一种耐350℃高温压力传感器的转接环结构的制作方法

本发明涉及一种耐350℃高温压力传感器的转接环结构，主要应用于监测发动机压力、测量绝对压力等技术领域。

背景技术：

随着我国工业自动化控制程度的提高，在智能建筑、生产自控、航空航天、石化、机床、油井等许多领域都需要对压力进行监测。压力传感器将压力转换为电信号，以便于系统进行处理，实现精准的自动化控制，这在常规领域已经普遍应用。目前，高温领域对压力的监测的需求越来越多，如监测发动机气体压力和燃油压力的变化等。温压力传感器能够在比较恶略的高温环境下对压力进行精确的、长期的、稳定的监测。

然而现有技术中的高温压力传感器转接环很难兼顾输出稳定、精度高、耐高温等特点，在很多工况的使用上并不理想。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术中的高温压力传感器很难兼顾输出稳定、精度高、耐高温等特点，在很多工况的使用上并不理想的问题，本发明提供了一种耐℃高温压力传感器的转接环结构。

本发明采用以下技术方案：一种耐350℃高温压力传感器的转接环结构，它包括压力敏感芯体、引线转接组件、调理电路和数字处理器，所述压力敏感芯体、引线转接组件、调理电路、数字处理器依次相连。

进一步地，压力敏感芯体包括金属膜片和半导体敏感膜片，金属膜片的一端和半导体敏感膜片的一端连接构成刚性一体结构。

优选地，半导体敏感膜片选用硅-蓝宝石耐高温材料制成。

进一步地，所述半导体敏感膜片利用微机械加工工艺制作。

优选地，金属膜片的截面为e形，金属膜片采用tc钛合金材料制作，tc钛合金的屈服强度×pa；

所述金属膜片的平面部分与半导体敏感膜片的输入端相连。

进一步地，半导体敏感膜片的输出端的边缘设有r、r、r和r四个电阻条，r、r的长度方向以半导体敏感膜片轴线为基准对称设置，r、r的长度方向以半导体敏感膜片的轴线为基准对称设置，r、r、r和r设置的方向互相平行，r、r、r和r上分别与一根芯体引线的输入端连接。

再进一步地，所述引线转接组件包括陶瓷引线、压接组件和高温电缆；

所述每根芯体引线的输出端与一根陶瓷引线的输入端连接，陶瓷引线的输出端与压接组件的一端连接，压接组件的另一端与高温电缆的输入端连接；

进一步地，所述压接组件内部设有可伐丝，可伐丝的输入端与陶瓷引线的输出端连接，可伐丝的输出端与高温电缆的输入端连接。

再进一步地，所述调理电路包括模拟采集电路、模数转换器和模数转换器基源，模拟采集电路的输入端与高温电缆的输出端连接，模拟采集电路的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输入端还与模数转换器基源相连，模数转换器的输出端与数字处理器连接。

再进一步地，所述一种耐350℃高温压力传感器的转接环结构还包括接头、转接板、转接环、绝缘子外环、陶瓷引线组件、外壳、压板、螺钉、高温石英布和插头；

所述接头与金属膜片的另一端连接，转接环的一端与金属膜片一端的外侧固接，转接环的另一端与绝缘子外环的一端固接，绝缘子外环的另一端与外壳的一端固接；外壳的另一端与压板的一端连接，

所述转接板设置在转接环内部，芯体引线穿过转接板；

所述陶瓷引线组件设置在陶瓷引线的外部，陶瓷引线组件外沿与绝缘子外环的内壁相连；

所述高温电缆穿过外壳的另一端和压板的中部，压板圆周上设有螺钉，压板与高温电缆之间设有高温石英布。

所述高温电缆的输出端与插头连接，并通过插头转接到模拟采集电路上。

有益效果：

所述的硅-蓝宝石芯体，蓝宝石熔点达到2040℃，具有良好的光学特性、绝缘性，在1500℃时机械性能良好，是制备高温传感器的理想材料。其基底膜片的厚度尺寸可根据产品量程要求对蓝宝石圆膜片厚度进行设计，确保芯体的可靠性工作，获得较大的灵敏度。

所述的引线转接组件，采用微机械加工技术制作，利用聚酰亚胺材质进行转接头保护，提高了压力芯体和高温电缆的转接可靠性。实现了高温环境下芯体的可靠信号输出。

所述的调理电路包括稳压电路及滤波电路，主要实现对敏感元件信号供电、调理、滤波。其具有低噪声、抗电磁干扰、灵敏度高、宽输入带宽等特点，保证了电路对压力信号的检测能力。

所述的数字信号器，进行采集、运算与处理。实现对信号的采集、滤波处理、温度补偿、数字输出。提高了传感器信号的实用性和可靠性。

本传感器具有输出稳定，精度高，耐高温350℃等特点，随着市场扩大，将产生较大的经济效益。

附图说明

图1为本发明的一种耐350℃高温压力传感器的转接环结构的原理简图；

图2为本发明的一种耐350℃高温压力传感器的转接环结构的结构简图；

图3为硅-蓝宝石示意图；

图4为压力敏感芯体结构示意图；

图5压力芯体弹性膜片厚度仿真图；

图6带有硬中心的金属膜片示意图；

图7金属膜片应力分布曲线图；

图8为可伐丝示意图；

图9氩弧焊球形焊点及压扁工艺示意图；

图10扁球形焊点与铂电阻引线压焊示意图；

图11压焊合格焊点示意图；

图12信号处理部分原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种耐350℃高温压力传感器的转接环结构，它包括压力敏感芯体、引线转接组件、调理电路和数字处理器22，所述压力敏感芯体、引线转接组件、调理电路、数字处理器22依次相连。

数字处理器采用cs32f103cb，cs32f103cb使用高性能的armcortex-m332位的risc内核，最大工作频率为72mhz，内置高速存储器高达64k字节的闪存和20k字节的sram，通过采集模数转换过来的信号，对传感器的信号进行存储，并采用滤波算法和温度补偿算法对信号进行处理，进一步以去除噪声干扰，降低热漂移，以提高测试总精度。

具体实施方式二：压力敏感芯体包括金属膜片2和半导体敏感膜片3，金属膜片2的一端和半导体敏感膜片3的一端连接构成刚性一体结构。

两种膜片构成刚性一体结构，共同感受压力变化。

其他实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：半导体敏感膜片3选用硅-蓝宝石耐高温材料制成。

其他实施方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四:所述半导体敏感膜片3利用微机械加工工艺制作。

其他实施方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：金属膜片2的截面为e形，金属膜片2采用tc4钛合金材料制作，tc4钛合金的屈服强度1×10⁹pa；

所述金属膜片2的平面部分与半导体敏感膜片3的输入端相连。

金属膜片材料选用钛合金材料与蓝宝石材料温度系数匹配性好、耐腐蚀、且脆性小

其他实施方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式六：半导体敏感膜片3的输出端的边缘设有r1、r2、r3和r4四个电阻条，r2、r4的长度方向以半导体敏感膜片3轴线为基准对称设置，r1、r3的长度方向以半导体敏感膜片3的轴线为基准对称设置，r1、r2、r3和r4设置的方向互相平行，r1、r2、r3和r4上分别与一根芯体引线17的输入端连接。

r2、r4与径向垂直，r1、r3与径向平行，膜片受到外界流体压力时，一组电桥电阻增大，则另一组电桥电阻变小，可获得较大的灵敏度。

其他实施方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式七：所述引线转接组件包括陶瓷引线18、压接组件8和高温电缆13；

所述每根芯体引线17的输出端与一根陶瓷引线18的输入端连接，陶瓷引线18的输出端与压接组件8的一端连接，压接组件8的另一端与高温电缆13的输入端连接。

其他实施方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式八：所述压接组件8内部设有可伐丝，可伐丝的输入端与陶瓷引线18的输出端连接，可伐丝的输出端与高温电缆13的输入端连接。

陶瓷引线为钛合金，为增加其可焊性，将可伐丝通过激光焊接技术，将该引线引出。可伐丝与高温电缆之间的压接工艺主要是采用氩弧焊方式将高温电缆芯线端头焊成球形焊点，氩弧焊成球形焊点后，应在12h内进行点焊，否则要对扁球形焊点用金相砂纸打磨，用绸布沾无水乙醇清洁，去除氧化层。用点焊机焊接可伐丝与扁球形焊点。焊点搭接长度应不小于高温电缆扁球形焊点外形尺寸的4/5。压接组件安装前将高温电缆的芯线上套高温石英布进行焊点保护。

其他实施方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：所述调理电路包括模拟采集电路19、模数转换器20和模数转换器基源21，模拟采集电路19的输入端与高温电缆13的输出端连接，模拟采集电路19的输出端与模数转换器20的输入端相连，模数转换器20的输入端还与模数转换器基源21相连，模数转换器20的输出端与数字处理器22连接。

模拟采集电路将芯体产生的微弱电信号滤波放大，将处理好的电压信号传输到模数转换器中，模数转换器与基准源产生的基准源进行比对采集，将电压信号转换为数字信号，通过模数转换器的spi总线与处理器进行通信；

其他实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：所述一种耐350℃高温压力传感器的转接环结构还包括接头1、转接板4、转接环5、绝缘子外环6、陶瓷引线组件7、外壳9、压板10、螺钉11、高温石英布12和插头14；

所述接头1与金属膜片2的另一端连接，转接环5的一端与金属膜片2一端的外侧固接，转接环5的另一端与绝缘子外环6的一端固接，绝缘子外环6的另一端与外壳9的一端固接；外壳9的另一端与压板10的一端连接，

所述转接板4设置在转接环5内部，芯体引线17穿过转接板4；

所述陶瓷引线组件7设置在陶瓷引线18的外部，陶瓷引线组件7外沿与绝缘子外环6的内壁相连；

所述高温电缆13穿过外壳9的另一端和压板10的中部，压板10圆周上设有螺钉11，压板10与高温电缆13之间设有高温石英布12。

所述高温电缆13的输出端与插头14连接，并通过插头14转接到模拟采集电路19上。

其他实施方式与具体实施方式八相同。

其他实施方式：

半导体敏感膜片3的厚度δδ和半径r的选取具体过程为：

先确定施加的压力p，即压力最大承受范围，再确定有效半径r,最后确定膜片厚度δ；

硅-蓝宝石的弹性极限为σe＝2.51×10⁸pa，在硅-蓝宝石的弹性极限内，半导体敏感膜片3的应力与应变具有良好的线性关系，硅-蓝宝石膜片的半径r与膜片厚度δδ的比满足以下关系：

根据上述关系式(15)依次设计半导体敏感膜片3的施加的压力p、有效半径r和膜片厚度δ。

确定金属膜片2的参数的具体过程为：

先确定金属膜片2承受的压力,再确定金属膜片2的半径；

金属膜片2的半径与膜片厚度满足以下关系：

r'-金属膜片2边界半径；

r0-金属膜片2的膜片硬中心半径；

r-金属膜片2的膜片的实际半径；

p'-金属膜片2的膜片平面受到的均布压强；

u-泊松比；

h-膜片厚度；

w-挠度，wmax-最大挠度；

e-杨氏模量；

in-表示以e为底的的对数；

在上述关系式(16)中，其中u、e为定值，先根据需求决定金属膜片的最大挠度wmax和金属膜片2的膜片平面受到的均布压强p'，再确定r'和r0，最终确定h，设计时，需要考虑金属膜片2半导体敏感膜片3的贴合程度，尽量满足r≈r'。

工作原理：本发明采用压阻效应原理，利用惠斯通电桥，将桥臂上的电阻变化转换成输出电压的变化，实现压力信号到电压信号的转换，再经过对信号进行放大、滤波等处理，最终将压力信号转换为rs-485数字总线信号输出。

其具体为当压力均匀作用在压力敏感芯体的膜片上时，金属e型膜片产生形变，并将变形传递给硅-蓝宝石芯片上，根据压阻效应原理转换成电阻的变化，惠斯登电桥将因桥臂电阻的变化而失去平衡，从而引起输出电压信号变化。通过调理电路将信号转换为模拟量传入数字处理器进行采集、运算与处理；

模拟采集电路通过ad芯片实现对微弱电压信号的放大、采集、数字转换、温度补偿、数字输出。再通过通信芯片将数字处理器的uart信号转换为rs-485信号与上位机通信。