圆膜片电阻应变式压力、压差传感器的制作方法

本实用新型涉及一种圆膜片电阻应变式压力、压差传感器，属于非电量电测技术领域。本实用新型可用于水利水电工程、城镇及工矿供排水工程及石油化工工程，测量河道、管道、水库、油(气)罐等流体的压力(液位)或压差，也可用于测量流体流速、流量。

背景技术：

测量流体压力(压差)的传感器很多，根据不同工作原理，有压电式、压阻式、电容式、电阻应变式等等。随着材料科学及电子信息、自动化技术的发展，常规压阻传感器普遍采用高灵敏度的扩散硅传感器，电容式传感器也更多的应用体积小、精度高的陶瓷电容传感器。

电阻应变式传感器是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器，电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计和盒体组成。与其它传感器相比，电阻应变式传感器应用早，技术成熟。电阻应变式传感器的突出优点还在于：精度高，测量范围广，寿命长，频响特性好，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

所见应变电测压力(压差)传感器专利有：①江苏农学院于1991年10月26日申请的《新型压力(差)传感器及其接口》(专利号为91227117.5)，该传感器是典型型式的电阻应变传感器，两只波纹管作为传力元件，弹性敏感元件非圆形膜片而是板式工作梁，传感器安装复杂，体积较大。

②张金驰于1998年12月3日申请的《将低流体压力转变为应变的弹性元件》(专利号为98249117.4)。该传感器应用了圆形膜片，流体压力荷载直接作用于膜片。但是，所用的膜片不是弹性敏感元件，只是作为传力元件，其弹性敏感元件是与圆膜片“制成一体的应变梁”。

③长野计器株式会社于2003年5月17日申请的《绝对压力型压力传感器》(专利号为03145462.3)。这种传感器弹性敏感元件采用圆形膜片，膜片直接承受流体荷载。但是，因其仅用于测定绝对压力，在圆膜片承受基准压力的一面必须做成封闭结构，内中为绝对真空。

④湖南长沙索普测控技术有限公司于2001年12月25日申请的《用于周边固支圆形平膜片钢环的薄膜应变电阻》(专利号为01257599.2)。该专利反映了“周边固支圆形平膜片”的研究成果，但这是应变计的成果，不是传感器的成果。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提出的一种圆膜片电阻应变式压力、压差传感器，该传感器是新型组合式电阻应变传感器，结构简单，安装便捷。

本实用新型的技术方案如下：圆膜片电阻应变式压力、压差传感器，包括传感器盒体，其特征是，所述传感器盒体包括带有空腔的凹形零件以及带有空腔的凸压零件，所述凸压零件的凸出部连接于凹形零件的凹陷部，构成传感器盒体，该传感器盒体的两端分别设有高压取压孔、低压取压孔；所述凹形零件、凸压零件之间设有圆形敏感膜片，所述敏感膜片的一面粘贴有箔式应变计，所述敏感膜片垂直于凹形零件、凸压零件的轴线。

进一步地，所述凸压零件、敏感膜片均为两个，所述凹形零件为一个，所述高压取压孔、低压取压孔分别置于两个凸压零件处；所述凹形零件的空腔中部设有环形凸台，所述凸压零件分别从凹形零件空腔的两端插入凹形零件空腔内，并分别置于环形凸台的两端面；两个敏感膜片分别置于两个凸压零件与环形凸台之间，且两个敏感膜片的相对面分别粘贴箔式应变计。

进一步地，两个敏感膜片之间夹持有传力柱，该传力柱置于环形凸台的内孔中，且两个箔式应变计串联连接。

进一步地，所述环形凸台的两端面在与两个敏感膜片接触处分别设有密封橡胶圈Ⅰ；两个敏感膜片安装有箔式应变计的一面与环形凸台的内孔分别围构成空腔，该空腔腔壁分别设有引线孔Ⅰ。

进一步地，所述敏感膜片、凸压零件、凹形零件均为一个，所述高压取压孔、低压取压孔分别置于凸压零件、凹形零件处；所述凸压零件、凹形零件连接处设有支承零件A，该支承零件A为空心结构，所述敏感膜片置于支承零件A与凸压零件之间。支承零件A的空腔与凹形零件的低压取压孔联通，敏感膜片贴有箔式应变计的一面朝向低压取压孔。

进一步地，所述支承零件A的两端面在与凸压零件、凹形零件连接处分别设有密封橡胶圈Ⅱ，所述敏感膜片两面浸涂密封胶。所述敏感膜片安装有箔式应变计的一面与凹形零件之间围构成空腔，该空腔腔壁设有引线孔Ⅱ，所述支承零件A在与该引线孔Ⅱ对应处设有通孔Ⅰ。

进一步地，所述敏感膜片、凸压零件、凹形零件均为一个，所述高压取压孔、低压取压孔分别置于凸压零件、凹形零件处，所述凸压零件、凹形零件连接处设有两个空心结构的支承零件B；其中一个支承零件B在与凸压零件接触处设有传力弹性片，另一个支承零件B在与凹形零件接触处也设有传力弹性片；所述敏感膜片置于两个支承零件之间，且敏感膜片与两个传力弹性片之间分别夹持有传力珠。两个支承零件B的空腔分别与高压取压孔、低压取压孔联通，敏感膜片贴有箔式应变计的一面朝向低压取压孔。

进一步地，每个支承零件B的空腔中部设有环形板，所述传力珠置于环形板的内孔处，两个支承零件B的端面与凸压零件、凹形零件连接处分别设有密封橡胶圈Ⅲ。所述敏感膜片安装有箔式应变计的一面与凹形零件之间围构成空腔，该空腔腔壁设有引线孔Ⅲ，支承零件B在与该引线孔Ⅲ对应处设有通孔Ⅱ。

进一步地，所述敏感膜片的直径环向形成固支，其有效直径D＝22mm，敏感膜片采用铍青铜或磷青铜制成，其纵向弹性模数泊松系数μ＝0.3。

进一步地，为提高传感器线性，荷载系数Q应控制在一定范围：

Q＝p(R/h)⁴/E≤3.5 (1)

式中p为荷载(Pa)，R为敏感膜片半径(mm)，h为敏感膜片厚度(mm)；

所述敏感膜片厚度h：

h≥R/[(3.5E/p)^1/4] (2)；

所述敏感膜片径向及切向应变值：

εr＝3p(1-μ²)(R²-3r²)/(8Eh²) (3)

εt＝3p(1-μ²)(R²-r²)/(8Eh²) (4)；

所述敏感膜片中心径向及切向最大应变值相等：

εrmax＝εtmax＝3p(1-μ²)R²/(8Eh²) (5)。

本实用新型的压力、压差传感器共有四种方案：

1.如图1所示，采用两个圆形弹性敏感膜片，粘贴两只应变计，一个承受高压Pm，一个承受低压Pn。两个膜片之间的空腔不接触被测流体，利于保护箔式应变计。这种传感器实际是两个独立的压力传感器，这种传感器的作用是：可以测定相对压力，也可以测定压差。若低压侧通大气，高压侧接被测流体，所测结果为被测流体的相对压力。用于测定压差时，高压取压孔、低压取压孔通高压及低压被测流体，压差值为高压与低压之差，ΔP＝Pm-Pn，可通过接口电路求得，亦可通过仪表数据处理实现。

2.如图2-1所示，采用两个敏感膜片，粘贴两只应变计，一个承受高压，一个承受低压。这种传感器的特征在于：两个敏感膜片间有传力柱，弹性敏感膜片一面承受流体匀布荷载，贴应变计的一面承受传力柱的集中荷载，利于提高灵敏度。如图2-2、2-3所示，两只应变计正向串联接线或反向串联接线。该方案与方案之一的不同在于：机械结构上，方案一是两个独立的传感器，弹性敏感膜片无联系，应变计各有单独的输出；方案二两个敏感膜片配合工作，两个应变计电桥串联，虽各有单独的电源，但只有一个输出，承受高压的敏感膜片通过传力柱将压力传递至承受低压的敏感膜片处，最终检测值为两只应变计的读数合成。

方案二传感器实际应用场合主要是压差测定，承受高压的敏感膜片和承受低压的敏感膜片通过凸压零件分别通高压流体及低压流体，作为水深计及其它特例应用情况。低压侧通大气，高压侧接被测流体，所测结果为被测流体的相对压力。

3.如图3-1、3-2所示，采用一个敏感膜片，粘贴一个应变计，敏感膜片无应变计的一面承受高压，有应变计的一面承受低压。这种传感器既能测定相对压力，也能测定压差。作为水深计及其它特例应用情况，低压侧通大气，高压侧接被测流体，所测结果为被测流体的相对压力。如高、低压侧分别接高、低压被测流体，则所测结果为压差。这种传感器用于液体压差测定场合，敏感膜片两面浸涂密封胶，以满足两面接触液体要求。

4.如图4-1、4-2所示，采用一个膜片，粘贴一个应变计，敏感膜片一面承受高压，另一面承受低压。这种传感器不同于方案三的特征在于：传感器高、低压取压孔部位分别安装两个薄的传力弹性片，并分别通过两个传力珠以集中力方式，将流体压力传至敏感膜片中心点。这种传感器在使用时，低压侧通大气，高压侧接被测流体，所测结果为被测流体的相对压力。如高、低压侧分别接高低压被测流体，则所测结果为压差。这种传感器不同于方案一、二、三的特征还在于：不论用于任何工况，弹性敏感膜片的两面、应变计均不接触被测流体。

作为传感器，还包括电气部分。本实用新型压力(压差)传感器电气部分包括应变计电桥及接口电路，传感器接口电路已有成熟的技术。但是，为兼顾防爆等要求，电源电压受限制，电阻应变压力(压差)传感器输出信号较弱，排除干扰确保输出稳定是设计的重点。近年面市的NSA(C)2860是国内首款高精度集成化工业传感器调理变送芯片，可成功地应用于各种阻式或电容式传感器。NSA2860集成了外部JFET控制器，24位主信号测量通道，传感器校准逻辑，双路恒流源等电路，并可以支持数字接口输出，模拟电压输出，4～20mA变送输出，PWM/PDM输出等各种模式。NSA2860仅需最少的外部器件，即可实现压力变送模块的校准和变送。通过内置的MCU，NSA2860支持对传感器的零点，灵敏度的二阶温度漂移校准以及三阶非线性校准，校准精度可以达到0.1％以内，其校准系数存储于一组EEPROM中。本实用新型压力(压差)传感器最新采用功能先进、体积小、价格低廉的理想的接口电路芯片NSA286。

关于传感器的接口电路，因芯片NSA286系近年面市的新产品，以上4个应变电测压力(压差)传感器国家专利均无此先进芯片的应用。

背景技术中所提到的专利文件①，与本实用新型相比，因有两只波纹管作为传力元件，弹性敏感元件非圆形敏感膜片而是板式工作梁，传感器安装复杂，体积较大，且结构不同。专利文件②所用的膜片不是弹性敏感元件，只是作为传力元件，其弹性敏感元件是与圆膜片“制成一体的应变梁”，与本实用新型的结构也大不相同。专利文件③的弹性敏感元件采用圆形膜片，膜片直接承受流体荷载；但是，因其仅用于测定绝对压力，且低压侧封闭，内中绝对真空，与本实用新型结构不同；本实用新型的传感器结构用于测定压差，还可以测定相对压力，其低压侧不作封闭，直接接触被测流体或通大气。专利文件④反映了“周边固支圆形平膜片”的研究成果，但这是应变计的成果，不是传感器的成果，本实用新型是应用“周边固支圆形平膜片”的压力(压差)传感器，是应变计的应用。

本实用新型的传感器可用于测定流体的相对压力及压差；带新型接口(即NSA2860芯片)，具有标准信号输出；其与显示系统配合，可组装成新型压力仪、压差仪，真空-压力仪、压力-压差仪、水位计、流速仪、流量计等；与计算机配合，可完成压力(液位)、压差、流速、流量等的自动检测。

附图说明

图1为本实用新型方案一中圆膜片电阻应变式压力、压差传感器的结构示意图；

图2-1为本实用新型方案二中圆膜片电阻应变式压力、压差传感器的结构示意图；

图2-2为本实用新型方案二中箔式应变计正向串联示意图；

图2-3为本实用新型方案二中箔式应变计反向串联示意图；

图3-1为本实用新型方案三中圆膜片电阻应变式压力、压差传感器的结构示意图；

图3-2为图3-1的装配示意图；

图4-1为本实用新型方案四中圆膜片电阻应变式压力、压差传感器的结构示意图；

图4-2为图4-1的装配示意图；

图中：1凹形零件、2-1支承零件A、2-2支承零件B、3凸压零件、4圆形敏感膜片、5箔式应变计、6-1密封橡胶圈Ⅰ、6-2密封橡胶圈Ⅱ、6-3密封橡胶圈Ⅲ、7-1引线孔Ⅰ、7-2引线孔Ⅱ、7-3引线孔Ⅲ、8高压取压孔、9低压取压孔、10传力弹性片、11传力珠、12传力柱、13环形凸台、14-1通孔Ⅰ、14-2通孔Ⅱ、15环形安装板。

具体实施方式

1.实施例一

如图1所示，传感器结构包括：凹形零件1、凸压零件3、密封橡胶圈Ⅰ6-1、弹性敏感膜片4、箔式应变计5、引线孔Ⅰ7-1、高压取压孔8、低压取压孔9。盒体是弹性敏感膜片4的支承零件，凸压零件3用螺纹联接凸入零件1，压紧弹性敏感膜片4，弹性膜片上粘贴箔式应变计5，与盒体之间装密封橡胶圈Ⅰ，盒体上有引线孔Ⅰ，凸压零件3带螺纹取压接头8、9(即高压取压孔、低压取压孔)。传感器工作时，两个膜片分别承受被测流体压力Pm和Pn。

传感器制作包括：

①弹性膜片制作：1)金属弹性片加工：按选定的材料和工作荷载如p(Pa)，按以上设计计算方法确定荷载系数Q、应变片厚度h；2)选购合适的应变计，选用箔式应变计；3)应变计粘贴、固化：按应变计粘贴技术完成应变计粘贴和固化；4)应变计接成桥路及保护：桥臂电阻接成电桥后以丙酮棉球洗擦后，稀胶涂层保护。

②盒体加工：1)选用有色金属材料(黄铜、不锈钢或合金铝)；2)机械加工。

③接口电路设计、调制。

④安装：安装接触面、螺纹接触面以丙酮洗擦，密封橡胶圈涂密封胶(硅胶)。

说明：盒体凹形零件1、盒体凸入零件3除采用有色金属机械加工外，亦可采用PSA或SPA3D打印；支承零件2宜采用SPA材料3D打印。

2.实施例二

如图2-1、2-2、2-3所示，传感器结构包括：凹形零件1、凸压零件2、密封橡胶圈6-1、弹性,敏感膜片4、箔式应变计5、引线孔7-1、传力柱12、取压孔8和9。与实施例一不同在于：两个弹性膜片的应变计电桥串联成组合式电桥，两个弹性膜片之间有传力柱7。余同实施例一。

传感器制作、安装基本要求同实施例一。安装中注意检查传力柱灵活性及长度尺寸，装配中传力柱稍长于两个圆膜片的净距离，确保荷载传递连续。

3.实施例三

如图3-1、3-2所示，传感器结构包括：凹形零件1、支承零件2、凸压零件3、敏感膜片4、箔式应变计5、“O”形密封橡胶圈6-2、引线孔7-2、高压取压孔8、低压取压孔9。这种传感器与实施例一、二不同之处在于：仅有一个敏感膜片。盒体凸压零件3以螺纹联接方式装入凹形零件1，其间有支承零件A 2-1，支承零件A的两面凹槽中装“O”形橡胶圈6-2。

传感器工作时，取压孔8通高压。测压力及液位时，取压孔9一端通大气；测压差时，取压孔9一端接低压。这种传感器膜片两面都会接触被测流体，需要浸涂防水绝缘胶。

传感器制作、安装基本要求同实施例一。盒体凹形零件1、盒体凸入零件3除采用有色金属机械加工外，亦可采用PSA或SPA3D打印；支承零件2宜采用SPA材料3D打印。

4.实施例四

如图4-1、4-2所示，传感器结构包括：凹形零件1、支承零件2、盒体凸入零件3、敏感膜片4、箔式应变计5、“O”形密封橡胶圈6-3、引线孔7-3、高压取压孔8、低压取压孔9、传力弹性片10、传力珠11。这种传感器与实施例三不同，敏感膜片外另有两只接触被测流体的薄片(传力弹性片)10，薄片与弹性敏感膜片之间有传力圆珠11。因此，不论用于何种场合，敏感膜片的两面不接触被测流体。

安装时，盒体凸入零件3以螺纹联接方式装入凹形零件1，其间有两个支承零件B 2-2，敏感膜片4夹装于两个支承零件之间，凹槽中装“O”形橡胶圈6-3。

传感器工作时，取压孔8通高压。测压力及液位时，取压孔9一端通大气；测压差时，取压孔9一端接低压。

传感器制作、安装基本要求同实施例一。盒体凹形零件1、盒体凸入零件3除采用有色金属机械加工外，亦可采用PSA或SPA3D打印；支承零件2宜采用SPA材料3D打印。

传力珠严格要求采用标准化产品。安装中注意检查传力珠灵活性，装配中传力珠直径稍大于圆膜片与弹性薄片的净距离，确保荷载传递连续。

这种传感器弹性敏感膜片与传力薄片形成两个空腔，由于敏感膜片与两个支承零件B之间无密封措施，所以这两个空腔不完全密闭，不存在压差，因此作用于敏感元件的荷载除传力珠集中荷载外，无其它不平衡荷载。

由四周固支膜片的力学特性，均布荷载p及集中力F(＝0.25πR²·p)的中心最大变形分别为：

w0＝wmax＝3p(1-μ²)R⁴/(16Eh³) (6)

wmax＝3F(1-μ²)·4R²/(4Eπ·4h³) (7)。

由此可知，相应荷载条件下，集中力的变形效应比匀布荷载扩大4倍。也就是说，只要薄片选择适当，不至因增加传力片而降低传感器灵敏度。