专利名称：压阻式压力传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及压力传感器领域，具体地，涉及一种压阻式压力传感器。
背景技术：
压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，具有精度高、灵敏度高(灵敏系数为100 200)、重复性好、迟滞小、能在恶劣的环境下工作、耐振、耐冲击、耐腐蚀、抗干扰能力强等显著特点，目前，已广泛应用于水下压力测量。在海底测量压力时，由于海流、潮汐等多种因素的影响，压阻式压力传感器可能会被泥沙所掩埋，且掩埋深度从几厘米到几十厘米不等，有时甚至可达几百厘米。 因压力能透过泥沙到达传感器，故在泥沙掩埋的情况下，随着外界压力的变化，压阻式压力传感器的稳态性能基本不受影响。但是，压阻式压力传感器在接收变化的压力信号时，其动态特性变差，且变差程度与泥沙的颗粒大小及掩埋深度有关，泥沙颗粒大，泥沙掩埋深度浅，其动态特性好，反之，动态特性差。而且，伴随压阻式压力传感器使用环境的恶化，泥沙颗粒紧密堆积在传感器的应变片表面上，严重威胁压阻式压力传感器的使用寿命。
实用新型内容本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种压阻式压力传感器，以改善泥沙掩埋时造成的压阻式压力传感器的动态特性，并提高传感器的使用寿命。为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种压阻式压力传感器，包括弹性膜片、连接管、传感器空腔和应变片，所述弹性膜片装置在连接管的上端，所述连接管的下端与传感器空腔连接，所述传感器空腔的底部设置应变片，所述传感器空腔和连接管连接处设置高阻孔。进一步的，所述连接管半径远远大于高阻孔半径。进一步的，所述传感器空腔的半径大于高阻孔的半径。进一步的，所述弹性膜片采用柔性材料。本实用新型的技术方案，通过增设连接管和弹性膜片，增大泥沙与压力传感器的有效接触面积，以减小液体压力传递过程中的液阻，达到改善泥沙掩埋时压阻式压力传感器的动态特性，并提高传感器使用寿命的目的。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中图I为本实用新型实施例所述的压阻式压力传感器的结构示意图；图2为泥沙掩埋时现有压阻式压力传感器的结构示意图；图3为泥沙掩埋时本实用新型实施例所述的压阻式压力传感器的结构示意图；[0016]图4为泥沙掩埋时现有压阻式压力传感器的等效电路图；图5为本实用新型实施例所述的压力传感器的等效电路图；图6为本实用新型实施例所述的压阻式压力传感器实验装置示意图。结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下I-弹性膜片；2_连接管；3_传感器空腔；4_应变片；5_压阻式压力传感器；6_试验平台；7-支架；8-圆筒，9-高阻孔。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优 选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。如图I所示，压阻式压力传感器，包括弹性膜片I、连接管2、传感器空腔3和应变片4，弹性膜片I装置在连接管2的上端，连接管2的下端与传感器空腔3连接，传感器空腔3的底部设置应变片4，传感器空腔和连接管连接处设置高阻孔9。其中，连接管2的半径远远大于高阻孔9的半径，传感器空腔3的半径大于高阻孔9的半径，小于连接管2的半径。弹性膜片I采用柔性材料。本实用新型基本原理为液体压力在现有的压阻式压力传感器内的传递过程，是通过高阻孔到空腔，最后到达传感器的应变片。将液体压力的传递过程等效为电传递过程，其中，压强、液阻和应变片的诱导柔度分别相当于电压、电阻和电容。由于泥沙的掩埋，将会增大传送过程中的液阻，降低压阻式压力传感器的动态性能。根据这一理论研究，可以通过增加一个连接部件和弹性膜片，增大泥沙掩埋时外界液体与传感器的有效接触面积，从而降低液阻，提高泥沙掩埋时压阻式压力传感器的动态性能。在泥沙掩埋时，现有的压阻式压力传感器的结构示意图如图2所示。将液体压力的传递过程等效为电传递过程，则压强、液阻和应变片的诱导柔度分别相当于电压、电阻和
电容，其等效电路图如图4所示。其中，U、A1J2、构和Q分别对应于压强j 高阻孔、
空腔、掩埋泥沙的液阻和应变片的诱导柔度。因为传感器内的泥沙有大量毛细孔，液体通过毛细孔的孔道与应变片接触，所以，高阻孔和空腔的液阻等于各毛细孔液阻的并联液阻。同时，由于毛细孔的直径很小，且液体在孔道内运动速度极小，因而，液体在孔道内的运动状态必然是层流。假设毛细孔均匀分布于泥沙内，各毛细孔的孔道面积近似相等。根据流体
力学的相关知识，则馬、J3、鳥、q分别为
128rat, 12&￠:, ---- ，R7 =--— ，JI5 =-j- , C1 =—
uJ■· O f· uni if*JP1--JnrJi-TIm/r
置Α·|其中，7为外界液体的等效动力粘度系数，其大小直接表示外界液体内摩擦力的
大小；矣、￡2和￡3分别为高阻孔的长度、空腔的长度和泥沙掩埋的深度为毛细孔孔道
直径；5!、52和為分别为高阻孔、空腔和应变片的面积，s为单位面积的毛细孔数量；
为应变片的等效刚度。利用拉普拉斯变换求解(设s为拉普拉斯变换因子)，得到压阻式压力传感器的动态响应为剛 A/训 =剛^^J^^I (I)
R1 +R2 +R3 +IZ(C1S) [I+ (R1+R2+ R^yclS J其中，AP2O)为压阻式压力传感器的动态响应，为外界压力的动态变化。当压强P为阶跃变化时，利用逆拉普拉斯变换求解，得到压阻式压力传感器的时域动态响应为
ft Λ(/)=1 e 彳馬 +馬 +^K'1 \s(t)(2)
I >0其中，为单位阶跃函数，< ) = - |，t = 0o·
ft <0在压阻式压力传感器的高阻孔上加一个半径更大的连接部件，以增大传感器与泥沙有效接触面的直径，同时，在连接部件上加一层非常柔软的弹性膜片，以防止泥沙进入高
阻孔，泥沙掩埋时该传感器的结构示意图如图3，其等效电路图如图5。其中，i/、木、Ji”K、和A分别对应于压强^、高阻孔、空腔、泥沙、连接部件的液阻、应变片和弹性膜片的诱导柔度。假设此时传感器内填充液与外界液体具有相同的动力粘度系数，则.木、Jtj、為、.置4 > 分别为:
「nm ■ _Jt-Jt- _ 12&JC, ’―c- _ ^
_5]^=C1' 7 ^2其中，为传感器内填充液的等效动力粘度系数；￡4为连接部件的长度H
、(和*4分别为高阻孔、空腔、连接部件的直径和泥沙与传感器的等效接触面直径；12为弹性膜片的等效刚度。增加连接部件和弹性膜片后，假设传感器的填充液与外界液体具有相同的动力粘度系数，即"二 ％，由于Sj&Brfj < 和^fi <<rf3，因此，Ji丨 Μτ，即1
阻孔的液阻大大减小。同理，空腔和泥沙的液阻均大大减小。利用拉普拉斯变换求解，得到改进后的压阻式压力传感器的动态响应为
AIJ f \ — AIK Λ__
S — S Λ； i i Λ； IR4 I IZidlS) + IIiC7S)
fΛ(3)
=飞^^^^ΓΤI+-—R4yc^
V L2J由于连接部件的尺寸相对于高阻孔和空腔的尺寸很大，所以，连接管部件的液阻可以忽略，BP .O。同时，弹性膜片非常柔软，压力在弹性膜片上几乎不耗损，即C；
。因此，在增加一个连接部件和弹性膜片后，泥沙掩埋时压阻式压力传感器对阶跃信号的时域动态响应可以近似为
权利要求1.一种压阻式压力传感器，其特征在于，包括弹性膜片、连接管、传感器空腔和应变片，所述弹性膜片装置在连接管的上端，所述连接管的下端与传感器空腔连接，所述传感器空腔的底部设置应变片，所述传感器空腔和连接管连接处设置高阻孔。
2.根据权利要求I所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述连接管半径远远大于高阻孔半径。
3.根据权利要求I或2所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述传感器空腔的半径大于高阻孔的半径。
4.根据权利要求3所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片采用柔性材料。
专利摘要本实用新型公开了一种压阻式压力传感器，包括弹性膜片、连接管、传感器空腔和应变片，所述弹性膜片装置在连接管的上端，所述连接管的下端与传感器空腔连接，所述传感器空腔的底部设置应变片，所述传感器空腔和连接管连接处设置高阻孔。通过增设连接管和弹性膜片，增大泥沙掩埋时外界与压力传感器的有效接触面积，以减小压力传递过程中的液阻，达到改善泥沙掩埋条件下压阻式压力传感器动态特性，并提高传感器使用寿命的目的。
文档编号G01L9/06GK202693188SQ20122027020
公开日2013年1月23日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者姜润翔, 贾亦卓, 龚沈光, 李俊, 张伽伟 申请人:中国人民解放军海军工程大学