水介质动态压力传感器设计与实现

2014-11-09于家福王星来邹其利

遥测遥控 2014年3期

于家福，王星来，李兵，邹其利，唐贵

(1海军驻北京地区导弹配套设备军事代表室北京 100039 2北京宇航系统工程研究所北京 100076 3北京遥测技术研究所北京 100076)

前言

在航天、航空、武器、船舶等领域，压力传感器得到了广泛应用。一般压力传感器用于测量缓变压力信号，频响范围多为零赫兹到几十赫兹。但在一些特殊测量环境下，压力传感器的频响范围要求能够达到几千赫兹，且必须满足恶劣的环境要求，此时传统的压力传感器已很难满足这些苛刻的测量要求。为此，本文主要从以下三个方面对水介质动态压力传感器进行设计:①性能优越、环境适应性强的高固有频率压力敏感元件;②引压管腔结构;③后续信号调理电路。本文要求所设计的压力传感器具有5kHz的动态频响范围。

图1 压力传感器工作原理

1 系统设计

本文压力传感器采用一体化设计，包括感压敏感元件、结构、信号调理电路三个功能模块。压力传感器工作原理如图1所示。

敏感元件将感受到的压力信号转换为差动毫伏级电压信号，并进行灵敏度的自补偿;信号调理电路将感压敏感元件输出的小信号放大调整为用户需要的电压信号，并进行相应的滤波处理;传感器结构为敏感元件和电路提供最佳的组合安装，便于压力的测量和信号的输出。

2 高固有频率压力敏感元件设计

2.1 应变式膜片设计

本文所设计的压力传感器要求具有5kHz的频率响应，采用薄膜应变式测压，利用惠斯通电桥进行压力与电压的转换。其核心是溅射膜片，结构如图2所示。首先利用离子束溅射沉积的方法在弹性膜片上先后沉积绝缘介质层、合金电阻层和金电极层(如图2(a)所示)，然后采用薄膜微加工技术制作应变电阻、温补电阻和电极图形(如图2(b)所示)，最后沉积保护层。当被测压力产生变化时，弹性膜片相应产生微小形变，由于电阻应变效应迫使惠斯通电桥桥臂电阻值发生变化，从而使传感器的输出电压值也相应发生变化[1]。

图2 溅射膜片结构

敏感元件采用周边固支圆平膜片作为敏感膜，膜片结构如图3所示，膜片的尺寸设计一般遵循以下原则:

①膜片任意部位的应力不超过材料的弹性极限，并取必须的安全系数(一般取n=1.5 ～2.0);

②根据小扰度理论，膜片的最大扰度应小于膜片厚度的1/3;

③膜片的最大相对非线性误差应小于敏感元件总精度的1/3;

④用于动态测量时，要求固有频率大于被测信号频率5倍以上。

设计时，首先根据前3条设计原则，选取合适的半径厚度比，然后考虑敏感元件安装情况、外形尺寸等，选取合适的半径以及厚度。由于本文所设计的产品用于高频动态测量，因此膜片设计必须满足第4条要求。

图3 周边固支圆平膜片结构示意图

2.2 膜片频响特性计算与仿真

按照膜片设计原则，在动态测量时，膜片的固有频率必须大于被测信号频率的5倍以上，所以在膜片设计时必须考虑敏感元件的固有频率[2]。膜片固有频率的一般计算公式为:

图4 膜片模态分析图

其中，h为膜片厚度(mm)，R为膜片半径(mm)，μ为膜片材料的泊松比，E为膜片材料的弹性模量(Pa)，ρ为膜片材料的密度(kg/mm3)。

压力传感器膜片材料选用17-4PH，材料的弹性模量为196GPa，泊松比为 0.272，材料密度为 7850kg/mm3，选择合适的半径厚度比，经过计算膜片设计的固有频率为36.3kHz。图4为采用Ansys软件进行模态仿真得到的结果。仿真的膜片固有频率约为35.8kHz，与设计的膜片固有频率接近，且满足大于信号频率5倍的要求。

3 结构设计

3.1 机械外壳设计

传感器结构及敏感元件装配如图5所示。敏感元件安装在基座底端，与基座采用电子束方式进行焊接。外罩与支架均采用激光焊接，压力传感器整体采用带“O”型密封圈的法兰安装。该结构零部件少、简单可靠，并且具有很好的气密性，能够满足水介质动态压力信号的测量需求。

3.2 管腔谐振频率分析与计算

管腔效应对高频动态压力传感器影响较大，有研究表明:如果压力敏感元件的固有频率能够达到20kHz～80kHz，则当有管腔效应影响时，压力传感器的频率响应将下降到2.47kHz[3]。管腔固有频率简化公式如式(2)所示。

其中，a0为0℃条件下的音速值(a0=331.4m/s)，β为温度系数(β=0.00367)，t为测量压力介质温度，L为管腔的长度。

从式(2)可以看出，压力传感器的管腔越短，谐振频率越高，所以为了尽可能减小管腔效应的影响，常采用短直筒的结构方式，本文中压力传感器结构按图5所示设计，直筒管腔深3.5mm，代入式(2)可得谐振频率为22.5kHz，远远大于5kHz的频响要求。

根据传感器的使用环境，采用Ansys仿真软件对所设计的敏感元件和短直筒管腔进行动态响应仿真。采用图4中所示的膜片结构(直筒管腔内传递介质为水)，对传感器加载从静态到频率40kHz、峰值4MPa的正弦压力，动态压力响应仿真结果如表1所示，曲线图如图6所示。

表1 传感器动态压力响应仿真数据

图6 传感器动态压力响应仿真曲线

仿真结果显示，传感器在响应水介质压力时的谐振点约为28.8kHz，当响应5kHz频率压力时，膜片挠度相对于静态载荷时的挠度误差为0.27dB(见表1)，膜片挠度误差反映的是传感器灵敏度的误差，可以推论传感器响应5kHz压力的动态误差也为0.27dB，远小于3dB截止频率的误差，因此传感器测量频带满足5kHz的要求。

4 信号调理电路设计

信号调理电路如图7所示，其主要功能为:①为后续测试系统提供标准的传感器电压;②滤除噪声及频带外的无用信号。

图7 信号调理电路

在信号调理电路中为了提高传感器的精度和抗干扰能力，采取了以下几项措施:

①利用瞬态抑制二极管和专用的EMI滤波器来隔离电源的干扰和瞬态变化;

②放大电路采用仪器仪表放大器，提高了电路的精度，并且降低了温度漂移;

③为放大电路和低通滤波电路加装防自激电容;

④在传感器的输出级添加了限流电阻和限幅二极管，为后续测试系统提供了稳定的安全电压。

5 动态测试

本文采用正弦压力信号发生器来校准所设计的动态压力传感器，测试系统整体架构及传感器实物如图 8 所示[4]。

图8 动态压力传感器的正弦校准系统结构及传感器实物

采用正弦压力信号发生器进行动态校准时，由于标准传感器的幅频特性和相频特性是已知的，因此只要对标准传感器和被校准传感器的输出信号同时进行采集与分析，就可以求出被校准传感器的动态特性。在测试中为压力传感器加载3.5MPa峰值恒定、频率变化的正弦压力信号，试验数据结果如图9所示。从测试数据可以看出，0Hz～3kHz带内不平度小于±1dB，3kHz～5kHz带内不平度小于±3dB，带外衰减大于-8dB/oct，达到了5kHz频响的动态特性。

6 结束语

在航天与武器等领域，高频动态压力测量越来越受到重视。本文针对恶劣环境下的动态压力测量，从高固有频率压力敏感元件、引压管腔、信号调理电路三个方面对水介质动态压力传感器进行了设计，优化了压力传感器的动态性能。本文还利用正弦压力信号发生器对传感器进行了动态测试，测试结果表明本文所设计的压力传感器具有很好的动态特性。