专利名称：外置电磁激励小型振动筒压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电磁激励振动筒传感器的技术领域，具体涉及一种外置电磁激励小型振动筒压力传感器。
背景技术：
现有电磁激励振动筒压力传感器结构为在直径18mm的敏感筒体内部放置一组呈十字交叉的电磁激励与拾振元件实现传感器机电转换功能。电磁激励原理利用电一
磁-力转换原理实现功能转换，内置方式18mm振动筒结构原理,如图1所示,振动筒是一
个直接感受压力的薄壁金属圆筒，筒内各有一个激励与拾振线圈通过支架相隔一定距离垂直放置，在激振线圈骨架中心装有一根导磁棒，在拾振线圈中心有一根永磁棒，线圈两极与筒壁保持一定间隙。当接通电源时，电流流过激励线圈，所产生的电磁力使筒壁振动产生径向微位移，同时筒壁与拾振线圈的间隙发生变化，在拾振线圈产生感应电势，其变化频率等于筒壁振动的固有频率，经适当的信号放大处理接至激励线圈，形成闭环正反馈。当不同的压力P作用在谐振筒壁时，筒体谐振频率发生变化，通过谐振频率的变化，而得到被测压力值。此种传感器外形尺寸及抗振性能已不能满足现有机载及测量仪表的小型化需求。通过对小型化产品的结构分析及国外同类产品的测试分析，小型化结构可有效提高传感器抗振性能。目前随着国内大气数据系统由集中式朝着小型化、分布式和嵌入式方向发展，必须采用体积更小的压力传感器才能满足要求。目前小型化振动筒压力传感器和硅谐振压力传感器是满足此要求而可行的最佳传感器选项。国内能够自主配套的传感器也只有振动筒压力传感器，但长期停留在18_振动筒压力传感器水平，由于国内小型化振动筒压力传感器技术发展相对迟缓导致我们的小型大气数据系统在选择传感器时倾向于选择国外的硅谐振传感器，甚至体积也较小的温度稳定性能相对较差的国外硅压阻传感器，传感器作为核心产品，面临国外军售的限制，新一代机载技术发展要求我们必须从依赖进口转向完全自主创新。此外，小型化的振动筒传感器还可用于机载发动机的多路压力控制，取代原有的硅压阻式传感器，具备了精度高、性能稳定、易于数字化的优点。
发明内容
本发明为了解决现有的电磁激励振动筒传感器不能满足小型化需求的问题，提供了一种外置电磁激励小型振动筒压力传感器。本发明采用如下的技术方案实现
一种外置电磁激励小型振动筒压力传感器，包括振动筒组件和电路组件，所述的振动筒组件包括保护筒、振动筒、激励线圈以及拾振线圈，所述的保护筒套设于振动筒之外，振动筒与保护筒之间的空腔为真空，振动筒的上端密闭为自由端，振动筒下端与保护筒固定连接，振动筒下端连接气体来源，其特征在于所述的激励线圈和拾振线圈分两对呈空间十字形对称固定于保护筒上。
激励线圈安装位置在振动筒长度尺寸的二分之一处，拾振线圈安装位置与激励线圈安装位置的轴向间距为2mm，激励线圈和拾振线圈与振动筒敏感元件的最小间距为
O.1 O. 2 mm。所述的振动筒的下端非敏感部分固定在连接套环上，保护筒也与连接套环固定连接，连接套环底部连接气压喷嘴，气压喷嘴一端连接气体来源，气压喷嘴另一端通过连接套环与振动筒内部连通。所述的振动筒的下端非敏感部分卡入连接套环的内孔中焊接。所述的气压喷嘴内安装温度传感器。所述的激振线圈和拾振线圈包括漆包线和骨架，漆包线绕于骨架上；骨架中心各装有一个线圈芯棒，线圈芯棒由一个磁芯和一根导磁棒组成。所述的振动筒、保护筒以及连接套环选用恒弹性合金，磁芯选用钐钴合金，导磁棒选用软磁合金，气压接嘴选用不锈钢。所述的振动筒组件两端分别通过固定支架夹紧，振动筒组件筒身下部放置电路组件通过紧固螺钉固定于两固定支架。所述的电路组件包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、运算放大器U4、三极管U5、三极管U6、及由电阻R16、电阻R15串联构成的分压支路，分压支路两端并联有电容C5、C6的并联支路；运算放大器Ul的反相端经电阻R1、电容Cl与拾振信号输入端I相连，且反相端与输出端之间串联电阻R3，拾振信号输入端I经电阻R2与电容C2的并联支路接地，运算放大器Ul的同相端经电容C3接地，运算放大器Ul的输出端经电容C4、电阻R4与运算放大器U2的反相端连接；运算放大器U2的输出端经电阻R6与三极管U6基极连接，并经电容C7、电阻R8与激励信号输出端4连接，且反相端与输出端之间串联电阻R5，三极管U6的集电极与频率输出端8相连，发射极接地；运算放大器U3的输出端，与运算放大器Ul的正极电源端连接，并经电阻R9、电阻R7接地，且电阻R9、电阻R7之间的连接节点分别于运算放大器U1、U2的同相端连接，运算放大器U3的输出端与反相端之间串联有电阻尺11、电容09的并联支路，运算放大器U3的同相端与电阻R16、电阻R15之间的连接节点相连；运算放大器U4的输出端与温压输出端10连接，并经电阻RlO与运算放大器U3的反相端连接，运算放大器U4的反相端与输出端之间串联电阻R12，运算放大器U4的反相端经电阻R18、电阻R17与温度信号输入端6连接，并经电阻R13、电阻R14的并联支路接地，其中，电阻R18、电阻R17、电阻R13、电阻R14构成电桥，运算放大器U4的反相端与同相端之间串联电容C8，运算放大器U4的同相端与+5V电源端12连接；三极管U5基极接地，集电极接+5V电源端12，发射极与电阻R18、电阻R17之间的连接节点连接。本发明所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器以薄壁圆柱壳为谐振敏感元件，被测压力改变薄壁圆柱壳的等效刚度，从而改变其固有频率。通过检测薄壁圆柱壳的固有频率就可以实现对压力的测量。本发明相对现有技术具有如下有益效果实现了电磁外置激励小型振动筒压力传感器敏感筒体设计直径为9mm，激励与拾振元件分两组对称放置于敏感筒体外部的保护筒体上，从而实现振动筒压力传感器的小型化设计的机电转换功能。本发明测量精度优于0.05 % FS，测量压力2(T2620hPa，工作温度范围-55°C 80°C，外形尺寸< 47X37X29mm3，可用于航空机载大气数据系统的压力测量及地面气象、压力校验测量领域。本发明所述小型电磁激励振动筒压力传感器因具有数字量输出、长期稳定性好、低迟滞、重复性好和精度高等优点，具有寓军寓民的特点，可作为现有振动筒压力传感器的换代产品，可广泛应用于各类新型机载大气数据系统、军用各类战略、战术导弹、无人驾驶飞机、航天器等的飞行姿态测量控制，也可用于开发、生产便携式压力测量仪器、地面大气压力校验设备、各类气压测量仪器等，其产品在如民航、总参系统使用的气象压力测试等高精度压力测试仪器中起着很重要的作用，在测量准确性和适用性方面，具有其它压力传感器无法完全取代的优势。
图1为现有电磁振动筒压力传感器的结构示意图，· 图2为本发明的外形图，
图3为图2的俯视图，
图4为线圈磁棒的结构示意图，
图5为振动筒组件的外形示意图，
图6为振动筒组件的内部结构示意图，
图7为电路组件的电路原理图，
图中1_保护筒，2-振动筒，3-激励线圈，4-拾振线圈，5-支承骨架，6-基座，7-温度传感器，8-固定支架，9-振动筒组件，10-磁芯，11-导磁棒，12-真空腔，13-连接套环，14-气压接嘴，15-电路组件。
具体实施例方式结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明。本发明的整体结构如图2、图3所示，主要由振动筒组件和电路组件两部分组成，振动筒组件两端用两个固定支架夹紧，筒身下部放置电路组件通过紧固螺钉固定于两固定支架。通过固定支架四角安装螺钉与配套产品固定，可解决筒体由于单端固定引起筒身摆动过大而带来的抗振性差的问题，改善抗振性能。本发明可实现传感器整体结构外形尺寸由原有的约115\40父301111113缩小为47\37\291111113，振动筒组件外部直径由原有的约24mm缩小为15mm，传感器重量由约125g减小到65g。在测量压力20 2620hPa，工作温度_55°C 80°C范围内，测量精度优于O. 05% FS0本发明采用恒弹性合金旋压拉伸工艺制造薄壁圆柱壳敏感元件，其频率温度系数彡±10X10-6/ V (_60°C 125°C )，外部对称放置的激励与拾振线圈保证传感器的环向波数为4，轴向半波数为I的工作振型，与之相配的激振电路使传感器保持自激振动，传感器的谐振频率随压力变化，从而实现压力测量。实施例具体结构如下。1、振动筒组件，如图5、图6所示，主要组成如下。I)、振动筒
振动筒壁厚及长度不同，其压力测量的范围不同，测压灵敏度亦不相同，输出特性也存在差异，该振动筒输出频率约为8kHz 12kHz。振动筒的上端密闭，为自由端，下端固定在连接套环上。振动筒敏感元件的下端非敏感部分卡入连接套环的内孔中焊接，底座内孔的直径为10 15mm、高4 6mm ;振动筒敏感元件的敏感部分的壁厚为O. 04 O. 06mm、直径为9mm、高为24 32mm。2)、保护筒
将振动筒与保护筒之间的空腔抽成真空，作为压力参考标准。当被测压力传入振动筒内部的空腔时，振动筒就能感受绝对压力的大小。保护筒外部直径为15mm，高为30 38mm，保护筒与振动筒之间通过连接套环焊接固定组合在一起并保证气密良好，保护筒与线圈组件通过焊接固定保证气密良好，顶部留有直径约1. 5mm的小孔作为抽真空的封口。3)、线圈组件
线圈组件包括激励线圈、拾振线圈，激励与拾振线圈放置于外壳内，分两对呈空间十字形对称通过焊接方式固定于敏感筒体外部的保护筒体上，以防止或尽量减少两只线圈间的电磁耦合作用，激励线圈位置在对应振动筒长度尺寸的二分之一处，拾振线圈位置与激励线圈位置轴向位置间隔约2_。外壳外部直径8. 5_，高6_，底部厚度小于O. 25mm,安装于保护筒筒壁后与振动筒敏感元件的最小间距为O.1 O. 2 mm。激振线圈和拾振线圈组成为漆包线绕于骨架上；骨架中心各装有一个线圈芯棒，线圈芯棒由一个磁芯和一根导磁棒组成。磁芯由永磁材料组成，磁棒由软磁材料组成，可以起到聚集磁力线的作用，见图4。4)、气压接嘴
气压接嘴通过连接套环与振动筒、保护筒联接，内部安装感温二极管作为温度传感器。
2、材料组成如下
I)振动筒、保护筒、连接套环
为了减小温度误差，振动筒 材料选择频率温度系数和弹性模量温度系数极低的材料。因采用电磁激励法，材料必须有磁性，所以仍选用恒弹性合金，其合金成份重量比为Cr:5.2 5.8%、N1: 43. O 44. 0%、T1: 2·3 2·7%、Α1: O. 5 O. 8% Fe:余量，它具有长期的磁稳定性。考虑筒体边界条件对传感器频率稳定性能的影响，与振动筒相联接的连接套环和保护筒应具有相同的频率温度系数及热膨胀系数，二者与振动筒选用相同的恒弹性合金材料。2)线圈组件
线圈组件磁芯选用具有较高磁感应强度，高矫顽力，温度居里点高，温度稳定性较好特点的衫钴合金，导磁棒选用的相对磁导率和饱合磁感应强度都较大的软磁合金。内部电磁线圈由铜漆包线绕制于尼龙骨架制成，。3)气压接嘴
考虑耐环境性能，选用普通不锈钢材料。3、电路组成如下
电路主要组成部分为放大电路、整形电路和温度补偿电路。放大电路为闭环实现的主要部分，是一个满足相位和幅值条件的正反馈电路，首先将输入信号进行阻抗变换，然后在第I级放大器引入电源直流分量将交流信号进行一级放大，第2级主要控制回路增益，调整输出幅值，达到饱和输出，并加入可调环节，起到调整相位和增益大小的作用。整形电路采用三极管将频率信号整形后以TTL电平输出，温度补偿电路采用温度二极管实现温度的补偿，其输出电压通过与输入电源电压经比较放大后为放大器提供工作电压，同时起到抑制频率随温度变化的作用。具体结构如下
电路由四级运算放大器及比较器组成，运算放大器Ul的输入端I经电容Cl、电阻Rl与拾振线圈相接，电阻R2、电容C2并联后一端接拾振信号，另一端接地。运算放大器Ul的2脚与I脚之间接电阻R3。Ul的另一输入端2直接与运算放大器U2的输入端5连接，同时与电容C3串接后接地。运算放大器Ul的输出端I脚与电容C4及电阻R4串接后与放大器U2的6脚连接。信号放大后经U2的7脚输出。该输出信号与C7、R8串接后与激励线圈相连从而形成闭环自激正反馈电路，同时该输出信号与R6串接后经U6整形以TTL电平输出。温度二极管一端接地另一端接入由R13、R14，R17，R18组成的电桥中，稳压二极管一端接地、一端接+5V电源，输出端接于R17与R18之间，C5、C6并联后一端接+5V电源，一端接地。+5V电源经R16分压后接于U3的3脚，同时，与R15串连后接地。U4的5脚与+5V连接，其6脚与电桥输出端连接，U4输出端7经电阻RlO后与U3的2脚连接，U3的输出给运算放大器Ul供电。同时与R9、R7串连后接地。
权利要求
1.一种外置电磁激励小型振动筒压力传感器，包括振动筒组件和电路组件，所述的振动筒组件包括保护筒(I)、振动筒(2)、激励线圈(3)以及拾振线圈(4)，所述的保护筒(I)套设于振动筒(2)之外，振动筒(2)与保护筒(I)之间的空腔为真空，振动筒(2)的上端密闭为自由端，振动筒(2)下端与保护筒(I)固定连接，振动筒(2)下端连接气体来源，其特征在于所述的激励线圈(3)和拾振线圈(4)分两对呈空间十字形对称固定于保护筒(I)上。
2.根据权利要求1所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器，其特征在于激励线圈(3 )安装位置在对应振动筒(2 )长度尺寸的二分之一处，拾振线圈(4 )安装位置与激励线圈(3)安装位置的轴向间距为2mm，激励线圈(3)和拾振线圈(4)与振动筒敏感元件的最小间距为O.1 O. 2 mm η
3.根据权利要求1或2所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器，其特征在于所述的振动筒(2)的下端非敏感部分固定在连接套环(13)上，保护筒(I)也与连接套环(13)固定连接，连接套环(13)底部连接气压喷嘴(14)，气压喷嘴(14) 一端连接气体来源，气压喷嘴(14)另一端通过连接套环(13 )与振动筒内(2 )部连通。
4.根据权利要求3所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器，其特征在于所述的振动筒(2)的下端非敏感部分卡入连接套环(13)的内孔中焊接。
5.根据权利要求4所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器，其特征在于所述的气压喷嘴(14)内安装温度传感器(7)。
6.根据权利要求5所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器，其特征在于所述的激振线圈(3)和拾振线圈(4)包括漆包线和骨架，漆包线绕于骨架上；骨架中心各装有一个线圈芯棒，线圈芯棒由一个磁芯(10)和一根导磁棒(11)组成。
7.根据权利要求6所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器，其特征在于所述的振动筒(2)、保护筒(I)以及连接套环(13)选用恒弹性合金，磁芯(10)选用钐钴合金，导磁棒(11)选用软磁合金，气压接嘴(14)选用不锈钢。
8.根据权利要求7所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器，其特征在于所述的振动筒组件(9)两端分别通过固定支架(8)夹紧，振动筒组件(9)筒身下部放置电路组件通过紧固螺钉固定于两固定支架。
9.根据权利要求8所述的外置电磁激励小型振动筒压力传感器，其特征在于电路组件包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、运算放大器U4、三极管U5、三极管U6、及由电阻R16、电阻R15串联构成的分压支路，分压支路两端并联有电容C5、C6的并联支路；运算放大器Ul的反相端经电阻R1、电容Cl与拾振信号输入端I相连，且反相端与输出端之间串联电阻R3，拾振信号输入端I经电阻R2与电容C2的并联支路接地，运算放大器Ul的同相端经电容C3接地，运算放大器Ul的输出端经电容C4、电阻R4与运算放大器U2的反相端连接；运算放大器U2的输出端经电阻R6与三极管U6基极连接，并经电容C7、电阻R8与激励信号输出端4连接，且反相端与输出端之间串联电阻R5，三极管U6的集电极与频率输出端8相连，发射极接地；运算放大器U3的输出端，与运算放大器Ul的正极电源端连接，并经电阻R9、电阻R7接地，且电阻R9、电阻R7之间的连接节点分别于运算放大器U1、U2的同相端连接，运算放大器U3的输出端与反相端之间串联有电阻R11、电容C9的并联支路，运算放大器U3的同相端与电阻R16、电阻R15之间的连接节点相连；运算放大器U4的输出端与温压输出端10连接，并经电阻RlO与运算放大器U3的反相端连接，运算放大器U4的反相端与输出端之间串联电阻R12，运算放大器U4的反相端经电阻R18、电阻R17与温度信号输入端6连接，并经电阻R13、电阻R14的并联支路接地，其中，电阻R18、电阻R17、电阻R13、 电阻R14构成电桥，运算放大器U4的反相端与同相端之间串联电容CS，运算放大器U4的同相端与+5V电源端12连接；三极管U5基极接地，集电极接+5V电源端12，发射极与电阻R18、电阻R17之间的连接节点连接。
全文摘要
本发明属于电磁激励振动筒压力传感器的技术领域，具体涉及一种外置电磁激励小型振动筒压力传感器，解决了现有的电磁激励振动筒传感器不能满足小型化需求的问题。其包括振动筒组件和电路组件，振动筒组件包括保护筒、振动筒、激励线圈以及拾振线圈，激励线圈和拾振线圈分两对呈空间十字形对称固定于保护筒上。本发明实现振动筒压力传感器的小型化设计的机电转换功能，测量精度优于0.05％FS，可用于航空机载大气数据系统的压力测量及地面气象、压力校验测量领域。
文档编号G01L9/00GK103063349SQ201210578110
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者宋继红, 郭军, 李拉兔, 栗宏波, 秦杰, 王文霞, 岳明 申请人:太原航空仪表有限公司