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CN112504541B - 一种压电式压力传感器 - Google Patents

一种压电式压力传感器 Download PDF

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CN112504541B CN202011340276.6A CN202011340276A CN112504541B CN 112504541 B CN112504541 B CN 112504541B CN 202011340276 A CN202011340276 A CN 202011340276A CN 112504541 B CN112504541 B CN 112504541B
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diaphragm
piezoelectric
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Jiangsu Weizhe New Material Co ltd
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Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体的说是一种压电式压力传感器，包括壳体、弹性膜片、压电元件和转环，所述壳体上端内壁中开设有凹槽，所述凹槽内固连有弹性膜片；所述弹性膜片下方设有压电元件，所述压电元件下表面连接有信号线；所述壳体下端设有绝缘套环；所述壳体上表面开设有环形槽，所述环形槽内转动连接有转环；所述转环上端外表面固连有均匀布置的叶片，所述叶片均倾斜设计；所述壳体内壁于弹性膜片上方开设有环形设计的滑槽，所述转环下端内壁固连有均匀布置的软杆，所述软杆一端伸出滑槽设计，所述软杆表面固连有均匀布置的刷毛；本发明可对弹性膜片表面进行刷洗，减少弹性膜片表面附着的沉淀物，提高传感器的测量精度和使用寿命。

Description

一种压电式压力传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体的说是一种压电式压力传感器。
背景技术
传感器是一种能够感受被测变化信息，并按照一定规律将变化信息转化为所需形式输出信号的器件或装置，其中压力传感器是最常见的一种。压电式压力传感器大多是利用正压电效应制成的。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
基于压电效应的压力传感器，它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是结构简单、体积小、动态特性好，因而在工业生产中得到广泛应用。
压电式压力传感器也可应用于液压系统中，便于满足自动化系统集中检测与控制的要求，保证液压系统的正常工作。但在液压循环系统中，由于液压油中含有的异物杂质较多，容易造成膜片表面附着大量沉淀物，随着使用时间的增长腐蚀膜片，影响压电式压力传感器的测量精度和使用寿命；同时，压力传感器在液压系统中还要承受来自液压泵不间断的压力脉动，其液压系统的压力和流量变化范围很大，使得传感器的密封性降低，传感器内部压电元件受潮失效。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决由于液压油中含有的异物杂质较多，容易造成膜片表面附着大量沉淀物，随着使用时间的增长腐蚀膜片，影响压电式压力传感器的测量精度和使用寿命；同时，压力传感器在液压系统中还要承受来自液压泵不间断的压力脉动，其液压系统的压力和流量变化范围很大，使得传感器的密封性降低，传感器内部压电元件受潮失效的问题，本发明提出的一种压电式压力传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种压电式压力传感器，包括壳体、弹性膜片、压电元件和转环，所述壳体为凸台形结构设计，所述壳体内部为中空结构，所述壳体上端内壁中开设有凹槽，所述凹槽内固连有弹性膜片；所述弹性膜片下方设有压电元件，所述压电元件下表面连接有信号线；所述壳体下端设有绝缘套环，所述绝缘套环用于起绝缘保护作用；所述壳体上表面开设有环形槽，所述环形槽内转动连接有转环；所述转环上端外表面固连有均匀布置的叶片，所述叶片均倾斜设计，且叶片倾斜方向与液压油流动方向相反，实现液压油流动时推动叶片转动；所述壳体内壁于弹性膜片上方开设有环形设计的滑槽，所述转环下端内壁固连有均匀布置的软杆，所述软杆一端伸出滑槽设计，所述软杆表面固连有均匀布置的刷毛；所述转环下表面和环形槽内壁之间设有均匀布置的滚珠；工作时，液压系统中的液压油挤压弹性膜片变形，弹性膜片与压电元件接触将受到的压力传递给压电元件，再通过压电元件将压力转变为电信号；同时液压系统的压力和流量变化范围很大，液压油在液压泵作用下快速流动并推动叶片运动，叶片运动带动转环转动，转环底部的滚珠可减小转环与壳体的摩擦阻力，使得转环转动地更加流畅，提高装置的工作效率；转环转动时又带动软杆转动，且软杆在液压油挤压下会与弹性膜片表面接触，进而使得软杆转动时带动刷毛对弹性膜片表面进行刷洗，减少弹性膜片表面附着的沉淀物，防止液压系统工作时，由于液压油中含有大量机器运转过程中产生的磨屑和其他杂质，使得弹性膜片随着使用时间的增长易被腐蚀，进而影响压电式压力传感器的测量精度和使用寿命。
优选的，所述软杆远离转环的一端内部设有第一空腔，所述软杆远离转环的一端外表面开设有均匀布置的微孔，所述微孔向靠近弹性膜片中轴线的方向倾斜，所述微孔与第一空腔内部连通；工作时，由于转环上固连有多个均匀布置的软杆，软杆转动时难以对弹性膜片中心处进行清理，使得弹性膜片中心处成为清理死角，通过设置第一空腔和微孔，液压油流动时会间歇性挤压软杆内的第一空腔，当液压油向下挤压第一空腔时，第一空腔内部空间减小，压强增大，压缩第一空腔内液体喷出对弹性膜片中心处进行冲洗，且微孔向靠近弹性膜片中轴线的方向倾斜可提高液体从微孔喷出时的流速，有效提高对弹性膜片的清理效果，减少清理死角的产生；当时液压油不挤压第一空腔使得第一空腔膨胀时，第一空腔内部空间增大，压强减小，第一空腔吸收弹性膜片上方液压油并恢复至初始状态；重复运动，通过软杆不断吸液和喷液可有效提高对弹性膜片中心处的清理效果，增强弹性膜片的自清理效果，进一步减少沉淀物对弹性膜片的腐蚀破坏，从而提高弹性膜片的使用寿命。
优选的，所述弹性膜片的上表面为由周圈向中心凹陷的曲面设计；工作时，由于软杆在弹性膜片的中心处不断吸液和喷液，使得液压油对弹性膜片中心处的作用效果减弱，通过将弹性膜片的上表面设为曲面，保证液压油挤压弹性膜片不同部位时，液压油对弹性膜片的作用力始终向下，防止压力向其他方向分散，减小力的损失，使得应力集中，提高压力对弹性膜片的作用效果。
优选的，所述弹性膜片上端于远离弹性膜片中轴线的位置开设有均匀布置的第二空腔，所述第二空腔截面为弧形设计；所述弹性膜片嵌入凹槽的部分于内部设有环形设计的气囊，所述第二空腔通过气道与气囊连通；工作时，液压油挤压弹性膜片上表面，使得第二空腔受到挤压，第二空腔内部空间减小，压强增大，压缩第二空腔内部气体通过气道进入气囊，气囊内部气体增加使得气囊膨胀，进而使得弹性膜片嵌入凹槽的部分膨胀并紧贴凹槽内壁，提高弹性膜片与壳体之间的密封性，防止液压油泄露进入弹性膜片下方空间，造成压电元件和其他结构受潮失效，从而提高装置的使用安全性和使用寿命。
优选的，所述弹性膜片上表面和壳体内壁之间固连有环形设计的隔膜；工作时，当液压油进入弹性膜片上方空间并挤压弹性膜片时，隔膜同时受到液压油施加的向下的挤压力，使得隔膜压缩变形紧贴弹性膜片的上表面和壳体内壁，从而实现弹性膜片上方空间和下方空间的互不连通，进一步提高弹性膜片和壳体之间的密封性，防止由于液压系统的压力和流量变化范围很大，使得传感器的密封性降低，传感器内部压电元件受潮失效降低装置的使用寿命，保证装置的正常运行。
优选的，所述压电元件由多个石英晶片叠放组成；所述压电元件外部设有固定套，所述固定套固连在壳体内部，所述固定套由刚度大的材料制成，所述固定套对压电元件起固定预紧作用；工作时，随着工作时间的增加，液压系统内部由于机器运转摩擦产生大量热量，液压油温度升高易使压电元件失效，而石英晶片具有较好的耐高温性能，是制造高温传感器的理想压电材料，通过合适的切割方法切割石英晶片制成传感器可有效提高压电式传感器的耐高温性能和使用范围，并通过设置多片石英晶片提高传感器的灵敏度；同时设置固定套对压电元件起固定预紧作用，防止压电元件受力较大发生滑移；同时由于液压系统中的压力和流量变化范围很大，采用刚度大的材料制成固定套，可有效隔离其他元件的应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，提高压电式传感器的精确度。
本发明的有益效果如下：
1.本发明所述的一种压电式压力传感器，通过设置转环，使得液压油快速流动时推动叶片运动，叶片运动带动转环转动，转环又带动软杆转动，且软杆在液压油挤压下与弹性膜片表面接触，进而使得软杆转动时带动刷毛对弹性膜片表面进行刷洗，减少弹性膜片表面附着的沉淀物，防止液压系统工作时，由于液压油中含有大量机器运转过程中产生的磨屑和其他杂质，使得弹性膜片随着使用时间的增长易被腐蚀，进而影响压电式压力传感器的测量精度和使用寿命。
2.本发明所述的一种压电式压力传感器，通过设置第二空腔和气囊，使得第二空腔受到挤压时，第二空腔内部空间减小，压强增大，压缩第二空腔内部气体通过气道进入气囊，气囊内部气体增加使得气囊膨胀，进而使得弹性膜片嵌入凹槽的部分膨胀并紧贴凹槽内壁，提高弹性膜片与壳体之间的密封性，防止液压油泄露进入弹性膜片下方空间，造成压电元件和其他结构受潮失效，从而提高装置的使用安全性和使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的立体图；
图2是本发明的剖视图；
图3是图2中A处局部放大图；
图4是图2中B处局部放大图；
图中：壳体1、凹槽11、绝缘套环12、环形槽13、弹性膜片2、第二空腔21、气囊22、气道23、隔膜24、压电元件3、信号线31、固定套32、转环4、叶片41、滑槽42、软杆43、刷毛44、滚珠45、第一空腔46、微孔47。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图4所示，本发明所述的一种压电式压力传感器，包括壳体1、弹性膜片2、压电元件3和转环4，所述壳体1为凸台形结构设计，所述壳体1内部为中空结构；所述壳体1上端内壁中开设有凹槽11，所述凹槽11内固连有弹性膜片2；所述弹性膜片2下方设有压电元件3，所述压电元件3下表面连接有信号线31；所述壳体1下端设有绝缘套环12，所述绝缘套环12用于起绝缘保护作用；所述壳体1上表面开设有环形槽13，所述环形槽13内转动连接有转环4；所述转环4上端外表面固连有均匀布置的叶片41，所述叶片41均倾斜设计，且叶片41倾斜方向与液压油流动方向相反，实现液压油流动时推动叶片41转动；所述壳体1内壁于弹性膜片2上方开设有环形设计的滑槽42，所述转环4下端内壁固连有均匀布置的软杆43，所述软杆43一端伸出滑槽42设计，所述软杆43表面固连有均匀布置的刷毛44；所述转环4下表面和环形槽13内壁之间设有均匀布置的滚珠45；工作时，液压系统中的液压油挤压弹性膜片2变形，弹性膜片2与压电元件3接触将受到的压力传递给压电元件3，再通过压电元件3将压力转变为电信号；同时液压系统的压力和流量变化范围很大，液压油在液压泵作用下快速流动并推动叶片41运动，叶片41运动带动转环4转动，转环4底部的滚珠45可减小转环4与壳体1的摩擦阻力，使得转环4转动地更加流畅，提高装置的工作效率；转环4转动时又带动软杆43转动，且软杆43在液压油挤压下会与弹性膜片2表面接触，进而使得软杆43转动时带动刷毛44对弹性膜片2表面进行刷洗，减少弹性膜片2表面附着的沉淀物，防止液压系统工作时，由于液压油中含有大量机器运转过程中产生的磨屑和其他杂质，使得弹性膜片2随着使用时间的增长易被腐蚀，从而提高压电式压力传感器的测量精度和使用寿命。
作为本发明的一种实施方式，所述软杆43远离转环4的一端内部设有第一空腔46，所述软杆43远离转环4的一端外表面开设有均匀布置的微孔47，所述微孔47向靠近弹性膜片2中轴线的方向倾斜，所述微孔47与第一空腔46内部连通；工作时，由于转环4上固连有多个均匀布置的软杆43，软杆43转动时难以对弹性膜片2中心处进行清理，使得弹性膜片2中心处成为清理死角，通过设置第一空腔46和微孔47，液压油流动时会间歇性挤压软杆43内的第一空腔46，当液压油向下挤压第一空腔46时，第一空腔46内部空间减小，压强增大，压缩第一空腔46内液体喷出对弹性膜片2中心处进行冲刷，且微孔47向靠近弹性膜片2中轴线的方向倾斜可提高液体从微孔47喷出时的流速，有效提高对弹性膜片2的清理效果，减少清理死角的产生；当时液压油不挤压第一空腔46使得第一空腔46膨胀时，第一空腔46内部空间增大，压强减小，第一空腔46吸收弹性膜片2上方液压油并恢复至初始状态；重复运动，通过软杆43不断吸液和喷液可有效提高对弹性膜片2中心处的清理效果，增强弹性膜片2的自清理效果，进一步减少沉淀物对弹性膜片2的腐蚀破坏，从而提高弹性膜片2的使用寿命。
作为本发明的一种实施方式，所述弹性膜片2的上表面为由周圈向中心凹陷的曲面设计；工作时，由于软杆43在弹性膜片2的中心处不断吸液和喷液，使得液压油对弹性膜片2中心处的作用效果减弱，通过将弹性膜片2的上表面设为曲面，保证液压油挤压弹性膜片2不同部位时，液压油对弹性膜片2的作用力始终向下，防止压力向其他方向分散，减小力的损失，使得应力集中，提高压力对弹性膜片2的作用效果。
作为本发明的一种实施方式，所述弹性膜片2上端于远离弹性膜片2中轴线的位置开设有均匀布置的第二空腔21，所述第二空腔21截面为弧形设计；所述弹性膜片2嵌入凹槽11的部分于内部设有环形设计的气囊22，所述第二空腔21通过气道23与气囊22连通；工作时，液压油挤压弹性膜片2上表面，使得第二空腔21受到挤压，第二空腔21内部空间减小，压强增大，压缩第二空腔21内部气体通过气道23进入气囊22，气囊22内部气体增加使得气囊22膨胀，进而使得弹性膜片2嵌入凹槽11的部分膨胀并紧贴凹槽11内壁，提高弹性膜片2与壳体1之间的密封性，防止液压油泄露进入弹性膜片2下方空间，造成压电元件3和其他结构受潮失效，从而提高装置的使用安全性和使用寿命。
作为本发明的一种实施方式，所述弹性膜片2上表面和壳体1内壁之间固连有环形设计的隔膜24；工作时，当液压油进入弹性膜片2上方空间并挤压弹性膜片2时，隔膜24同时受到液压油施加的向下的挤压力，使得隔膜24压缩变形紧贴弹性膜片2的上表面和壳体1内壁，从而实现弹性膜片2上方空间和下方空间的互不连通，进一步提高弹性膜片2和壳体1之间的密封性，防止由于液压系统的压力和流量变化范围很大，使得传感器的密封性降低，传感器内部压电元件3受潮失效降低装置的使用寿命，保证装置的正常运行。
作为本发明的一种实施方式，所述压电元件3由多个石英晶片叠放组成；所述压电元件3外部设有固定套32，所述固定套32固连在壳体1内部，所述固定套32由刚度大的材料制成，所述固定套32对压电元件3起固定预紧作用；工作时，随着工作时间的增加，液压系统内部由于机器运转摩擦产生大量热量，液压油温度升高易使压电元件3失效，而石英晶片具有较好的耐高温性能，是制造高温传感器的理想压电材料，通过合适的切割方法切割石英晶片制成传感器可有效提高压电式传感器的耐高温性能和使用范围，并通过设置多片石英晶片提高传感器的灵敏度；同时设置固定套32对压电元件3起固定预紧作用，防止压电元件3受力较大发生滑移；同时由于液压系统中的压力和流量变化范围很大，采用刚度大的材料制成固定套32，可有效隔离其他元件的应变传递到压电元件3上去，避免产生假信号输出，提高压电式传感器的精确度。
本发明的具体工作流程如下：
工作时，液压系统中的液压油挤压弹性膜片2变形，弹性膜片2与压电元件3接触将受到的压力传递给压电元件3，再通过压电元件3将压力转变为电信号；同时液压系统的压力和流量变化范围很大，液压油在液压泵作用下快速流动并推动叶片41运动，叶片41运动带动转环4转动，转环4底部的滚珠45可减小转环4与壳体1的摩擦阻力，使得转环4转动地更加流畅，提高装置的工作效率；转环4转动时又带动软杆43转动，且软杆43在液压油挤压下与弹性膜片2表面接触，进而使得软杆43转动时带动刷毛44对弹性膜片2表面进行刷洗，减少弹性膜片2表面附着的沉淀物，防止液压系统工作时，由于液压油中含有大量机器运转过程中产生的磨屑和其他杂质，使得弹性膜片2随着使用时间的增长易被腐蚀，进而影响压电式压力传感器的测量精度和使用寿命；同时液压油流动时会间歇性挤压软杆43内的第一空腔46，当液压油向下挤压第一空腔46时，第一空腔46内部空间减小，压强增大，压缩第一空腔46内液体喷出对弹性膜片2中心处进行冲刷，且微孔47向靠近弹性膜片2中轴线的方向倾斜可提高液体从微孔47喷出时的流速，有效提高对弹性膜片2的清理效果，减少清理死角的产生；当时液压油不挤压第一空腔46使得第一空腔46膨胀时，第一空腔46内部空间增大，压强减小，第一空腔46吸收弹性膜片2上方液压油并恢复至初始状态；重复运动，通过软杆43不断吸液和喷液可有效提高对弹性膜片2中心处的清理效果，增强弹性膜片2的自清理效果，进一步减少沉淀物对弹性膜片2的腐蚀破坏，从而提高弹性膜片2的使用寿命；同时通过将弹性膜片2的上表面设为曲面，保证液压油挤压弹性膜片2不同部位时，液压油对弹性膜片2的作用力始终向下，防止压力向其他方向分散，减小力的损失，使得应力集中，提高压力对弹性膜片2的作用效果。
同时当液压油进入弹性膜片2上方空间并挤压弹性膜片2时，隔膜24同时受到液压油施加的向下的挤压力，使得隔膜24压缩变形紧贴弹性膜片2的上表面和壳体1内壁，从而实现弹性膜片2上方空间和下方空间的互不连通，提高弹性膜片2和壳体1之间的密封性，防止由于液压系统的压力和流量变化范围很大，使得传感器的密封性降低，传感器内部压电元件3受潮失效降低装置的使用寿命，保证装置的正常运行；且液压油挤压弹性膜片2上表面时使得第二空腔21受到挤压，第二空腔21内部空间减小，压强增大，压缩第二空腔21内部气体通过气道23进入气囊22，气囊22内部气体增加使得气囊22膨胀，进而使得弹性膜片2嵌入凹槽11的部分膨胀并紧贴凹槽11内壁，进一步提高弹性膜片2与壳体1之间的密封性，进而提高装置的使用安全性和使用寿命；同时，随着工作时间的增加，液压系统内部由于机器运转摩擦产生大量热量，液压油温度升高易使压电元件3失效，而石英晶片具有较好的耐高温性能，是制造高温传感器的理想压电材料，通过合适的切割方法切割石英晶片制成传感器可有效提高压电式传感器的耐高温性能和使用范围，并通过设置多片石英晶片提高传感器的灵敏度；同时设置固定套32对压电元件3起固定预紧作用，防止压电元件3受力较大发生滑移；同时由于液压系统中的压力和流量变化范围很大，采用刚度大的材料制成固定套32，可有效隔离其他元件的应变传递到压电元件3上去，避免产生假信号输出，提高压电式传感器的精确度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种压电式压力传感器，其特征在于：包括壳体(1)、弹性膜片(2)、压电元件(3)和转环(4)，所述壳体(1)为凸台形结构设计，所述壳体(1)内部为中空结构；所述壳体(1)上端内壁中开设有凹槽(11)，所述凹槽(11)内固连有弹性膜片(2)；所述弹性膜片(2)下方设有压电元件(3)，所述压电元件(3)下表面连接有信号线(31)；所述壳体(1)下端设有绝缘套环(12)，所述绝缘套环(12)用于起绝缘保护作用；所述壳体(1)上表面开设有环形槽(13)，所述环形槽(13)内转动连接有转环(4)；所述转环(4)上端外表面固连有均匀布置的叶片(41)，所述叶片(41)均倾斜设计，且叶片(41)倾斜方向与液压油流动方向相反，实现液压油流动时推动叶片(41)转动；所述壳体(1)内壁于弹性膜片(2)上方开设有环形设计的滑槽(42)，所述转环(4)下端内壁固连有均匀布置的软杆(43)，所述软杆(43)一端伸出滑槽(42)设计，所述软杆(43)表面固连有均匀布置的刷毛(44)；所述转环(4)下表面和环形槽(13)内壁之间设有均匀布置的滚珠(45)。
2.根据权利要求1所述的一种压电式压力传感器，其特征在于：所述软杆(43)远离转环(4)的一端内部设有第一空腔(46)，所述软杆(43)远离转环(4)的一端外表面开设有均匀布置的微孔(47)，所述微孔(47)以第一空腔（46）内部为起点、外部为终点向靠近弹性膜片(2)中轴线的方向倾斜开设，所述微孔(47)与第一空腔(46)内部连通。
3.根据权利要求1所述的一种压电式压力传感器，其特征在于：所述弹性膜片(2)的上表面为由周圈向中心凹陷的曲面设计。
4.根据权利要求3所述的一种压电式压力传感器，其特征在于：所述弹性膜片(2)上端于远离弹性膜片(2)中轴线的位置开设有均匀布置的第二空腔(21)，所述第二空腔(21)截面为弧形设计；所述弹性膜片(2)嵌入凹槽(11)的部分于内部设有环形设计的气囊(22)，所述第二空腔(21)通过气道(23)与气囊(22)连通。
5.根据权利要求4所述的一种压电式压力传感器，其特征在于：所述弹性膜片(2)上表面和壳体(1)内壁之间固连有环形设计的隔膜(24)。
6.根据权利要求1所述的一种压电式压力传感器，其特征在于：所述压电元件(3)由多个石英晶片叠放组成；所述压电元件(3)外部设有固定套(32)，所述固定套(32)固连在壳体(1)内部，所述固定套(32)由刚度大的材料制成，所述固定套(32)对压电元件(3)起固定预紧作用。
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