一种高精度静态超高压力传感器及测量压力的方法

摘要

本发明涉及一种压力传感器，属于超高压力测量领域。一种高精度静态超高压力传感器，其特征在于包括传感器壳体，所述传感器壳体以壳盖密封封闭，壳体内为耐超高压力的内腔，所述内腔内设置有传感元件和从传感元件中引出电信号的引线座，所述传感元件包括充满传感介质用于感应压力的密闭腔室，在密闭腔室内有传感构件，所述传感构件为缠绕有传感金属丝的杆件，所述传感金属丝通过设置在引线座内的两个引线锥引出电信号，引线锥与引线座之间设有绝缘层，两个引线锥分别连接有引出电线，所述引线座封闭传感构件，所述引线锥连接的引出电线从壳盖中间引出。本发明的超高压力传感器能保证高精度的测量，而且响应迅速，体积轻便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种具有高精度的静态超高压力传 感器及采用超高压力传感器测量压力的方法。

背景技术

压力计量所涉及的压力范围从几Pa到2000多MPa，通常将其划分为微压 （<10kPa）、低压（0.01MPa-0.25MPa）、中压（0.25MPa-100MPa）、高压 （>100MPa）、超高压（>600MPa）。测量压力的仪器就其原理来说有液体压 力计、活塞式压力计、弹性式压力表及电测式压力计。目前用于超高压力测 量的电测式压力计有锰铜电阻压力计，其结构有薄膜式、箔式和丝式。

专利CN1303005A、CN1595084A介绍了一种薄膜式超高压力传感器，见图 1所示，该压力传感器能测量50GPa以上的压力，主要用于动态压力测量，具 有非常快的响应能力，其测量准确度可能在1%左右。

专利CN1789940A介绍了一种箔式锰铜压力传感器，见图2所示，也用于 动态压力的测量，其测量压力高，响应快，准确度也不是非常高。

国内外也制作过锰铜丝结构的压力计，其结构见图3所示，主要用于静态 压力测量，测量压力可达数GPa，准确度约为1%-0.5%。

目前，超高压力测量最为准确的为可控间隙活塞式压力计，见图4所示， 其最高可测量3GPa的压力，准确度最高可达到0.02%-0.1%，是目前超高压力 的基准压力计。但这种结构的压力计，是通过帕斯卡原理和流体静力学平衡 原理来测量压力的，测量时通过加载在活塞上面的砝码来平衡未知压力，因 此响应非常慢；另外，超高压力可控间隙活塞式压力计体积庞大，无法移动， 因此其使用受到很大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度静态超高压力传感器及测 量压力的方法，解决现在的超高压力测量仪器在压力测量时要么精度不高， 要么响应慢，体积庞大因此使用受限的缺陷。

技术方案

一种高精度静态超高压力传感器，其特征在于：包括传感器壳体，所述 传感器壳体以壳盖密封封闭，壳体内为耐超高压力的内腔，所述内腔内设置 有传感元件和从传感元件中引出电信号的引线座，所述传感元件包括充满传 感介质用于感应压力的密闭腔室，在密闭腔室内有传感构件，所述传感构件 为缠绕有传感金属丝的杆件，所述传感金属丝通过设置在引线座内的两个引 线锥引出电信号，在引线座和引线锥之间设置有密封绝缘层，两个引线锥分 别连接有引出电线，所述引线座封闭传感构件，所述引线锥连接的引出电线 从壳盖中间引出。

所述传感器壳体内部的内腔壁上设置有多层环形台阶，所述引线座上部 直径大下部直径小，上部直径与所安装的内腔的内径相同，所述引线座下部 外与内腔壁之间环绕设置有密封圈组件，所述密封圈组件设置在下方的台阶 上。

所述传感器壳体顶部内凹，壳盖通过压紧螺母压紧密封圈组件进行密封。

所述传感元件的传感金属丝采用锰铜丝。

所述传感介质采用白汽油。

所述传感构件的杆件外圈上设置有螺旋式槽沟，所述传感金属丝固定在 所述螺旋式槽沟内，所述杆件采用铝合金制作，并通过致密阳极氧化，在杆 件表面形成一层致密的氧化铝薄膜层。

所述传感元件的密闭腔室的腔体包括波纹管段腔体。

所述引线锥包括上中下三部分，上部分和下部分为圆柱体，中间部分为 上小下大的圆锥体，上部分和下部分的圆柱体的直径小于中间圆锥体的底部 直径，下部分伸进传感元件的密闭腔室内。

采用如权利要求1所述的高精度静态超高压力传感器测量压力的方法， 其特征在于包括以下步骤：

1）超高压力通过被测压力的液体传压介质和传感器壳体的下端接口传递 到传感器壳体的内腔;

2）内腔中液体传压介质被壳盖压紧的密封圈组件密封，内腔内压力升高， 压力同时通过密闭腔室的波纹管段腔体作用在密闭腔室内的传感介质上；

3）传感介质再将压力传递到作为传感金属丝的锰铜丝，从而引起锰铜丝 电阻的变化，利用数字多用表通过引线锥和电线的传导测量电阻值；

4）测量电阻值的同时通过计算机通讯来监控和实时处理锰铜丝的电阻相 对变化量，并将电阻相对变化量表征为压力值。

有益效果

本发明的高精度静态超高压力传感器不仅能在超高压力和高温下保证高 精度的测量，而且响应迅速，体积小，携带方便，利于测量。

附图说明

图1为薄膜式锰铜压力传感器示意图。

图2为箔式锰铜压力传感器示意图。

图3为锰铜丝结构的压力传感器示意图。

图4为可控间隙活塞式压力计示意图。

图5为本发明示意图。

其中：1-传感器壳体，2-壳盖，3-内腔，4-传感元件，5-引线座，6-传感构 件，7-引线锥，8-密闭腔室，9-密封圈组件，10-波纹管段腔体，11-不锈钢 套管段腔体，12-接管段腔体，13-封头。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

一种高精度静态超高压力传感器，如附图5所示，包括传感器壳体1，所 述传感器壳体1以壳盖2密封封闭，壳体内为耐超高压力的内腔3，所述内腔 3内设置有传感元件4和从传感元件4中引出电信号的引线座5，所述传感元 件4包括充满传感介质用于感应压力的密闭腔室8，在密闭腔室8内有传感构 件6，所述传感构件为缠绕有传感金属丝的杆件，所述传感金属丝通过设置在 引线座5内的两个引线锥7引出电信号，两个引线锥7分别连接有引出电线， 所述引线座5封闭传感构件6，所述引线锥7连接的引出电线从壳盖2中间引 出。

所述传感器壳体1内部的内腔3壁上设置有多层环形台阶，所述引线座5 上部直径大下部直径小，上部直径与所安装的内腔3的内径相同，所述引线 座5下部外与内腔3壁之间环绕设置有密封圈组件9，所述密封圈组件9设置 在下方的台阶上。所述传感器壳体1顶部内凹，壳盖2采用压紧螺母密封。

传感元件4整体通过密封圈组件9、引线座5的座体和压紧螺母被固定在 第二个台阶的位置，压紧螺母主要是压紧引线座5的座体下面的密封圈组件 9，保证壳体和传感元件4之间的密封，壳体内部提供了一个耐超高压力的内 腔3。

所述传感元件4的传感金属丝采用锰铜丝，传感介质采用白汽油，传感 元件4的传感构件6的杆件外圈上设置有螺旋式槽沟，锰铜丝固定在所述螺 旋式槽沟内，所述杆件采用铝合金制作，并通过致密阳极氧化，在杆件表面 形成一层致密的氧化铝薄膜层。所述传感元件4的密闭腔室的腔体包括波纹 管段腔体10。将锰铜丝绕成细直径弹簧，然后再缠在有螺旋式槽沟的杆件上。

所述传感元件4的密闭腔室的腔体包括与引线座5连接的不锈钢套管段 腔体11、波纹管段腔体10、接管段腔体12和封头13，不锈钢套管段腔体11、 接管段腔体12与波纹管段腔体10通过滚焊焊接密封，不锈钢套管段腔体11 与引线座5通过激光焊焊接密封，封头13通过螺纹拧紧在接管段腔体12上， 将整个传感元件4和传压介质密封隔离起来。

所述传感元件4采用白汽油作为传压介质，不会引起超高压力下压阻测 量时的旁路效应，不会给传感器测压产生系统误差；且在超高压力下，白汽 油不会发生相变，因此能够各向同性的传递压力，密封体采用部分波纹管补 偿了传压介质在超高压力作用下所产生的体积收缩量，从而解决了超高压力 下无法检测及误差大，精度低的问题，通过改进的传压介质及结构上的改变， 不仅使传感元件4在超高压力下正常工作，而且能保证检测的顺利和精度。

所述引线锥7包括上中下三部分，上部分和下部分为圆柱体，中间部分 为上小下大的圆锥体，上部分和下部分的圆柱体的直径小于中间圆锥体的底 部直径，下部分伸进传感元件4的密闭腔室8内。引线锥7为传感构件6的 电极。

所述引线座5中间有锥孔，放置引线锥7，在锥孔内壁和引线锥7之间设 置有密封绝缘层。引线锥7与引线座5的锥孔配合，中间夹有密封绝缘层， 该座体具有非常高的强度和韧性，在超高压力作用下不会压裂和脆断，另外， 该座体结构在高压力作用下，锥孔发生收缩，使引线座5和引线锥7之间连 接更加紧密，引线锥7和密封绝缘层不会在超高压力作用下在锥孔中运动， 因此有利于超高压力密封；铍青铜制作的引线锥7具有非常好的导电性，与 锰铜之间的热电势非常小，是非常合理的电极材料；密封绝缘层在高压下不 会相变，仍具有非常好的绝缘性和密封性，采用叶腊石加工，该绝缘层还具 有非常好的耐高温性能。

采用上述高精度静态超高压力传感器测量压力的方法，包括以下步骤：

1）超高压力通过液体传压介质和传感器壳体的下端接口传递到传感器壳 体的内腔;

2）内腔中液体传压介质被压紧螺母壳盖压紧的密封圈组件密封，内腔内 压力升高，压力同时通过波纹管作用在密闭腔室内的传感介质上；

3）传感介质再将压力传递到作为传感金属丝的锰铜丝，从而引起锰铜丝 电阻的变化，利用数字多用表通过引线锥和电线的传导测量电阻值；

4）测量电阻值的同时通过计算机通讯来监控和实时处理锰铜丝的电阻相 对变化量，并将电阻相对变化量表征为压力值。

锰铜丝的电阻相对变化量和压力之间的关系是通过可控间隙活塞式压力 计来确定的。本超高压传感器在装配完成后，首先通过活塞压力计标定多个 压力点所对应的电阻值，然后通过线性拟合确定压力和电阻相对变化量之间 的关系。

本高精度静态超高压力传感器加压至1200MPa压力，保压10min，该压力 传感器未遭破坏和爆裂，绝缘密封都可靠。

最大示值误差符合0.1级的准确度技术要求。

重复性误差ξ_s＝0.048%FS，小于0.1%FS。

稳定性偏差为${\mathrm{Err}}_{·s}=\frac{\max \left(\Delta p_j\right)}{p_{\mathrm{FS}}}\times 100\%=\frac{0.5}{1000}=0.05\%\mathrm{FS},$小于0.1%FS。

该压力传感器使用方便，便于现场测试和校准压力，其精度高，可以作为 可控间隙活塞式压力计之间量值比对的传递标准。