水介質(zhì)動(dòng)態(tài)壓力傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于家福， 王星來(lái)， 李 兵， 鄒其利， 唐 貴

(1海軍駐北京地區(qū)導(dǎo)彈配套設(shè)備軍事代表室 北京 100039 2北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076 3北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

前 言

在航天、航空、武器、船舶等領(lǐng)域，壓力傳感器得到了廣泛應(yīng)用。一般壓力傳感器用于測(cè)量緩變壓力信號(hào)，頻響范圍多為零赫茲到幾十赫茲。但在一些特殊測(cè)量環(huán)境下，壓力傳感器的頻響范圍要求能夠達(dá)到幾千赫茲，且必須滿足惡劣的環(huán)境要求，此時(shí)傳統(tǒng)的壓力傳感器已很難滿足這些苛刻的測(cè)量要求。為此，本文主要從以下三個(gè)方面對(duì)水介質(zhì)動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì):①性能優(yōu)越、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的高固有頻率壓力敏感元件;②引壓管腔結(jié)構(gòu);③后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路。本文要求所設(shè)計(jì)的壓力傳感器具有5kHz的動(dòng)態(tài)頻響范圍。

圖1 壓力傳感器工作原理

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文壓力傳感器采用一體化設(shè)計(jì)，包括感壓敏感元件、結(jié)構(gòu)、信號(hào)調(diào)理電路三個(gè)功能模塊。壓力傳感器工作原理如圖1所示。

敏感元件將感受到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為差動(dòng)毫伏級(jí)電壓信號(hào)，并進(jìn)行靈敏度的自補(bǔ)償;信號(hào)調(diào)理電路將感壓敏感元件輸出的小信號(hào)放大調(diào)整為用戶需要的電壓信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理;傳感器結(jié)構(gòu)為敏感元件和電路提供最佳的組合安裝，便于壓力的測(cè)量和信號(hào)的輸出。

2 高固有頻率壓力敏感元件設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)變式膜片設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的壓力傳感器要求具有5kHz的頻率響應(yīng)，采用薄膜應(yīng)變式測(cè)壓，利用惠斯通電橋進(jìn)行壓力與電壓的轉(zhuǎn)換。其核心是濺射膜片，結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先利用離子束濺射沉積的方法在彈性膜片上先后沉積絕緣介質(zhì)層、合金電阻層和金電極層(如圖2(a)所示)，然后采用薄膜微加工技術(shù)制作應(yīng)變電阻、溫補(bǔ)電阻和電極圖形(如圖2(b)所示)，最后沉積保護(hù)層。當(dāng)被測(cè)壓力產(chǎn)生變化時(shí)，彈性膜片相應(yīng)產(chǎn)生微小形變，由于電阻應(yīng)變效應(yīng)迫使惠斯通電橋橋臂電阻值發(fā)生變化，從而使傳感器的輸出電壓值也相應(yīng)發(fā)生變化[1]。

圖2 濺射膜片結(jié)構(gòu)

敏感元件采用周邊固支圓平膜片作為敏感膜，膜片結(jié)構(gòu)如圖3所示，膜片的尺寸設(shè)計(jì)一般遵循以下原則:

①膜片任意部位的應(yīng)力不超過(guò)材料的彈性極限，并取必須的安全系數(shù)(一般取n=1.5 ～2.0);

②根據(jù)小擾度理論，膜片的最大擾度應(yīng)小于膜片厚度的1/3;

③膜片的最大相對(duì)非線性誤差應(yīng)小于敏感元件總精度的1/3;

④用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，要求固有頻率大于被測(cè)信號(hào)頻率5倍以上。

設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)前3條設(shè)計(jì)原則，選取合適的半徑厚度比，然后考慮敏感元件安裝情況、外形尺寸等，選取合適的半徑以及厚度。由于本文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量，因此膜片設(shè)計(jì)必須滿足第4條要求。

圖3 周邊固支圓平膜片結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 膜片頻響特性計(jì)算與仿真

按照膜片設(shè)計(jì)原則，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，膜片的固有頻率必須大于被測(cè)信號(hào)頻率的5倍以上，所以在膜片設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮敏感元件的固有頻率[2]。膜片固有頻率的一般計(jì)算公式為:

圖4 膜片模態(tài)分析圖

其中，h為膜片厚度(mm)，R為膜片半徑(mm)，μ為膜片材料的泊松比，E為膜片材料的彈性模量(Pa)，ρ為膜片材料的密度(kg/mm3)。

壓力傳感器膜片材料選用17-4PH，材料的彈性模量為196GPa，泊松比為 0.272，材料密度為 7850kg/mm3，選擇合適的半徑厚度比，經(jīng)過(guò)計(jì)算膜片設(shè)計(jì)的固有頻率為36.3kHz。圖4為采用Ansys軟件進(jìn)行模態(tài)仿真得到的結(jié)果。仿真的膜片固有頻率約為35.8kHz，與設(shè)計(jì)的膜片固有頻率接近，且滿足大于信號(hào)頻率5倍的要求。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械外殼設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)及敏感元件裝配如圖5所示。敏感元件安裝在基座底端，與基座采用電子束方式進(jìn)行焊接。外罩與支架均采用激光焊接，壓力傳感器整體采用帶“O”型密封圈的法蘭安裝。該結(jié)構(gòu)零部件少、簡(jiǎn)單可靠，并且具有很好的氣密性，能夠滿足水介質(zhì)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的測(cè)量需求。

3.2 管腔諧振頻率分析與計(jì)算

管腔效應(yīng)對(duì)高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器影響較大，有研究表明:如果壓力敏感元件的固有頻率能夠達(dá)到20kHz～80kHz，則當(dāng)有管腔效應(yīng)影響時(shí)，壓力傳感器的頻率響應(yīng)將下降到2.47kHz[3]。管腔固有頻率簡(jiǎn)化公式如式(2)所示。

其中，a0為0℃條件下的音速值(a0=331.4m/s)，β為溫度系數(shù)(β=0.00367)，t為測(cè)量壓力介質(zhì)溫度，L為管腔的長(zhǎng)度。

從式(2)可以看出，壓力傳感器的管腔越短，諧振頻率越高，所以為了盡可能減小管腔效應(yīng)的影響，常采用短直筒的結(jié)構(gòu)方式，本文中壓力傳感器結(jié)構(gòu)按圖5所示設(shè)計(jì)，直筒管腔深3.5mm，代入式(2)可得諧振頻率為22.5kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5kHz的頻響要求。

根據(jù)傳感器的使用環(huán)境，采用Ansys仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的敏感元件和短直筒管腔進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真。采用圖4中所示的膜片結(jié)構(gòu)(直筒管腔內(nèi)傳遞介質(zhì)為水)，對(duì)傳感器加載從靜態(tài)到頻率40kHz、峰值4MPa的正弦壓力，動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)仿真結(jié)果如表1所示，曲線圖如圖6所示。

表1 傳感器動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)仿真數(shù)據(jù)

圖6 傳感器動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)仿真曲線

仿真結(jié)果顯示，傳感器在響應(yīng)水介質(zhì)壓力時(shí)的諧振點(diǎn)約為28.8kHz，當(dāng)響應(yīng)5kHz頻率壓力時(shí)，膜片撓度相對(duì)于靜態(tài)載荷時(shí)的撓度誤差為0.27dB(見表1)，膜片撓度誤差反映的是傳感器靈敏度的誤差，可以推論傳感器響應(yīng)5kHz壓力的動(dòng)態(tài)誤差也為0.27dB，遠(yuǎn)小于3dB截止頻率的誤差，因此傳感器測(cè)量頻帶滿足5kHz的要求。

4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路如圖7所示，其主要功能為:①為后續(xù)測(cè)試系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的傳感器電壓;②濾除噪聲及頻帶外的無(wú)用信號(hào)。

圖7 信號(hào)調(diào)理電路

在信號(hào)調(diào)理電路中為了提高傳感器的精度和抗干擾能力，采取了以下幾項(xiàng)措施:

①利用瞬態(tài)抑制二極管和專用的EMI濾波器來(lái)隔離電源的干擾和瞬態(tài)變化;

②放大電路采用儀器儀表放大器，提高了電路的精度，并且降低了溫度漂移;

③為放大電路和低通濾波電路加裝防自激電容;

④在傳感器的輸出級(jí)添加了限流電阻和限幅二極管，為后續(xù)測(cè)試系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的安全電壓。

5 動(dòng)態(tài)測(cè)試

本文采用正弦壓力信號(hào)發(fā)生器來(lái)校準(zhǔn)所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)壓力傳感器，測(cè)試系統(tǒng)整體架構(gòu)及傳感器實(shí)物如圖 8 所示[4]。

圖8 動(dòng)態(tài)壓力傳感器的正弦校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及傳感器實(shí)物

采用正弦壓力信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)傳感器的幅頻特性和相頻特性是已知的，因此只要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校準(zhǔn)傳感器的輸出信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集與分析，就可以求出被校準(zhǔn)傳感器的動(dòng)態(tài)特性。在測(cè)試中為壓力傳感器加載3.5MPa峰值恒定、頻率變化的正弦壓力信號(hào)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖9所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，0Hz～3kHz帶內(nèi)不平度小于±1dB，3kHz～5kHz帶內(nèi)不平度小于±3dB，帶外衰減大于-8dB/oct，達(dá)到了5kHz頻響的動(dòng)態(tài)特性。

6 結(jié)束語(yǔ)

在航天與武器等領(lǐng)域，高頻動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量越來(lái)越受到重視。本文針對(duì)惡劣環(huán)境下的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量，從高固有頻率壓力敏感元件、引壓管腔、信號(hào)調(diào)理電路三個(gè)方面對(duì)水介質(zhì)動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，優(yōu)化了壓力傳感器的動(dòng)態(tài)性能。本文還利用正弦壓力信號(hào)發(fā)生器對(duì)傳感器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的壓力傳感器具有很好的動(dòng)態(tài)特性。

圖9 動(dòng)態(tài)壓力傳感器幅頻特性曲線

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