一端连接。变换器Ⅱ具有一个外端带有电连接器13的中空壳体12，在壳体12内装有一块可将电压信号转换为数字信号并通过电连接器13 输出的电路板11，可对敏感芯体3输出的信号进行补偿、放大、采集、运算处理和发送，最终通过电连接器13输出RS485信号。高温线缆9的导线由最高可承受1000℃的镍丝制成，线长为3米，另一端经变换器壳体12侧壁上所设的第二线卡10连接至变换器Ⅱ的电路板11。

本实用新型中的压力敏感头Ⅰ基于薄膜应变式测量原理，敏感芯体3采用离子磁控溅射工艺制成，在不锈钢基体材料表面通过离子溅射方式镀制绝缘膜和应变丝栅，绝缘膜材料为高温SiO2，应变丝栅材料为镍，最高均可承受1000℃，溅射镀膜过程中靶材原子按照规定图形均匀沉积形成应变丝栅，丝栅电阻组成惠斯通电桥，电桥桥臂电阻材料一致性高，具有良好的稳定性和温度特性，输出精度更高、温度特性更好；应变丝栅、绝缘膜、基体材料原子紧密结合，对压力的感应更加灵敏，响应更加迅速、抗振动冲击能力更强。实际工作中，当外界压力发生变化时，敏感芯体3产生形变引起薄膜丝栅组成的惠斯通电桥发生变化，在恒压供电条件下输出毫伏电压信号，电压信号与外界压力成正比并经过高温线缆9进入变换器Ⅱ。变换器Ⅱ中的电路板电路如图3所示，它由电源电路、芯体补偿电路、数据转换电路、核心处理器(C8051F530A单片机)、存储电路(FM25640)、通信电路 (ADM2682)组成，其中数据转换电路又由仪表放大器(AD8221)和AD转换器(AD1210)组成，工作中首先使用精密电阻对敏感芯体的输出信号进行零点和灵敏度补偿，然后使用仪表放大器AD8221对补偿后的信号进行比例放大。放大后的信号通过AD1210进行模数转换，转换后的数字信号进入C8051F530A单片机。单片机从存储器FM25640中读取特性方程，对采集到的数字压力信号进行运算处理，并将运算结果发送至通信芯片ADM2682，最后以RS485总线形式输出。

本实用新型所述高温薄膜绝压传感器的压力接口可通过螺纹安装固定，操作方便。传感器的电气接口为变换器的电连接器，该电连接器属于标准接口，型号为J30J-9ZKP，可实现传感器的供电和信号输出功能。

采用本实用新型所述高温薄膜绝压传感器测量飞行器发动机燃烧室压力或高温设备内部压力的方法按以下步骤实现：

第一步，通过M2×1-6h螺纹接口安装固定压力敏感头，通过变换器壳体底部的安装孔固定变换器；

第二步，使用对应电连接器插头(型号为J30J-9TK)对接变换器插座，通过电连接器将传感器连接至系统数据采集装置，打开供电系统；

第三步，在空载情况下采集传感器的输出信号，采集到的数据即为传感器的零点(对应压力为0MPa)；

第四步，被测介质通过引压孔进入压力敏感头内腔，薄膜芯体产生形变后电桥输出毫伏电压信号，电压信号经过补偿、放大、AD转换、运算处理后最终输出RS485数字信号。数字信号通过电连接器传送至系统数据采集装置，系统按照规定协议读取数字信号获取压力值，该压力值即为被测介质的压力。

Claims (5)

1.一种高温型薄膜绝压传感器，其特征在于：包括通过高温线缆(9)连接的压力敏感头(Ⅰ)和变换器(Ⅱ)，所述的压力敏感头(Ⅰ)具有一个带沉孔的压力接口座(1)和一个扣装在压力接口座(1)上方的筒状外壳(8)，压力接口座(1)的底部开有与沉孔相通的引压孔，在压力接口座(1)的沉孔内装有阻尼器(2)，在阻尼器(2)上装有溅射薄膜式敏感芯体(3)，在压力接口座(1)与外壳(8)之间的腔体空间内设有与敏感芯体(3)压力信号端连接的陶瓷制信号转接板(4)，信号转接板(4)的电压信号输出端通过烧结端子(7)与高温线缆(9)的一端连接；所述的变换器(Ⅱ)具有一个外端带有电连接器(13)的中空壳体(12)，在壳体(12)内装有一块可将电压信号转换为数字信号并通过电连接器(13)输出的电路板(11)；高温线缆(9)的另一端连接至变换器(Ⅱ)的电路板(11)。

2.根据权利要求1所述的高温型薄膜绝压传感器，其特征在于：在压力敏感头外壳(8)上端壁和变换器壳体(12)侧壁上分别设有第一线卡(6)和第二线卡(10)，敏感芯体(3)产生的电压信号依次经第一线卡(6)、高温线缆(9)和第二线卡(10)进入变换器(Ⅱ)。

3.根据权利要求1或2所述的高温型薄膜绝压传感器，其特征在于：所述的高温线缆(9)为最高可承受1000℃的高温防火线缆。

4.根据权利要求1所述的高温型薄膜绝压传感器，其特征在于：所述的压力敏感头外壳(8)和变换器壳体(12)均采用4J29铁镍合金制成。

5.根据权利要求1所述的高温型薄膜绝压传感器，其特征在于：所述的敏感芯体(3)采用表面通过离子溅射方式镀制有绝缘膜和应变丝栅电阻的不锈钢基体制成，绝缘膜的材料为高温SiO2，应变丝栅电阻组成惠斯通电桥，其制作材料为镍。