CN2748889Y

CN2748889Y - 石英谐振压力传感器

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Publication number: CN2748889Y
Application number: CN 200420095515
Authority: CN
Inventors: 王武立
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2014-11-23

Abstract

本实用新型涉及一种以石英晶体为敏感元件的谐振式压力传感器。本实用新型的技术方案是：一种石英谐振压力传感器，包括壳体、底座、力传递体、两个压电石英谐振器做成的敏感元件以及分别与两所述敏感元件相连的两对电极、环形金属薄膜；所述壳体、底座以及环形金属薄膜形成的带有介质入口的压力腔以及一个封闭腔体；两个所述敏感元件和所述力传递体被设置于所述封闭腔体中，所述力传递体与所述环形金属薄膜的膜心相接触，所述力传递体与所述底座相连；两所述敏感元件位于所述底座和所述力传递体之间。由于本实用新型采用了通过配对获取力敏角度特性相同的两石英晶片作为敏感元件，在受到相反方向作用力的时候，会产生相反的、等值的频率改变，形成共模差动输出信号，提高了传感器的测量精度。

Description

石英谐振压力传感器

技术领域

本实用新型属于测量仪器技术领域，涉及一种压力传感器，特别是一种以石英晶体为敏感元件的谐振式压力传感器。

现有技术

现在世界各国广泛应用的传感器，绝大多数都是以电压和电流(模拟量)信号输出。这些传感器自身不适合于数字控制系统。因而在传感器和控制电路之间需增加A/D变换器。这不仅降低了系统的可靠性和响应速度，而且增加了成本。考虑到现代信息产业三大支柱：传感器技术、通信技术和计算机技术对数字化的要求，研制具有数字量输出的传感器，适应以微处理器为中心的数字控制系统是许多技术领域的共同要求。基于谐振技术的谐振式传感器，自身为周期信号输出，只用简单的数字电路即可转换为微处理器容易接受的信号。现在很多国内外的大学和研究机构都在努力研究它的应用前景，我国曾将其列入“九五”国家重点科技攻关计划。

在国外，研究压电谐振式压力传感器的历史比较长，正如清华大学申请号为00228913.X的专利文献描述的一样，这些压力传感器都是依靠器件的微位移或微变形的原理获取信号测量压力，如膜盒式和扩散硅式压力传感器，这类传感器的精度主要依靠工艺和材料保证。一直以来，清华大学研究石英谐振传感器的主要方向是集中力传感器，经过多年的研究，申请了一系列关于力传感器的发明和实用新型专利，有些已经转化为产品。近年清华大学也有涉及压电谐振式压力传感器的研究，也申请了专利；如上文提到的申请号为00228913.X、申请日为2000年7月21日、名称为无位移及变形器件的压力、差压传感器的专利；主要原理是将压力腔内的介质力通过与环形金属薄膜片相连的刚性圆板上的球面或圆锥面触头传递给压电谐振力传感器，以实现对压力腔内的介质力的测量。该专利通过刚性杠杆机构将压力腔内的介质面积压力转化为作用于压电晶体上的集中力，解决了过去一直采用的微位移或微变形稳定性和精度难以保证的问题，但结构相对复杂，组成部件多、误差环节多、装配困难，同时由于其利用了力传递转换机构导致了迟滞、蠕动等问题，不利于测量精度。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、能够高精度地测试表压、绝压和差压的石英谐振压力传感器。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：一种石英谐振压力传感器，包括壳体、底座、力传递体、两个压电石英谐振器做成的敏感元件以及分别与两所述敏感元件相连的两对电极、环形金属薄膜；所述壳体、底座以及环形金属薄膜形成的带有介质入口的压力腔以及一个封闭腔体；其特征在于，两个所述敏感元件和所述力传递体被设置于所述封闭腔体中，所述力传递体与所述环形金属薄膜的膜心相接触，所述力传递体与所述底座相连；两所述敏感元件位于所述底座和所述力传递体之间。

所述环形金属薄膜片有二片，形成两个压力腔；所述力传递体呈T形，所述T形力传递体的竖柱与所述底座相连，两个所述敏感元件位于所述底座和所述T形力传递体的横柱之间，对称地分列于所述T形力传递体的竖柱两侧；所述T形力传递体的横柱的两端面分别紧贴两片所述环形金属薄膜的膜心。

所述环形金属薄膜片只有一片，只形成一个单压力腔；所述力传递体呈T形，所述T形力传递体的竖柱与所述底座相连，两个所述敏感元件位于所述底座和所述T形力传递体的横柱之间，对称地分列于所述T形力传递体的竖柱两侧；在所述力传递体的横柱的一端，垂直于所述横柱长出一凸块，所述凸块与所述竖柱在所述横柱的相异侧；所述T形力传递体的横柱大致平行于所述环形金属薄膜；所述凸块的顶端紧贴所述环形金属薄膜的膜心。

所述力传递体的横柱另一端与所述壳体内壁面接触。

所述T形力传递体的竖柱是一挠性梁。

所述敏感元件对称的分列于所述T形力传递体的竖柱两侧。

两所述敏感元件具有相同的力敏角度特性，两所述敏感元件受到的作用力方向相反。

在非工作状态下，两所述敏感元件均处于预紧状态。

两所述敏感元件是通过配对后获取的。

所述力传递体是质量可以忽略的刚性轻质体。

由于本实用新型采用了通过配对获取力敏角度特性相同的两石英晶片作为敏感元件，在受到相反方向作用力的时候，会产生相反的、等值的频率改变，形成共模差动输出信号，不仅使频率变化量放大了一倍，而且很好的解决了零点漂移、线性不好或其他干扰因素引起的误差，提高了传感器的测量精度。同时，本实用新型具有结构巧妙、简单、组成部件少、误差环节少、装配简单的特点，也能提高了传感器的测量精度。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构图；

图2为本实用新型实施例二的结构图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，为本实用新型实施例一的结构图。一种石英谐振差压压力传感器，包括壳体1、底座2、力传递体3、两个压电石英谐振器做成的敏感元件4以及分别与两所述敏感元件4相连的两对电极5、两片环形金属薄膜片6。所述壳体1、所述底座2以及两片所述环形金属薄膜6形成两个压力腔11、12以及一个封闭腔体13。两个所述压力腔具有介质入口。两个所述敏感元件4和所述力传递体3被设置于所述封闭腔体13中，两个所述敏感元件4借助于垫块和支架固定于所述底座2和所述力传递体3之间，为了便于安装和固定两所述敏感元件4，可以在所述垫块和所述力传递体3上设置型槽；所述型槽可以是梯形、三角形、矩形等；也可以不设置所述垫块和所述支架，直接在所述底座2上设置型槽来安装所述敏感元件；在非工作状态下，两所述敏感元件均处于预紧状态。两对电极5穿过所述底座2伸出所述封闭腔体13外；所述封闭腔体13内被抽成真空或充满惰性气体。所述环形金属薄膜6是一由多个同心圆组成的呈波浪状的薄膜。

两所述敏感元件4是通过配对获取的，具有相同的力敏角度特性、温度变化特性和固有频率等；如可以同是采用AT切型圆片型石英晶片，受力方向是石英晶片的X轴方向，当然也可以是其他的切型和受力方向。

所述底座2呈板状；所述壳体1的轴向截面呈U形；所述力传递体3呈T形，是质量可以忽略的刚性轻质体。所述T形力传递体3的竖柱31与所述底座2相连，两个所述敏感元件4借助于垫块和支架固定于所述底座2和所述T形力传递体3的横柱32之间，平行、对称地分列于所述T形力传递体3的竖柱31两侧。所述T形力传递体3的竖柱31是一挠性梁，所述挠性梁竖柱31的节点为311。所述T形力传递体3的横柱32大致垂直于所述环形金属薄膜6；所述T形力传递体3的横柱32的两端面分别紧贴两片所述环形金属薄膜6的膜心61。当然，也可是所述壳体1呈板状；所述底座2的轴向截面呈U形；

当该传感器处于工作状态时，因为在两个所述压力腔11、12内的压力不等，通过所述膜心61转化成加在所述T形力传递体横柱32两端的集中力F1、F2，集中力F1、F2会使所述T形力传递体3绕其竖柱31上的所述节点311，有与F1、F2合力方向相同的运动，从宏观上看其实只是一种趋势。这样两个所述敏感元件4就会受到方向相反的作用力；一个就会受到指向所述底座2的压力被压缩，另一个受到背离所述底座2的拉力而伸展。这样就可以通过加在两所述敏感元件4上的电路测出两所述敏感元件4的频率差，再通过相关的计算方法得出被测介质的压力差。因为两所述敏感元件具有相同的力频特性，在受到相反方向等值作用力的时候，会产生相反的、等值的频率改变，形成共模差动输出信号，不仅使频率变化量放大了一倍，而且很好的解决了零点漂移、线性不好或其他干扰因素引起的误差，提高了传感器的测量精度。虽所述力传递体3为质量可忽略的刚性轻质体，但或多或少会受到重力场的影响，因此为了提高测量精度，在工作状态下，所述T形力传递体3所受的介质压力通过所述环形金属薄膜的膜心61转化而成的集中力之合力与所述力传递体3自身所受的重力应相互垂直。

根据所述挠性梁竖柱31的节点311距离所述底座2的远近的不同，以及所述挠性梁竖柱31的节点311处的壁厚不同，可以调整传感器的灵敏度和量程。

实施例二

如图2所示，为本实用新型实施例二的结构图。本实施例为一种石英谐振表压或绝压压力传感器；本实施例与第一实施例的区别在于，在本实施例中，所述环形金属薄膜6只有一片，所述壳体1、所述底座2以及所述环形金属薄膜6只形成一个压力腔11以及一个封闭腔体13。所述力传递体3也大致呈T形，只不过在所述力传递体3的横柱32的一端，垂直于所述横柱32长出一凸块321，所述凸块321与所述竖柱31在所述横柱32的相异侧。有所述凸块321的横柱32的一端到所述竖柱31的距离较横柱32的另一端到所述竖柱31的距离大。所述T形力传递体3的横柱32大致平行于所述环形金属薄膜6；所述凸块321的顶端紧贴所述环形金属薄膜6的膜心61。所述力传递体3的横柱32另一端与所述壳体内壁面接触。

同样，当该传感器处于工作状态时，在所述压力腔11内的介质压力通过所述膜心61转化成加在所述T形力传递体横柱32一端的所述凸块321顶端的集中力F1，集中力F1会使所述T形力传递体3绕其竖柱31上的所述节点311，有与集中力F1方向相同的运动，即，使所述横柱32受力端沿背离所述环形金属薄膜6的方向运动，非受力端沿指向所述环形金属薄膜6的方向运动，从宏观上看其实只是一种趋势。因有所述凸块321的横柱32的一端到所述竖柱31的距离较横柱32的另一端到所述竖柱31的距离大，形成了一不等臂杠杆，从而使所述集中力F1得到了放大，便于测量。虽所述力传递体3为质量可忽略的刚性轻质体，但或多或少会受到重力场的影响，因此为了提高测量精度，在工作状态下，所述力传递体3的横柱32应当处于竖直状态；这样，由于所述力传递体3的横柱32另一端与所述壳体内壁面接触，避免了所述力传递体3受重力场的影响，使所述力传递体3只受一个方向的力，保证了传感器的测量精度；此时，所述T形力传递体3所受的介质压力通过所述环形金属薄膜的膜心61转化而成的集中力与所述力传递体3自身所受的重力相互垂直。

这样两个所述敏感元件4就会受到方向相反的作用力：一个就会受到指向所述底座2的压力被压缩，另一个受到背离所述底座2的拉力而伸展。这样就可以通过加在两所述敏感元件4上的电路测出两所述敏感元件4的频率差，再通过相关的计算方法得出被测介质的压力。

在本实施例中，如果所述封闭腔体13被抽成真空，则所测量的压力称为绝压；如果所述封闭腔体13与大气相通，则所测量的压力称为表压。

除了以上实施例外，本实用新型还可以有其他的等同的变形体；根据以上实施例如果本领域的技术人员作出了显而易见的改变或改进，都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

另外，本实用新型采用两均用来感受被测介质压力的敏感元件解决了现有技术中如下精度低的问题：一、以单个石英晶片作为敏感元件的传感器不能解决由石英晶片本身及传感器结构所产生的迟滞、零点漂移的问题，因此精度低；二、虽然有的采用双石英晶片作为敏感元件，但是仅其中一个用来感受被测力，另外一个参考谐振器，虽然解决了因温度变化所引起的零点漂移，但仍然无法解决传感器线性不好的问题，因而仍不能实现对被测参数的高精度测量。

本实用新型结构简单巧妙、组成部件少、装配简单、误差环节少、精度高，可以广泛应用于工业自动化、环保、航空航天、汽车工业、化工、医疗、大气和海洋测量等国民经济各个领域和国防工业中。

Claims

1、一种石英谐振压力传感器，包括壳体、底座、力传递体、两个压电石英谐振器做成的敏感元件以及分别与两所述敏感元件相连的两对电极、环形金属薄膜；所述壳体、底座以及环形金属薄膜形成的带有介质入口的压力腔以及一个封闭腔体；其特征在于，两个所述敏感元件和所述力传递体被设置于所述封闭腔体中，所述力传递体与所述环形金属薄膜的膜心相接触，所述力传递体与所述底座相连；两所述敏感元件位于所述底座和所述力传递体之间。

2、根据权利要求1所述的石英谐振压力传感器，其特征在于，所述环形金属薄膜片有二片，形成两个压力腔；所述力传递体呈T形，所述T形力传递体的竖柱与所述底座相连，两个所述敏感元件位于所述底座和所述T形力传递体的横柱之间，对称地分列于所述T形力传递体的竖柱两侧；所述T形力传递体的横柱的两端分别紧贴两片所述环形金属薄膜的膜心。

3、根据权利要求1所述的石英谐振压力传感器，其特征在于，所述环形金属薄膜片只有一片，只形成一个单压力腔；所述力传递体呈T形，所述T形力传递体的竖柱与所述底座相连，两个所述敏感元件位于所述底座和所述T形力传递体的横柱之间，对称地分列于所述T形力传递体的竖柱两侧；在所述力传递体的横柱的一端，垂直于所述横柱长出一凸块，所述凸块与所述竖柱在所述横柱的相异侧；所述T形力传递体的横柱大致平行于所述环形金属薄膜；所述凸块的顶端紧贴所述环形金属薄膜的膜心。

4、根据权利要求3所述的石英谐振压力传感器，其特征在于，所述力传递体的横柱另一端与所述壳体内壁面接触。

5、根据权利要求2或3所述的石英谐振压力传感器，其特征在于，所述T形力传递体的竖柱是一挠性梁，根据所述挠性梁竖柱的节点距离所述底座的远近的不同，以及所述挠性梁竖柱的节点处的壁厚不同，可以调整传感器的灵敏度和量程。

6、根据权利要求1或2或3所述的石英谐振压力传感器，其特征在于，两所述敏感元件是通过配对后获取的石英晶片。