液態(tài)金屬壓力傳感器感壓元件設(shè)計(jì)

徐 冬， 劉柏青， 李寶生， 秦仕鵬， 龐 博

(中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

液態(tài)金屬壓力傳感器感壓元件設(shè)計(jì)

徐 冬， 劉柏青， 李寶生， 秦仕鵬， 龐 博

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所,黑龍江哈爾濱150001)

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于液態(tài)金屬壓力測量的差動(dòng)變壓器式壓力傳感器，介紹了傳感器的工作原理和設(shè)計(jì)方案，著重介紹了波紋管復(fù)合彈簧機(jī)構(gòu)(即感壓元件)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算，為傳感器的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。該傳感器具有靈敏度高、分辨力大等特點(diǎn)，特別適合環(huán)境惡劣、介質(zhì)復(fù)雜、工作溫度高的條件下對壓力的測量。

波紋管； 壓力傳感器； 彈簧

0 引 言

壓力傳感器[1,2]是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，一般由彈性敏感元件和位移敏感元件組成，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)與科研的各個(gè)領(lǐng)域。但高溫狀態(tài)下液態(tài)金屬壓力測量技術(shù)在國內(nèi)尚不成熟，這主要是因?yàn)橐簯B(tài)金屬溫度過高，并且具有腐蝕性，可能與傳感器感壓端外壁產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，現(xiàn)有的高溫壓力傳感器無法應(yīng)用在如此惡劣的環(huán)境，本文介紹了一種適合液態(tài)金屬壓力測量的差動(dòng)變壓器式壓力傳感器。

差動(dòng)變壓器式壓力傳感器通常利用膜片感壓被測工質(zhì)，帶動(dòng)導(dǎo)壓桿上的鐵芯偏離差動(dòng)變壓器的中心點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生電壓輸出，輸出電壓與鐵芯的位移量呈線性對應(yīng)關(guān)系。這種差動(dòng)變壓器式傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高、分辨力大、能測量0.1 μm量級的位移變化，但是由于膜片的形變位移有限，導(dǎo)致這種傳感器的量程較小[3,4]。本文設(shè)計(jì)的傳感器采用波紋管復(fù)合彈簧機(jī)構(gòu)作為感壓元件，增大了壓力的測量范圍，差動(dòng)變壓器的物理量程可達(dá)5 mm，分辨力可達(dá)0.1 kPa，重復(fù)性不大于±0.75 %，絕對誤差不大于±1.5 %，完全滿足工程需要。

1 傳感器測量原理

壓力傳感器是利用被測液體金屬與基準(zhǔn)真空腔之間的壓力差，使被測液體進(jìn)入感壓腔內(nèi)推動(dòng)波紋管復(fù)合彈簧機(jī)構(gòu)自由端產(chǎn)生軸向位移，借助導(dǎo)壓桿帶動(dòng)真空隔離型差動(dòng)變壓器中的鐵芯偏離中間點(diǎn)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器中的2個(gè)次級線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢不相等，產(chǎn)生輸出電壓，輸出電壓與鐵芯的位移量、被測液體壓力均呈線性對應(yīng)關(guān)系。傳感器原理框圖如圖1所示[5]。

差動(dòng)變壓器由一個(gè)初級線圈、兩個(gè)次級線圈、鐵芯、線圈骨架、外殼等組成[6]。將初級線圈均勻纏繞在線圈骨架上，次級線圈分成兩組分別纏繞，為了增加物理行程內(nèi)的線性度，需要將次級線圈纏繞成階梯型，并且反向串接。在激勵(lì)線圈上給予交流電壓時(shí)，兩個(gè)次級線圈的兩端會(huì)生成與之相對應(yīng)的感應(yīng)電壓Es1和Es2，輸出電壓為

Es=Es1-Es2

(1)

當(dāng)鐵芯位于中間位置時(shí)，由于兩個(gè)次級線圈參數(shù)及磁路尺寸相等，則Es=0，當(dāng)鐵芯偏離中間位置時(shí)，根據(jù)式(1)即可計(jì)算出電壓輸出值。

2 感壓元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

在高溫狀態(tài)下，液態(tài)金屬具有較強(qiáng)的金屬活動(dòng)性，故而傳感器與之接觸的外壁全部采用耐腐蝕性極強(qiáng)的00Cr17Ni12Mo2(美國牌號316L)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，液態(tài)金屬與316L產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成厚度約0.08 mm的氧化物，雖然該氧化物仍具有較高的密封穩(wěn)定性，但作為傳感器的敏感元件，這種附著氧化物的不銹鋼是否仍能維持一定的力學(xué)性能卻未可知。因此，為了提高整體剛度，保證傳感器的線性度和重復(fù)性，將感壓元件中的彈簧設(shè)計(jì)成主要形變元件，而使得與被測液體直接接觸的波紋管僅起到隔離密封的作用，這就需要盡量減小波紋管的剛度值，如圖2所示。根據(jù)胡克定律可知，在彈性范圍內(nèi)，此波紋管和彈簧并聯(lián)機(jī)構(gòu)的總剛度為

K=K1+K2=F/x

(2)

式中F為外加壓力值；x為機(jī)構(gòu)位移值，設(shè)計(jì)為5 mm；K1為波紋管的剛度值；K2為彈簧的剛度值。

圖2 感壓元件結(jié)構(gòu)示意

2.2 波紋管設(shè)計(jì)

波紋管主要設(shè)計(jì)參數(shù)為有效直徑和剛度，前者為將液體壓力量化的一個(gè)重要指標(biāo)，后者為表征壓力轉(zhuǎn)換為位移的重要參數(shù)。為了提高傳感器長期工作的安全性，選用擠壓成型金屬波紋管。

本文通過經(jīng)驗(yàn)公式和有限元分析計(jì)算得出波紋管的有效直徑和剛度，并研究波紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如波數(shù)、波厚、波距對其力學(xué)性能的影響，進(jìn)而得到最佳的設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 有效直徑

當(dāng)流體壓力P作用于波紋管的外側(cè)時(shí)，流體在軸向所產(chǎn)生的力F等效于壓力P作用在以波紋管外徑D和波紋管的有效直徑de之間形成的環(huán)形端面的力[7]，即

(3)

波紋管的有效直徑是將被測壓力轉(zhuǎn)化為集中力的重要指標(biāo)，U型波紋管有效直徑de經(jīng)驗(yàn)公式為

(4)

設(shè)計(jì)時(shí)，取D=60 mm，d=41 mm，計(jì)算得de=43.8 mm，根據(jù)式(2)得

波紋管受外壓示意如圖3所示。

圖3 波紋管受外壓示意

2.2.2 剛度計(jì)算

(5)

式中m為層數(shù)；dm為波紋管平均直徑；E為材料彈性模量；C2為腐蝕余量；Cf為系數(shù)均為常量。因此，剛度主要與厚度tp，波數(shù)n；波深h有關(guān)。若要減小剛度K1，即可通過增加波數(shù)，增大波深，減小厚度實(shí)現(xiàn)。而波數(shù)過多會(huì)引起波紋管失穩(wěn)，波深和波厚的變化又會(huì)改變軸向應(yīng)力分布，選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致波紋管應(yīng)力屈服，本文利用ANSYS有限元分析軟件對波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4所示，得到一種較為合理的設(shè)計(jì)方案：tp=0.14 mm，n=10，h=9.5 mm，K1=2.904 N/mm。

圖4 波紋管優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真

2.3 彈簧設(shè)計(jì)

彈簧材料選用高溫合金GH4145,這種合金在800 ℃高溫下仍具有較高的強(qiáng)度。由前述可知，彈簧的設(shè)計(jì)剛度K2=63.1 N/mm，由于結(jié)構(gòu)空間較小，將彈簧設(shè)計(jì)成矩形截面圓柱彈簧，與圓形截面彈簧相比，其截面積更大，因此，吸收的能量更大，并且矩形截面彈簧的特性曲線更接近于直線，即彈簧的剛度更接近固定的常數(shù)，更適合做高精度的彈性元件。圖5所示，彈簧剛度K2的計(jì)算公式為

(6)

式中G為材料切變模量；a,b為邊長；D為彈簧中徑；n為有效圈數(shù)。設(shè)計(jì)彈簧外徑D2=36 mm，取邊長比a/b=1.25，取旋繞比C=5，查表得系數(shù)γ=5.8，根據(jù)式(7)可得

(7)

則b=4.8 mm。

彈簧中徑D=D2-a=30 mm。

求得圈數(shù)為

圖5 矩形截面圓柱壓縮彈簧

2.4 零點(diǎn)補(bǔ)償

傳感器實(shí)際工作時(shí)應(yīng)豎直安裝，彈簧和鐵芯連桿由于重力的作用會(huì)產(chǎn)生向下的軸向位移，進(jìn)而導(dǎo)致差動(dòng)變壓器零點(diǎn)負(fù)偏移。而金屬材料在高溫下由于金相組織發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生熱膨脹變形和熱應(yīng)力變形，使差動(dòng)變壓器零點(diǎn)產(chǎn)生正偏移。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使兩種偏移量相互抵消，從而達(dá)到零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)淖饔?。?yīng)用ANSYS多物理場耦合分析方法對感壓元件部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)-熱耦合分析，計(jì)算時(shí)，先將模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，然后將溫度計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析，求解軸向熱變形位移，如圖6可知，在高溫300 ℃下最大軸向位移為0.13 mm。

圖6 高溫300 ℃下z軸位移

設(shè)計(jì)時(shí)，使得彈簧和鐵芯連桿的重力同樣產(chǎn)生0.13 mm的位移，即

G1+G2=K2×0.13

(8)

式中G1為彈簧重力；G2為連桿重力。

彈簧的質(zhì)量確定后，即可根據(jù)式(8)求出鐵芯連桿的重量，進(jìn)而設(shè)計(jì)出最佳的結(jié)構(gòu)尺寸。

3 測試結(jié)果與性能分析

按照上述設(shè)計(jì)方案研制生產(chǎn)了一只量程為250 kPa的壓力傳感器，安裝在電加熱控制系統(tǒng)中并注入鈉鉀合金。

工作電壓24VDC，性能測試結(jié)果如表1所示，并根據(jù)表1繪制成壓力—電壓特性曲線，如圖7所示。根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，傳感器絕對誤差為0.1 %，重復(fù)性達(dá)到0.51 %，完全滿足設(shè)計(jì)需要。

表1 傳感器測試數(shù)據(jù)

圖7 傳感器壓力—電壓特性曲線

4 結(jié)束語

介紹了一種液態(tài)金屬測量用差動(dòng)變壓器式壓力傳感器，著重介紹了感壓元件部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用波紋管復(fù)合彈簧機(jī)構(gòu)感受液體壓力，詳細(xì)介紹了波紋管和彈簧的設(shè)計(jì)過程和公式推導(dǎo)，并應(yīng)用ANSYS仿真軟件對波紋管進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化抵消了高溫對材料膨脹變形的影響，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。通過測試結(jié)果可知，該傳感器性能指標(biāo)達(dá)到了目前同類產(chǎn)品的水平,可廣泛應(yīng)用于石油、化工及國防等各領(lǐng)域的壓力測量和壓力控制。

[1] 何 峰，儲(chǔ)建華，宋小波，等.一種新型石油管道壓力傳感器的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012,31(4)：109-110.

[2] 張久超，譚小蘭，康 杰.一種納米纖維壓電式壓力傳感器的分析與制作[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016,31(1)：124-126.

[3] 付興銘，譚六喜．壓力傳感器封裝中波紋膜片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2007,26(7)：80-84．

[4] 關(guān)榮鋒，王曉雪．MEMS機(jī)油壓力傳感器設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2009,28(6)：86-88．

[5] 沈申生．差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測系統(tǒng)研究[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2006,25(3)：41-43．

[6] 姜宏春.金屬波紋管機(jī)械密封中波紋管的有限元分析[D]．北京：北京化工大學(xué)，2007．

[7] 金屬波紋管機(jī)械密封的有限元分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[D]．北京：北京化工大學(xué)，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《鋼制壓力容器》設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的附錄E的金屬波紋管剛度K1的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為[7]

徐 冬(1982-)，女，工程師，主要從事特種傳感器研究工作。