用于传感器组件的可压缩元件的制作方法

1.本发明涉及一种传感器组件，更具体地涉及一种用于传感器组件的可压缩元件。


背景技术：

2.一些传感器或换能器组件具有设置在传感器组件的结构内的感测元件和可压缩插头。例如，这种类型的压力传感器组件定位在容纳流体的罐中。流体围绕可压缩插头并且与感测元件接触以检测流体的液位和流速。流体在某些环境条件下会冻结，导致流体显著膨胀；可压缩插头补偿周围流体的体积变化，以保护感测元件免受损坏。
3.用于传感器组件的可压缩插头通常由固体弹性体制成，然而，固体弹性体不能提供足够的可压缩性来补偿许多应用中的体积变化。在由更具可压缩性的闭孔多孔弹性体形成的可压缩插头中，闭孔弹性体材料的孔结构难以控制，导致孔之间的壁厚薄弱的孔分布不均。此外，闭孔弹性体材料通常是从成形的材料切出的，在切开的边缘上暴露出孔，这导致液体渗透到可压缩插头中。孔的弱结构和液体的渗透使可压缩插头在机械上变得脆弱，并且无法通过循环冷冻和融化来维持必要的可压缩性，从而导致传感器元件的潜在损坏。


技术实现要素：

4.一种用于传感器组件的可压缩元件包括：具有第一可压缩性的弹性体基质；以及多个封闭区域，其分布在弹性体基质内并且每个都被弹性体基质围绕。每个封闭区域具有大于第一可压缩性的第二可压缩性。
附图说明
5.现在将参考附图通过示例的方式描述本发明，其中：
6.图1是根据一实施例的传感器组件的截面侧视图；
7.图2a是根据一实施例的可压缩元件的截面透视图；
8.图2b是根据另一实施例的可压缩元件的壳体的透视图；
9.图2c是根据另一实施例的可压缩元件的透视图；
10.图3a是根据另一实施例的可压缩元件的截面侧视图；
11.图3b是根据另一实施例的可压缩元件的截面侧视图；
12.图4是根据另一实施例的传感器组件的示意图；以及
13.图5是根据另一实施例的传感器组件的示意图。
具体实施方式
14.在下文中将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，其中，相同的附图标记指代相同的元件。然而，本公开可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开将本公开的构思传达给本领域技术人员。另外，在下面的详细描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对所公开
的实施例的透彻理解。然而，显而易见的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实现一个或多个实施例。
15.在图1中示出了根据一实施例的传感器组件10。传感器组件10包括腔结构100、设置在腔结构100内的可压缩元件200、设置在腔结构100内的传感器元件300以及附接到腔结构100的壁架适配器400。
16.如图1所示，腔结构100包括由内表面120和腔壁130限定的腔110。内表面120位于腔110的内端112处，腔110的与内端112相对的外端114向腔结构100外部的区域a敞开。在所示的实施例中，腔110是圆柱形的。在其他实施例中，腔110可以是直角棱柱体或能够容纳可压缩元件200和传感器元件300的任何其他形状。腔110在宽度方向w上具有腔宽度116。
17.如图1
‑
3b的实施例中所示，可压缩元件200包括弹性体基质210、分布在弹性体基质210内并且每个都被弹性体基质210围绕的多个封闭区域220以及延伸穿过弹性体基质210的通道240。弹性体基质210具有第一可压缩性，并且每个封闭区域220具有大于第一可压缩性的第二可压缩性。
18.如图1
‑
3b所示，可压缩元件200具有内侧212、与内侧212相对的外侧214以及将内侧212连接到外侧214的多个横向侧216。在横向侧216之间，可压缩元件200具有在宽度方向w上的弹性体宽度218和在垂直于宽度方向w的长度方向l上的弹性体长度219，如图1所示。在所示的实施例中，可压缩元件200具有对应于腔110的圆柱形状。在其他实施例中，弹性体基质210可以是直角棱柱体或对应于腔110的形状的任何其他形状。
19.在各个实施例中，弹性体基质210可以由硅树脂、氟硅氧烷、环氧树脂或任何其他弹性体材料形成。弹性体基质210的硬度可以根据应用来选择；较硬的弹性体基质210对高压环境更具弹性，而较软的弹性体基质210更适合可压缩性。弹性体基质210具有适合该应用的化学相容性。例如，在如下所述的将弹性体基质210暴露于柴油机排气液(def)的实施例中，选择弹性体基质210以避免在def暴露下劣化。
20.如图1
‑
3b所示，可压缩元件200仅包括封闭区域220；弹性体基质210内具有第二可压缩性的任何区域都不向可压缩元件200的侧212、214、216敞开。弹性体基质210的每个侧212、214、216的暴露表面是连续不间断的弹性体材料。
21.封闭区域220可以分别是具有第二可压缩性的中空空隙，或者可以各自填充有具有第二可压缩性的固体材料。可以根据应用选择每个封闭区域220的尺寸；较大的封闭区域220增加了可压缩元件200的可压缩性，而较小的封闭区域220导致增加的强度并且对高压环境更具弹性。在图1
‑
2b的实施例中，封闭区域220分布在弹性体基质210中，使得弹性体基质210具有设置在每个封闭区域220和最接近的相邻封闭区域220之间的大致相同厚度222。
22.如图1和2a所示，通道240在轴向方向p上从内侧212延伸穿过弹性体基质210通过外侧214。在所示的实施例中，通道240大致居中地定位在弹性体基质210中。在其他实施例中，通道240可以在弹性体基质210中偏心定位。
23.现在将分别更详细地描述图1
‑
3b所示的可压缩元件200的特定实施例。
24.在图1所示的可压缩元件200的实施例中，每个封闭区域220由聚合物微球224形成。可压缩元件200通过以下形成：将多个聚合物微球224混合到弹性体基质210的未固化的液体弹性体中，将混合物倒入模具或腔110中，以及固化混合物以形成可压缩元件200。该过程导致上述和图1所示的封闭区域220之间具有均匀的厚度222。
25.形成封闭区域220的聚合物微球224可以是空心的或实心的。选择与未固化的液体弹性体相比的聚合物微球224的重量百分比以影响可压缩元件200的可压缩性。在一实施例中，空心聚合物微球224以弹性体基质210的未固化液体弹性体重量的0
‑
4％掺入。还选择每个聚合物微球224的尺寸以影响可压缩元件200的可压缩性。在一实施例中，每个聚合物微球224的直径小于200μm。
26.如图2a
‑
2c所示，根据另一实施例的可压缩元件200形成有封闭区域220，作为由弹性体基质210限定的多个容纳体积226。容纳体积226是弹性体基质210内的中空空隙。在图2a和2b所示的实施例中，容纳体积226每个形成为具有例如三角形形状或形成梯形车轮图案的多面体。在其他实施例中，容纳体积226可以具有如图2c所示的环形形状、球形形状、圆柱形形状，或者可以具有任何其他三维形状。在一实施例中，如图2b和2c所示，容纳体积226可以彼此连接以形成被弹性体基质210围绕的连续封闭区域220。容纳体积226的形状、容纳体积226的总体积、每个容纳体积226的尺寸以及容纳体积226之间的弹性体基质210的厚度是可调节的，并根据特定应用所需的可压缩性和机械强度的平衡进行选择。
27.在一实施例中，可压缩元件200是通过将图2b中所示的第一壳体227附接到相同的第二壳体227来创建的。每个壳体227形成可压缩元件200的一半。为了将壳体227彼此附接，粘合剂229被施加在每个壳体227的配合面228上，并且配合面228放置成沿着图2a所示的配合面m彼此邻接，以限定多个容纳体积226。在一实施例中，粘合剂229是由与弹性体基质210相同的材料形成的未固化的弹性体。在其他实施例中，粘合剂229可以是胶或粘合层。在另一实施例中，代替将每个壳体227形成为可压缩元件200的一半，可压缩元件200可以形成为附接至可压缩元件200的其余部分的盖。
28.图2a和2b中所示的可压缩元件200的壳体227或其他部分可各自在模具中形成，或者在另一实施例中，壳体227或可压缩元件200的其他部分可以分别通过3d打印或增材制造弹性体基质210的材料来形成。3d打印可以是材料喷射、材料挤出、立体光刻或数字光处理类型的3d打印。
29.在另一实施例中，图2a所示的整个可压缩元件200可以被3d打印有排放孔225，如图2c所示，如果容纳体积226彼此连接，则可以通过排放孔225将替代容纳体积226的未固化材料从可压缩元件200中排出。然后，排放孔225填充有未固化的弹性体(与在一实施例中的弹性体基质210相同的材料)，并被固化以封闭容纳体积226。
30.在图3a和3b中示出了根据另一实施例的可压缩元件200。图3a和3b以不与通道240相交的截面示出；尽管未示出通道240，但如图1
‑
2c所示的实施例中一样，通道240仍然存在于图3a和3b所示的实施例中。
31.如图3a和3b所示，可压缩元件200包括由弹性体基质210形成的基础基质230，多个单元234设置在基础基质230内。单元234是中空空隙。所示实施例中的单元234具有变化的尺寸、变化的形状，并且在单元234之一与最接近的相邻单元234之间具有基础基质230的变化厚度。基础基质230具有一对侧236。至少一些单元234是在基础基质230的侧236上敞开的开放区域。在一实施例中，基础基质230是通过从闭孔多孔弹性体上切下一部分而形成的。
32.图3a和3b的实施例的弹性体基质210包括设置在基础基质230周围的密封层232。密封层232封闭暴露在侧236上的单元234，将所有单元234限定为封闭区域220。密封层232由弹性体材料形成。在一实施例中，可以选择密封层232的弹性体材料以实现化学相容性。
33.在图3a所示的实施例中，密封层232被施加在基础基质230的侧236上。密封层232可以如图3a的实施例中所示的那样通过例如将基础基质230滚动成未固化的密封层232且然后固化密封层232而被施加。
34.在图3b所示的实施例中，密封层232被施加在包括侧236的基础基质230的整个周边上。密封层232可以如图3b的实施例中所示的那样通过例如将基础基质230封装在未固化的密封层232和模具中且然后固化密封层232而被施加。
35.如图1、4和5所示，传感器组件10与可压缩元件200和设置在腔结构100内的传感器元件300组装在一起。传感器元件300沿着腔结构100的内表面120定位在腔110的内端112处。壁架适配器400附接到腔结构100以至少部分地覆盖腔110的外端114。壁架适配器400可以通过焊接或通过任何其他类型的紧固而附接到腔结构100。
36.根据图1
‑
3b所示的实施例的可压缩元件200位于腔110内，并且如图4和5所示，在腔110的通过传感器间隙119而与传感器元件300分离的部分118内沿长度方向l被保持和限制。在各个实施例中，例如，传感器间隙119为至少10mm，并且在另一实施例中为至少30mm。在图1所示的传感器组件10的实施例中存在部分118和传感器间隙119，然而，为了易于理解附图，仅在图4和5的示意图中示出了部分118和传感器间隙119。
37.在图1所示的实施例中，可压缩元件200通过与腔结构100的过盈配合而被保持在腔110内。在可压缩元件200的未压缩状态下，弹性体宽度218大于在宽度方向w上的腔宽度116。在一实施例中，弹性体宽度218比腔宽度116大至少6％。
38.当将可压缩元件200插入腔110中时，可压缩元件200被腔壁130沿宽度方向w压缩到压缩状态。可压缩元件200的压缩导致由可压缩元件200沿宽度方向w在腔壁130上向外施加的径向力fr。径向力fr增加了沿长度方向l在可压缩元件200与腔壁130之间的摩擦，从而将可压缩元件200限制在通过传感器间隙119而与传感器元件300分离的部分118内。
39.在图4和5中示出了将可压缩元件200限制在腔110的部分118内的其他实施例。在图4和5的每个实施例中，以截面图示意性地示出了不与通道240相交的可压缩元件200，然而，与在图1
‑
2c的实施例中一样，通道240仍然存在于图4和5所示的实施例中。
40.在图4所示的实施例中，传感器组件10包括设置在腔110内的止动件500。止动件500位于传感器间隙119中的腔壁130上，并沿宽度方向w突出到腔110中。止动件500是物理屏障，其防止可压缩元件200沿长度方向l移动到传感器间隙119中，从而保持传感器元件300与可压缩元件200之间的传感器间隙119。在各个实施例中，传感器组件10可以包括设置在腔壁130的一部分上的单个止动件500、围绕整个腔壁130延伸的单个止动件500或设置在腔壁130上的多个止动件500。在图4的实施例中与止动件500一起示出的可压缩元件200可以进一步与腔结构100过盈配合，如以上参考图1所述。
41.在图5所示的实施例中，可压缩元件200附接到壁架适配器400的面向腔110的表面410。在一实施例中，可压缩元件200可以以未固化的状态沉积在表面410上并在表面410上固化。在另一实施例中，首先将乙烯基硅烷设置在表面410上，然后将未固化的可压缩元件200沉积在表面410上并固化。将可压缩元件200固化在表面410上在可压缩元件200和壁架适配器400之间形成粘附，从而将可压缩元件200限制在腔110的部分118内，并防止可压缩元件200沿着长度方向l移动到传感器间隙119中。图5中所示的实施例可以可选地与图1和4中所示且如上所述的实施例中的一个或两个组合。
42.现在将参考图1描述传感器组件10的示例性使用。在图1所示的实施例中，传感器组件10包括壳体600，腔结构100附接到该壳体600。在所示的实施例中，传感器组件10是压力传感器组件，并且壳体600附接到罐t。腔结构100外部的区域a设置在罐t内并且填充有流体，例如def。
43.在图1的示例性实施例中，区域a中的流体流入腔110并通过通道240以与传感器元件300接触。与流体接触的传感器元件300测量罐t中的流体的存储液位和流体的压力。流体至少接触可压缩元件200的内侧212，并且在所示的实施例中还接触其外侧214。在某些条件下，流体冻结，从而导致流体膨胀。
44.当流体冻结时，可压缩元件200压缩，补偿流体的增加的体积，以避免损坏传感器元件300。可压缩元件200的补偿体积可针对特定应用来选择，并且取决于可压缩元件的可压缩性和可压缩元件200的总体积。如上所述，可压缩元件200的可压缩性由弹性体基质210的硬度以及封闭区域220的大小和总体积的选择决定。可压缩元件200的体积由弹性体宽度218和弹性体长度219确定。所需的补偿体积(确定可压缩元件200的可压缩性和体积的选择)基于流体的预期体积变化来确定。
45.在其他实施例中，传感器组件10可以与除def之外的流体一起使用，并且可以用于测量除了压力之外的流体的参数，例如流体的温度。传感器组件10可以用于需要体积补偿以保护传感器元件300的任何应用。
46.本文描述的本发明的实施例的传感器组件10具有可压缩元件200以提供保护传感器元件300的体积补偿。可压缩元件200的弹性体基质210仅包括彼此均匀间隔的封闭区域220。因此，可压缩元件200由于对流体不可渗透并且具有机械上坚固的内部结构而具有弹性。此外，将可压缩元件200限制在通过传感器间隙119而与传感器元件300间隔开的部分118内通过防止可压缩元件200与传感器元件300接触而提高了传感器元件300的精度和可靠性。