液态金属压力传感器感压元件设计

徐 冬， 刘柏青， 李宝生， 秦仕鹏， 庞 博

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)

液态金属压力传感器感压元件设计

徐 冬， 刘柏青， 李宝生， 秦仕鹏， 庞 博

(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001)

设计了一种应用于液态金属压力测量的差动变压器式压力传感器，介绍了传感器的工作原理和设计方案，着重介绍了波纹管复合弹簧机构(即感压元件)的结构设计和仿真计算，为传感器的设计开发提供了理论基础。该传感器具有灵敏度高、分辨力大等特点，特别适合环境恶劣、介质复杂、工作温度高的条件下对压力的测量。

波纹管； 压力传感器； 弹簧

0 引 言

压力传感器[1,2]是工业实践中最为常用的一种传感器，一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成，广泛应用于生产与科研的各个领域。但高温状态下液态金属压力测量技术在国内尚不成熟，这主要是因为液态金属温度过高，并且具有腐蚀性，可能与传感器感压端外壁产生化学反应，现有的高温压力传感器无法应用在如此恶劣的环境，本文介绍了一种适合液态金属压力测量的差动变压器式压力传感器。

差动变压器式压力传感器通常利用膜片感压被测工质，带动导压杆上的铁芯偏离差动变压器的中心点，进而产生电压输出，输出电压与铁芯的位移量呈线性对应关系。这种差动变压器式传感器的特点是灵敏度高、分辨力大、能测量0.1 μm量级的位移变化，但是由于膜片的形变位移有限，导致这种传感器的量程较小[3,4]。本文设计的传感器采用波纹管复合弹簧机构作为感压元件，增大了压力的测量范围，差动变压器的物理量程可达5 mm，分辨力可达0.1 kPa，重复性不大于±0.75 %，绝对误差不大于±1.5 %，完全满足工程需要。

1 传感器测量原理

压力传感器是利用被测液体金属与基准真空腔之间的压力差，使被测液体进入感压腔内推动波纹管复合弹簧机构自由端产生轴向位移，借助导压杆带动真空隔离型差动变压器中的铁芯偏离中间点，导致差动变压器中的2个次级线圈中的感应电动势不相等，产生输出电压，输出电压与铁芯的位移量、被测液体压力均呈线性对应关系。传感器原理框图如图1所示[5]。

差动变压器由一个初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架、外壳等组成[6]。将初级线圈均匀缠绕在线圈骨架上，次级线圈分成两组分别缠绕，为了增加物理行程内的线性度，需要将次级线圈缠绕成阶梯型，并且反向串接。在激励线圈上给予交流电压时，两个次级线圈的两端会生成与之相对应的感应电压Es1和Es2，输出电压为

Es=Es1-Es2

(1)

当铁芯位于中间位置时，由于两个次级线圈参数及磁路尺寸相等，则Es=0，当铁芯偏离中间位置时，根据式(1)即可计算出电压输出值。

2 感压元件结构设计

2.1 总体设计

在高温状态下，液态金属具有较强的金属活动性，故而传感器与之接触的外壁全部采用耐腐蚀性极强的00Cr17Ni12Mo2(美国牌号316L)。根据相关文献可知，液态金属与316L产生化学反应，形成厚度约0.08 mm的氧化物，虽然该氧化物仍具有较高的密封稳定性，但作为传感器的敏感元件，这种附着氧化物的不锈钢是否仍能维持一定的力学性能却未可知。因此，为了提高整体刚度，保证传感器的线性度和重复性，将感压元件中的弹簧设计成主要形变元件，而使得与被测液体直接接触的波纹管仅起到隔离密封的作用，这就需要尽量减小波纹管的刚度值，如图2所示。根据胡克定律可知，在弹性范围内，此波纹管和弹簧并联机构的总刚度为

K=K1+K2=F/x

(2)

式中F为外加压力值；x为机构位移值，设计为5 mm；K1为波纹管的刚度值；K2为弹簧的刚度值。

图2 感压元件结构示意

2.2 波纹管设计

波纹管主要设计参数为有效直径和刚度，前者为将液体压力量化的一个重要指标，后者为表征压力转换为位移的重要参数。为了提高传感器长期工作的安全性，选用挤压成型金属波纹管。

本文通过经验公式和有限元分析计算得出波纹管的有效直径和刚度，并研究波纹管的结构参数如波数、波厚、波距对其力学性能的影响，进而得到最佳的设计方案。

2.2.1 有效直径

当流体压力P作用于波纹管的外侧时，流体在轴向所产生的力F等效于压力P作用在以波纹管外径D和波纹管的有效直径de之间形成的环形端面的力[7]，即

(3)

波纹管的有效直径是将被测压力转化为集中力的重要指标，U型波纹管有效直径de经验公式为

(4)

设计时，取D=60 mm，d=41 mm，计算得de=43.8 mm，根据式(2)得

波纹管受外压示意如图3所示。

图3 波纹管受外压示意

2.2.2 刚度计算

(5)

式中m为层数；dm为波纹管平均直径；E为材料弹性模量；C2为腐蚀余量；Cf为系数均为常量。因此，刚度主要与厚度tp，波数n；波深h有关。若要减小刚度K1，即可通过增加波数，增大波深，减小厚度实现。而波数过多会引起波纹管失稳，波深和波厚的变化又会改变轴向应力分布，选择不当会导致波纹管应力屈服，本文利用ANSYS有限元分析软件对波纹管结构参数进行优化设计，如图4所示，得到一种较为合理的设计方案：tp=0.14 mm，n=10，h=9.5 mm，K1=2.904 N/mm。

图4 波纹管优化设计仿真

2.3 弹簧设计

弹簧材料选用高温合金GH4145,这种合金在800 ℃高温下仍具有较高的强度。由前述可知，弹簧的设计刚度K2=63.1 N/mm，由于结构空间较小，将弹簧设计成矩形截面圆柱弹簧，与圆形截面弹簧相比，其截面积更大，因此，吸收的能量更大，并且矩形截面弹簧的特性曲线更接近于直线，即弹簧的刚度更接近固定的常数，更适合做高精度的弹性元件。图5所示，弹簧刚度K2的计算公式为

(6)

式中G为材料切变模量；a,b为边长；D为弹簧中径；n为有效圈数。设计弹簧外径D2=36 mm，取边长比a/b=1.25，取旋绕比C=5，查表得系数γ=5.8，根据式(7)可得

(7)

则b=4.8 mm。

弹簧中径D=D2-a=30 mm。

求得圈数为

图5 矩形截面圆柱压缩弹簧

2.4 零点补偿

传感器实际工作时应竖直安装，弹簧和铁芯连杆由于重力的作用会产生向下的轴向位移，进而导致差动变压器零点负偏移。而金属材料在高温下由于金相组织发生改变，会导致材料产生热膨胀变形和热应力变形，使差动变压器零点产生正偏移。设计时，应使两种偏移量相互抵消，从而达到零点补偿的作用。应用ANSYS多物理场耦合分析方法对感压元件部分进行结构-热耦合分析，计算时，先将模型进行稳态热分析，然后将温度计算结果导入结构分析，求解轴向热变形位移，如图6可知，在高温300 ℃下最大轴向位移为0.13 mm。

图6 高温300 ℃下z轴位移

设计时，使得弹簧和铁芯连杆的重力同样产生0.13 mm的位移，即

G1+G2=K2×0.13

(8)

式中G1为弹簧重力；G2为连杆重力。

弹簧的质量确定后，即可根据式(8)求出铁芯连杆的重量，进而设计出最佳的结构尺寸。

3 测试结果与性能分析

按照上述设计方案研制生产了一只量程为250 kPa的压力传感器，安装在电加热控制系统中并注入钠钾合金。

工作电压24VDC，性能测试结果如表1所示，并根据表1绘制成压力—电压特性曲线，如图7所示。根据数据计算可知，传感器绝对误差为0.1 %，重复性达到0.51 %，完全满足设计需要。

表1 传感器测试数据

图7 传感器压力—电压特性曲线

4 结束语

介绍了一种液态金属测量用差动变压器式压力传感器，着重介绍了感压元件部分结构设计方案，采用波纹管复合弹簧机构感受液体压力，详细介绍了波纹管和弹簧的设计过程和公式推导，并应用ANSYS仿真软件对波纹管进行了优化设计，通过结构优化抵消了高温对材料膨胀变形的影响，提高了设计的准确性。通过测试结果可知，该传感器性能指标达到了目前同类产品的水平,可广泛应用于石油、化工及国防等各领域的压力测量和压力控制。

[1] 何 峰，储建华，宋小波，等.一种新型石油管道压力传感器的设计[J].传感器与微系统，2012,31(4)：109-110.

[2] 张久超，谭小兰，康 杰.一种纳米纤维压电式压力传感器的分析与制作[J].传感器与微系统，2016,31(1)：124-126.

[3] 付兴铭，谭六喜．压力传感器封装中波纹膜片的结构优化[J]．传感器与微系统，2007,26(7)：80-84．

[4] 关荣锋，王晓雪．MEMS机油压力传感器设计[J]．传感器与微系统，2009,28(6)：86-88．

[5] 沈申生．差动变压器式位移传感器检测系统研究[J]．传感器与微系统，2006,25(3)：41-43．

[6] 姜宏春.金属波纹管机械密封中波纹管的有限元分析[D]．北京：北京化工大学，2007．

[7] 金属波纹管机械密封的有限元分析及实验验证[D]．北京：北京化工大学，2015．

Designofpressuresensingelementofliquidmetalpressuresensor

XU Dong， LIU Bai-qing， LI Bao-sheng， QIN Shi-peng, PANG Bo

(The49thResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Harbin150001,China)

Differential transformer pressure sensor for measuring the pressure of liquid metal is designed.Working principle and design scheme are introduced,structure design and simulation computation of bellow-spring composite mechanism,i.e.pressure sensing element are introduced,and it provides theoretical basis for design and development of sensor.The sensor has the characteristics of high sensitivity and high resolution.It is especially suitable for measuring the pressure under the condition of harsh environment,complex medium and high working temperature.

bellows； pressure sensor； spring

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0096—03

TP 212

A

1000—9787(2017)11—0096—03

2017—07—11

GB150《钢制压力容器》设计标准的附录E的金属波纹管刚度K1的计算经验公式为[7]

徐 冬(1982-)，女，工程师，主要从事特种传感器研究工作。