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CN108267258A - 一种大过载高精度应变式压力传感器 - Google Patents

一种大过载高精度应变式压力传感器 Download PDF

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CN108267258A
CN108267258A CN201810146529.2A CN201810146529A CN108267258A CN 108267258 A CN108267258 A CN 108267258A CN 201810146529 A CN201810146529 A CN 201810146529A CN 108267258 A CN108267258 A CN 108267258A
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pressure sensor
compensation circuit
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徐中节
乔智霞
张爱文
王彩红
李辉
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Xian Aerospace Propulsion Institute
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Xian Aerospace Propulsion Institute
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Abstract

本发明涉及一种大过载高精度应变式压力传感器，以解决现有液氧煤油发动机常温管路的压力测量时，需满足大过载、耐振动、耐冲击以及复杂电磁环境条件下的高精度测量要求。其包括敏感元件、屏蔽组件、接管嘴、壳体、电缆、电连接器、硅橡胶和环氧胶；环氧胶、硅橡胶和敏感元件设置在壳体内；敏感元件包括弹性膜片、应变片和补偿电路印制板，弹性膜片的上表面设有上凹槽，下表面设有下凹槽，应变片粘贴在弹性膜片上凹槽底面，应变片引线连接至补偿电路印制板，补偿电路印制板与电缆连接，电缆依次穿过硅橡胶、环氧胶、屏蔽组件与电连接器连接；屏蔽组件设置在壳体与电缆连接处，包括电缆固定座、屏蔽层，接管嘴固定设置在壳体的一侧。

Description

一种大过载高精度应变式压力传感器
技术领域
本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种大过载高精度应变式压力传感器，可用于液氧煤油发动机常温管路在大过载、大冲击及复杂电磁环境下的压力测量，亦可应用于一般环境条件下的介质压力测量。
背景技术
传感器技术贯穿于液体火箭发动机研制的全过程，高精度、高稳定、高可靠性传感器是液体火箭发动机研制的重要保证条件。随着新一代液氧煤油发动机及重型发动机的研制，大推力及清洁推进剂的应用不仅使传感器的测量范围增大，工作环境条件更加恶劣，同时需传感器承受高低温、强振动、大冲击等恶劣条件；此外，为减小有效载荷，对发动机配套传感器提出了体积小、重量轻、低功耗的要求，因此液氧煤油发动机常温管路的压力测量需解决以下问题：①大过载问题，瞬时水击压力能够达到2～3倍额定压力；②耐振动、耐冲击问题，振动量级大于100Grms；③复杂电磁环境条件下的高精度测量问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有液氧煤油发动机常温管路的压力测量时，需满足大过载、耐振动、耐冲击以及复杂电磁环境条件下的高精度测量要求，提供一种大过载高精度应变式压力传感器。
本发明解决上述问题的技术方案是，
一种大过载高精度应变式压力传感器，包括敏感元件、屏蔽组件、接管嘴、壳体、电缆、电连接器、硅橡胶和环氧胶；所述环氧胶、硅橡胶和敏感元件依次设置在壳体内；所述敏感元件包括弹性膜片、应变片和补偿电路印制板，所述弹性膜片为变厚度膜片，弹性膜片的上表面设有上凹槽，下表面设有下凹槽，上凹槽底面为平面，下凹槽底面为圆滑过渡曲面，该曲面保证膜片中心的切向应变、边缘的径向应变均匀分布，组成惠斯顿全桥的应变片粘贴在弹性膜片上凹槽底面，应变片引线连接至补偿电路印制板，补偿电路印制板与电缆连接进行信号传递，所述电缆依次穿过硅橡胶、环氧胶、屏蔽组件与电连接器连接；所述屏蔽组件设置在壳体与电缆连接处，包括电缆固定座、屏蔽层；所述电缆固定座与壳体固定连接，所述屏蔽层的一端设置在电缆固定座内侧底部，另一端与电连接器固定连接，所述外壳和电缆固定座采用金属制作；所述接管嘴固定设置在壳体的一侧，并与弹性膜片固定连接，接管嘴中部设置有通孔。
进一步地，所述屏蔽组件与壳体、电连接器通过激光焊接方式连接为整体。
进一步地，所述屏蔽层的一端设置有外侧凸台，所述凸台的两端设置有压环，所述屏蔽层通过两个压环设置在电缆固定座内侧底部。
进一步地，所述接管嘴的外侧固定设置有外套螺母。
进一步地，所述弹性膜片材质为不锈钢。
进一步地，所述弹性膜片和补偿电路印制板通过螺钉固定连接。
进一步地，所述接管嘴通孔靠近弹性膜片的一侧设有锥形开口。
进一步地，所述电缆出线口采用硅胶管捆扎，电缆出线口采用硅胶管单独捆扎加固防止磨损。
本发明的有益效果为：
1.本发明传感器性能优良、可靠性高，解决了在大过载、强振动、复杂电磁环境条件下的压力测量问题；采用独特的变厚膜片设计，过载能力强，200％F·S过载性能不变，300％F·S过载不泄露；通过全金属屏蔽设计，增强了抗干扰能力。
2.本发明弹性膜片设计为变厚度膜片，膜片上表面为平面，用于应变片粘贴，下表面为圆滑过渡的曲面形态，保证膜片中心的切向应变、边缘的径向应变均匀分布，提高了测量精度；同时加厚了膜片边缘的厚度，避免应力集中，从而提高了传感器的过载能力。
3.本发明传感器的敏感元件和电连接器通过电缆连接，采用分体式结构，避免电连接器自身抗振能力不足引起电连接失效故障，能够增强传感器抗振动、冲击能力。
4.本发明传感器分体式设计与特有的加固技术，传感器抗振动、冲击能力强，耐振量级大于100Grms，不仅满足了新一代液氧煤油发动机的研制需求，且可推广至航空、航海、汽车等领域，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例大过载高精度应变式压力传感器结构图；
图2为本发明实施例敏感元件结构图；
图3为本发明膜片应变分布图；
图4为本发明实施例屏蔽组件结构图。
附图标记：1-敏感元件，2-屏蔽组件，3-接管嘴，4-外套螺母，5-壳体，6-电缆，7-电连接器，8-硅橡胶，9-环氧胶，11-弹性膜片，12-应变片，13-补偿电路印制板，21-电缆固定座，22-压环，23-屏蔽层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
如图1至图4所示的大过载高精度应变式压力传感器，包括敏感元件1、屏蔽组件2、接管嘴3、外套螺母4、壳体5、电缆6、电连接器7、硅橡胶8和环氧胶9；环氧胶9、硅橡胶8和敏感元件1依次设置在壳体5内部；敏感元件1包括弹性膜片11、应变片12和补偿电路印制板13，弹性膜片11为变厚度膜片，弹性膜片11的上表面设有上凹槽，下表面设有下凹槽，上凹槽底面为平面，下凹槽底面为圆滑过渡曲面，该曲面保证膜片中心的切向应变、边缘的径向应变均匀分布，组成惠斯顿全桥的应变片12粘贴在弹性膜片11上凹槽底面，弹性膜片11感受介质压力产生应变，感受应变后电阻值发生变化，从而实现对压力参数的测量，应变片12引线连接至补偿电路印制板13，补偿电路印制板13与电缆6连接进行信号传递，弹性膜片11和补偿电路印制板13通过螺钉固定连接，电缆6依次穿过硅橡胶8、环氧胶9、屏蔽组件2与电连接器7连接，实现电信号的传输；屏蔽组件2设置在壳体5与电缆6连接处，包括电缆固定座21、压环22、屏蔽层23，电缆固定座21与壳体5固定连接，屏蔽层23的一端设置有外侧凸台，凸台的两端设置有压环22，屏蔽层23通过两个压环22设置在电缆固定座21内侧底部，另一端与电连接器7固定连接；接管嘴3固定设置在壳体5的一侧，并与弹性膜片11固定连接，接管嘴3中间设置有通孔，接管嘴3通孔靠近弹性膜片11的一侧设有锥形开口，接管嘴3的外侧固定设置有外套螺母4。
电信号的连接为：敏感元件应变片12引线连接至补偿电路印制板13，电缆6两端分别连接补偿电路印制板13与电连接器7，实现电信号的输入和输出。
传感器外壳和电缆固定座21采用金属制作，屏蔽组件2与壳体5、电连接器7等通过激光焊接等方式连接为一个整体，将应变片12、补偿电路印制板13、电缆6等完全包裹，实现了360°全金属屏蔽。敏感元件1和电连接器7通过电缆6连接，采用分体式结构，避免电连接器7自身抗振能力不足引起电连接失效故障，能够增强传感器抗振动、冲击能力。
本发明大过载高精度应变式压力传感器的敏感元件1是传感器的核心，用于感受介质压力，并将压力信号转换为电压信号；应变片12引线焊点、补偿电路焊点等局部均采用硅橡胶8点胶加固，传感器整体采用环氧胶9灌封，电缆6出线口采用硅胶管单独捆扎加固防止磨损。
弹性膜片11材质为优质不锈钢，根据介质压力作用后的应力应变分布设计为变厚度膜片，膜片上表面为平面，用于应变片12粘贴，下表面为圆滑过渡的曲面形态，保证膜片中心的切向应变、边缘的径向应变均匀分布，提高了测量精度；同时加厚了膜片边缘的厚度，避免应力集中，从而提高了传感器的过载能力。补偿电路主要用于传感器的零点补偿，以及零点与灵敏度的温度补偿，保证传感器零点输出一致性，减小了在不同温度下的测量误差。
介质压力测量的基本原理为：组成惠斯顿全桥的应变片12粘贴在弹性膜片11表面，随着膜片受介质压力变形，应变电阻的敏感栅获得同样的变形，从而使其电阻发生变化；电阻的变化大小线性地正比于被测压力的大小，即电桥的输出信号正比于被测压力，从而实现对压力参数的测量。
本发明设计了独特的变厚膜片，过载能力达到普通膜片的2～3倍；采用了360°全金属屏蔽结构设计、分体式设计以及特有的加固技术，使传感器的抗干扰、耐振动与冲击能力满足要求。

Claims (8)

1.一种大过载高精度应变式压力传感器，其特征在于：包括敏感元件(1)、屏蔽组件(2)、接管嘴(3)、壳体(5)、电缆(6)、电连接器(7)、硅橡胶(8)和环氧胶(9)；
所述环氧胶(9)、硅橡胶(8)和敏感元件(1)依次设置在壳体(5)内；
所述敏感元件(1)包括弹性膜片(11)、应变片(12)和补偿电路印制板(13)，所述弹性膜片(11)为变厚度膜片，弹性膜片(11)的上表面设有上凹槽，下表面设有下凹槽，上凹槽底面为平面，下凹槽底面为圆滑过渡曲面，该曲面保证膜片中心的切向应变、边缘的径向应变均匀分布，组成惠斯顿全桥的应变片(12)粘贴在弹性膜片(11)上凹槽底面，应变片(12)引线连接至补偿电路印制板(13)，补偿电路印制板(13)与电缆(6)连接进行信号传递，所述电缆(6)依次穿过硅橡胶(8)、环氧胶(9)、屏蔽组件(2)与电连接器(7)连接；
所述屏蔽组件(2)设置在壳体(5)与电缆(6)连接处，包括电缆固定座(21)和屏蔽层(23)；所述电缆固定座(21)与壳体(5)固定连接，所述屏蔽层(23)的一端设置在电缆固定座(21)内侧底部，另一端与电连接器(7)固定连接，所述外壳和电缆固定座(21)采用金属制作；
所述接管嘴(3)固定设置在壳体(5)的一侧，并与弹性膜片(11)固定连接，接管嘴(3)中部设置有通孔。
2.根据权利要求1所述的大过载高精度应变式压力传感器，其特征在于：所述屏蔽组件(2)与壳体(5)、电连接器(7)通过激光焊接方式连接为整体。
3.根据权利要求2所述的大过载高精度应变式压力传感器，其特征在于：所述屏蔽层(23)的一端设置有外侧凸台，所述凸台的两端设置有压环(22)，所述屏蔽层(23)通过两个压环(22)设置在电缆固定座(21)内侧底部。
4.根据权利要求1或2或3所述的大过载高精度应变式压力传感器，其特征在于：所述接管嘴(3)的外侧固定设置有外套螺母(4)。
5.根据权利要求4所述的大过载高精度应变式压力传感器，其特征在于：所述弹性膜片(11)材质为不锈钢。
6.根据权利要求5所述的大过载高精度应变式压力传感器，其特征在于：所述弹性膜片(11)和补偿电路印制板(13)通过螺钉固定连接。
7.根据权利要求6所述的大过载高精度应变式压力传感器，其特征在于：所述接管嘴(3)通孔靠近弹性膜片(11)的一侧设有锥形开口。
8.根据权利要求7所述的大过载高精度应变式压力传感器，其特征在于：所述电缆(6)出线口采用硅胶管捆扎。
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