CN213600274U - 一种薄膜压力变送器、压力检测设备及工程机械 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种薄膜压力变送器、压力检测设备及工程机械，薄膜压力变送器的壳体内分别设有压力变送电路及薄膜压力传感器，薄膜压力传感器包括平膜片及其内侧表面上的第一感应单元，第一感应单元包括m条螺旋状多段电阻线，一侧的m/2条串联形成第二感应电阻R2、另一侧的m/2条串联形成第四感应电阻R4，壳体上设有与平膜片的外侧表面连通的检测孔。本实用新型能够充分利用平膜片的径向应变和切向应变，提高了薄膜压力传感器的检测灵敏度，螺旋状多段电阻线两侧发生的应变相差更小，不容易导致电阻丝扭曲，有利于螺旋状多段电阻线与平膜片保持长期稳定的结合，使用寿命更长、结构更加牢固可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及薄膜电阻应变压力传感器（简称薄膜压力传感器）的结构改进，具体涉及一种薄膜压力变送器、压力检测设备及工程机械。
背景技术
传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱，是提升智能制造、工业自动化水平的关键和核心技术之一。压力传感器是将被测的压力转换成与之对应的、易于精确处理的电量(如电流、电压等)输出的一种测量装置，已获得广泛的应用。压力传感器的工作过程一般是由弹性敏感元件首先把压力或压强变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量，最后将电信号进行调制成理想的信号输出。弹性元件和转换元件质量的优劣直接影响到传感器的性能及精度。电阻式压力传感器是把非电物理量压力转换成电阻变化的一种传感器，它是目前应用最为广泛的传感器之一。它具有结构简单、使用方便、适合动态和静态测量的独特优点。电阻应变压力传感器经历了以下三个阶段：丝式电阻应变压力传感器、箔式电阻应变压力传感器和薄膜电阻应变压力传感器。丝阻式应变压力传感器和箔式电阻应变压力传感器中转换元件与敏感元件结合不紧密，力学性能不好，容易出现迟滞、蠕变等现象，且稳定性不佳，逐渐被薄膜电阻应变压力传感器所取代。
薄膜电阻应变压力传感器（简称薄膜压力传感器）以性能优异的金属弹性衬底作为敏感元件，直接在衬底上溅射一层金属薄膜，然后通过光刻等技术制作成电阻，该电阻被用作转换元件。以薄膜电阻为转换元件的传感器，其转换原理是基于金属丝的电阻应变效应。所谓应变效应是指金属导体(电阻丝、薄膜电阻条等)在压力作用下发生形变（伸长或压缩），电阻值随变形而发生改变的一种物理现象。目前薄膜压力传感器包括平膜片和设于平膜片上呈薄膜状的感应电阻，但是感应电阻一般采用简单的直线走线，存在灵敏度不高的问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种薄膜压力传感器及其布局方法，本实用新型能够充分利用平膜片的径向应变和切向应变，提高了薄膜压力传感器的检测灵敏度，螺旋状多段电阻线两侧发生的应变相差更小，不容易导致电阻丝扭曲，有利于螺旋状多段电阻线与平膜片的保持长期稳定的结合，使用寿命更长、结构更加牢固可靠。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种薄膜压力变送器，包括壳体，所述壳体内分别设有压力变送电路以及薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器包括平膜片和设于平膜片内侧表面上呈薄膜状的第一感应单元，所述第一感应单元包括围绕平膜片的圆形形变区域的圆心O布置的m条螺旋状多段电阻线，且其中一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第二感应电阻R2、另一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第四感应电阻R4，m为4的倍数，所述壳体上设有与平膜片的外侧表面连通的检测孔。
可选地，所述螺旋状多段电阻线由多条直线型电阻线依次串联形成，相邻的两条直线型电阻线中远离圆心O侧的直线型电阻线相对X轴正方向的角度θ满足：
θ=arctan(Y y /Y x )
上式中，arctan为反正切函数，Y x 、Y y 分别为远离圆心O侧的直线型电阻线、靠近圆心O侧的直线型电阻线两者相交位置的径向应变Y j 、切向应变Y q 两者的合成矢量的x轴分量、y轴分量。
可选地，所述平膜片上还设有呈薄膜状的第二感应单元，所述第二感应单元包括围绕圆心O对称布置于第一感应单元外侧的第一感应电阻R1和第三感应电阻R3，第一感应电阻R1和第三感应电阻R3均包含延长线过圆心O的n条径向线，n条径向线之间串联连接，且第一感应电阻R1、第二感应电阻R2、第三感应电阻R3、第四感应电阻R4依次首尾相连形成惠斯顿电桥。
可选地，所述惠斯顿电桥中任意相邻两电阻之间引出焊盘，且四个焊盘分布在以圆心O为圆心的圆周上。
可选地，所述惠斯顿电桥中任意相邻两电阻之间设有引线桥，且两电阻通过引线桥与焊盘电连接。
可选地，所述惠斯顿电桥中任意电阻与引线桥相连的锐角或直角处设有平滑过渡圆弧。
可选地，所述平膜片为圆形，所述平膜片上设有与平膜片垂直布置的支撑管。
可选地，所述支撑管的外壁上设有沿径向凸出布置的定位环。
此外，本实用新型还提供一种压力检测设备，包括相互连接的检测电路和薄膜压力变送器，所述薄膜压力变送器为所述的薄膜压力变送器。
此外，本实用新型还提供一种工程机械，包括带有液压油箱和液压执行机构的工程机械本体，所述液压油箱和液压执行机构之间通过油管相连，所述油管上连接有压力检测设备，所述压力检测设备为所述的压力检测设备。
和现有技术相比，本实用新型具有下述优点：
1、本实用新型的第一感应单元包括围绕平膜片的圆形形变区域的圆心O布置的m条螺旋状多段电阻线，螺旋状多段电阻线采用螺旋状结构布置，其中一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第二感应电阻R2、另一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第四感应电阻R4，使得螺旋状多段电阻线的布局沿径向应变和切向应变的合成方向布线，在压力作用下电阻丝发生最大的正应变，从而能更有效提高第一感应单元的压力检测灵敏度。
2、本实用新型的第一感应单元包括围绕平膜片的圆形形变区域的圆心O布置的m条螺旋状多段电阻线，螺旋状多段电阻线采用螺旋状结构布置，该布局结构下，螺旋状多段电阻线两侧发生的应变相差更小，不容易导致电阻丝扭曲，有利于螺旋状多段电阻线与平膜片的保持长期稳定的结合，使用寿命更长、结构更加牢固可靠。
附图说明
图1为本实用新型实施例中薄膜压力传感器的剖视结构示意图。
图2为本实用新型实施例中第一感应单元的平面结构示意图。
图3为本实用新型实施例螺旋状多段电阻线中相邻的两条直线型电阻线的结构示意图。
图4为本实用新型实施例中含第一、二感应单元的薄膜压力传感器的立体结构图。
图5为本实用新型实施例中含第一、二感应单元的薄膜压力传感器的平面结构图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例提供一种薄膜压力变送器，包括壳体，壳体内分别设有压力变送电路以及薄膜压力传感器，薄膜压力传感器包括平膜片1和设于平膜片1上呈薄膜状的第一感应单元2，第一感应单元2包括围绕平膜片1的圆形形变区域的圆心O布置的m条螺旋状多段电阻线，且其中一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第二感应电阻R2、另一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第四感应电阻R4，m为4的倍数，壳体上设有与平膜片1的外侧表面连通的检测孔。参见图2，作为一种可选的实施方式，本实施例中m取值为12，12条螺旋状多段电阻线，且其中一侧的6条螺旋状多段电阻线串联形成第二感应电阻R2（其端子分别为R2_1和R2_2）、另一侧的6条螺旋状多段电阻线串联形成第四感应电阻R4（其端子分别为R4_1和R4_2）；此外m取值也可以选择为4的其他倍数。
参见图1，为了便于安装，平膜片1的四周设有周边固定支撑结构。参见图2，作为一种可选的实施方式，本实施例中m条螺旋状多段电阻线的螺旋方向为逆时针方向，此外也可以根据需要选择顺时针方向。
参见图3，作为一种可选的实施方式，螺旋状多段电阻线由多条直线型电阻线依次串联形成，相邻的两条直线型电阻线中远离圆心O侧的直线型电阻线相对X轴正方向的角度θ满足：
θ=arctan(Y y /Y x )（1）
上式中，arctan为反正切函数，Y x 、Y y 分别为远离圆心O侧的直线型电阻线、靠近圆心O侧的直线型电阻线两者相交位置（参见图3中的点Q）的径向应变Y j 、切向应变Y q 两者的合成矢量的x轴分量、y轴分量。通过上述结构，实现了根据弹性体膜片在压力作用下的力学特性，将薄膜电阻沿着弹性体膜片应变的合成方向布局，最大化利用了弹性体膜片的形变，提高了传感器灵敏度。参见图3，其中L1和L2为螺旋状多段电阻线中相邻的两条直线型电阻线，L1为靠近远离圆心O侧的直线型电阻线，L2为远离圆心O侧的直线型电阻线，则远离圆心O侧的直线型电阻线L2相对X轴正方向的角度θ如图3所示。通过该角度θ的设置，使得螺旋状多段电阻线的直线型电阻线两侧发生的应变相等，不会导致电阻丝扭曲，有利于电阻丝与基底保持长期稳定的结合。
需要说明的是，在将一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第二感应电阻R2、另一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第四感应电阻R4时，可以根据需要选择直线、弧线或者其他形式的走线相连。参见图2，作为一种可选的实施方式，为了提高薄膜压力传感器的检测灵敏度，并提高抗浪涌能力、动态信号感知能力，本实施例中相邻螺旋状多段电阻线之间通过过渡圆弧相连。为了便于分辨，记靠近圆心O侧的过渡圆弧为近心端过渡圆弧、远离圆心O侧的过渡圆弧为远心端过渡圆弧。
进一步地，作为一种可选的实施方式，为了提高薄膜压力传感器的检测灵敏度，本实施例中平膜片1上还设有呈薄膜状的第二感应单元3，如图4所示，第二感应单元3包括围绕圆心O对称布置于第一感应单元2外侧的第一感应电阻R1和第三感应电阻R3，第一感应电阻R1和第三感应电阻R3均包含延长线过圆心O的n条径向线，n条径向线之间串联连接，且第一感应电阻R1、第二感应电阻R2、第三感应电阻R3、第四感应电阻R4依次首尾相连形成惠斯顿电桥。由于第一感应电阻R1和第三感应电阻R3对称布置于第一感应单元2外侧且包含延长线过圆心O的n条径向线，在压力作用下，电阻丝发生负的径向应变和正的切向应变，两种应变都使得电阻值变小。第一感应单元2的第二感应电阻R2、第四感应电阻R4布局于内侧，沿径向应变和切向应变的合成方向布线，在压力作用下电阻丝发生最大的正应变。该布局情况下，电阻丝两侧发生的应变相等，不会导致电阻丝扭曲，有利于电阻丝与平膜片1的保持长期稳定的结合。
参见图4和图5，作为一种可选的实施方式，为了提高薄膜压力传感器的检测灵敏度，并提高抗浪涌能力、动态信号感知能力，本实施例中n条径向线之间通过过渡圆弧相连。为了便于分辨，记靠近圆心O侧的过渡圆弧为内侧圆弧线、远离圆心O侧的过渡圆弧为外侧圆弧线。
参见图4和图5，为了便于布线，惠斯顿电桥中任意相邻两电阻之间引出焊盘3，且四个焊盘3分布在以圆心O为圆心的圆周上，可提高薄膜压力传感器的检测灵敏度。
参见图4和图5，作为一种可选的实施方式，惠斯顿电桥中任意相邻两电阻之间设有引线桥4，且两电阻通过引线桥4与焊盘3电连接。
参见图4和图5，作为一种可选的实施方式，为了提高薄膜压力传感器的检测灵敏度，并提高抗浪涌能力、动态信号感知能力，本实施例中惠斯顿电桥中任意电阻与引线桥相连的锐角或直角处设有平滑过渡圆弧5。
对于第一感应电阻R1、第二感应电阻R2、第三感应电阻R3、第四感应电阻R4而言，其整体基本上均为等宽、等厚的薄膜电阻结构，其仅仅在与引线桥的连接处因平滑过渡段导致局部线宽发生变化。
平膜片1的圆形形变区域的径向应变ε r 的计算函数表达式如下式所示：
ε r =3p(1-μ 2)(R-3r 2)/(8Eh 2)（2）
上式中，p为形变区域内部某目标位置的压强，μ为平膜片1采用弹性材料的泊松比，R为圆形形变区域的半径，r为形变区域内部某目标位置相对于圆心O的半径，E为弹性模量，h为平膜片1的厚度。根据式（2），可计算出平膜片1径向应变的临界线，该临界线满足：
R 2-3r 2 = 0（3）
根据上述约束条件，可得到临界线为一个半径为：
的圆。本实施例中，本实施例中第一感应电阻R1、第三感应电阻R3布局于临界线外侧，第二感应电阻R2、第四感应电阻R4布局于临界线内侧，且第一感应电阻R1、第三感应电阻R3以X轴对称分布。
本实施例中，平膜片1为圆形，确保受力形变均匀稳定。平膜片1上设有与平膜片1垂直布置的支撑管11，从而便于集成安装在薄膜压力变送器的壳体内。
本实施例中，支撑管11的外壁上设有沿径向凸出布置的定位环12，集成安装在薄膜压力变送器的壳体内时能够确保壳体上设有与平膜片1的外侧表面连通的检测孔、压力变送电路之间的密封和隔离，确保产品的可靠性。
本实施例中，平膜片1上设有与平膜片1垂直布置的支撑管，以便于安装和固定。
此外，本实施例还提供一种压力检测设备，包括相互连接的检测电路和薄膜压力变送器，薄膜压力变送器为的薄膜压力变送器。
此外，本实施例还提供一种工程机械，包括带有液压油箱和液压执行机构的工程机械本体，液压油箱和液压执行机构之间通过油管相连，油管上连接有压力检测设备，压力检测设备为的压力检测设备。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜压力变送器，其特征在于，包括壳体，所述壳体内分别设有压力变送电路以及薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器包括平膜片（1）和设于平膜片（1）内侧表面上呈薄膜状的第一感应单元（2），所述第一感应单元（2）包括围绕平膜片（1）的圆形形变区域的圆心O布置的m条螺旋状多段电阻线，且其中一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第二感应电阻R2、另一侧的m/2条螺旋状多段电阻线串联形成第四感应电阻R4，m为4的倍数，所述壳体上设有与平膜片（1）的外侧表面连通的检测孔。
2.根据权利要求1所述的薄膜压力变送器，其特征在于，所述螺旋状多段电阻线由多条直线型电阻线依次串联形成，相邻的两条直线型电阻线中远离圆心O侧的直线型电阻线相对X轴正方向的角度θ满足：
θ=arctan(Y y /Y x )
上式中，arctan为反正切函数，Y x 、Y y 分别为远离圆心O侧的直线型电阻线、靠近圆心O侧的直线型电阻线两者相交位置的径向应变Y j 、切向应变Y q 两者的合成矢量的x轴分量、y轴分量。
3.根据权利要求2所述的薄膜压力变送器，其特征在于，所述平膜片（1）上还设有呈薄膜状的第二感应单元，所述第二感应单元包括围绕圆心O对称布置于第一感应单元外侧的第一感应电阻R1和第三感应电阻R3，第一感应电阻R1和第三感应电阻R3均包含延长线过圆心O的n条径向线，n条径向线之间串联连接，且第一感应电阻R1、第二感应电阻R2、第三感应电阻R3、第四感应电阻R4依次首尾相连形成惠斯顿电桥。
4.根据权利要求3所述的薄膜压力变送器，其特征在于，所述惠斯顿电桥中任意相邻两电阻之间引出焊盘（3），且四个焊盘（3）分布在以圆心O为圆心的圆周上。
5.根据权利要求4所述的薄膜压力变送器，其特征在于，所述惠斯顿电桥中任意相邻两电阻之间设有引线桥（4），且两电阻通过引线桥（4）与焊盘（3）电连接。
6.根据权利要求5所述的薄膜压力变送器，其特征在于，所述惠斯顿电桥中任意电阻与引线桥相连的锐角或直角处设有平滑过渡圆弧（5）。
7.根据权利要求1所述的薄膜压力变送器，其特征在于，所述平膜片（1）为圆形，所述平膜片（1）上设有与平膜片（1）垂直布置的支撑管（11）。
8.根据权利要求7所述的薄膜压力变送器，其特征在于，所述支撑管（11）的外壁上设有沿径向凸出布置的定位环（12）。
9.一种压力检测设备，包括相互连接的检测电路和薄膜压力变送器，其特征在于，所述薄膜压力变送器为权利要求1～8中任意一项所述的薄膜压力变送器。
10.一种工程机械，包括带有液压油箱和液压执行机构的工程机械本体，所述液压油箱和液压执行机构之间通过油管相连，所述油管上连接有压力检测设备，其特征在于，所述压力检测设备为权利要求9所述的压力检测设备。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022924577.5U CN213600274U (zh) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 一种薄膜压力变送器、压力检测设备及工程机械 |
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| CN202022924577.5U CN213600274U (zh) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 一种薄膜压力变送器、压力检测设备及工程机械 |
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| CN202022924577.5U Active CN213600274U (zh) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | 一种薄膜压力变送器、压力检测设备及工程机械 |
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| CN (1) | CN213600274U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022121099A1 (zh) * | 2020-12-09 | 2022-06-16 | 湖南启泰传感科技有限公司 | 一种薄膜压力传感器及其布局方法 |
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2020
- 2020-12-09 CN CN202022924577.5U patent/CN213600274U/zh active Active
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| WO2022121099A1 (zh) * | 2020-12-09 | 2022-06-16 | 湖南启泰传感科技有限公司 | 一种薄膜压力传感器及其布局方法 |
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