一種大過載壓差傳感器結(jié)構(gòu)研究

吳凌慧， 徐 冬, 趙異凡

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

在某些特殊的使用環(huán)境中，壓力傳感器需要承受較大過載，比如，點火瞬間管道中的壓力會瞬時增加數(shù)倍。如果傳感器無法承受這種數(shù)倍壓力的過載，將出現(xiàn)輸出漂移、泄漏等故障，導(dǎo)致測量精度改變甚至影響整個工作系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)[1～3]。目前，針對大量程壓力傳感器的研究均局限于對硅微敏感芯片的應(yīng)力分析，保證芯片能夠在大載荷下正常工作。但在實際的工程設(shè)計中，芯片及其后端的運算電路均需封裝在同一個外殼內(nèi)，所以,該外殼能否承受等量過載壓力同樣至關(guān)重要。

本文結(jié)合理論利用有限元仿真軟件，計算殼體主要部件—基座的應(yīng)力及位移響應(yīng)，根據(jù)實際工況，對傳感器基座的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，對比優(yōu)化前后的分析結(jié)果，并通過試驗進(jìn)行驗證，為大過載壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性分析提供了理論依據(jù)[4]。

1 傳感器工作原理

傳感器將雙路敏感元件與信號處理電路整體封裝在不銹鋼殼體內(nèi)，傳感器為壓差傳感器，即在基座上加工出2個引壓孔，使得外界壓力通過引壓孔作用于敏感芯片上，利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，使敏感元件上的電阻器條產(chǎn)生電阻值變化，導(dǎo)致惠斯通電橋失去平衡，電橋輸出正比于壓力變化的電壓信號，實現(xiàn)了壓力測量，該傳感器適用于與殼體材料兼容的各種氣體或液體的壓力測量，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意

2 傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 基座優(yōu)化前應(yīng)力分析

傳感器的設(shè)計量程為-30～+30 MPa，但過載壓力為量程的250 %，即75 MPa。根據(jù)圖1所示，傳感器的感壓面和法蘭盤均位于部件基座上，并且，敏感芯體也需固定在基座內(nèi)，因此，該部件為傳感器的關(guān)鍵部件，需對基座的應(yīng)力及位移進(jìn)行分析，基座的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 基座結(jié)構(gòu)示意

設(shè)t1為法蘭厚度，初始設(shè)計為2 mm，t2為基座厚度，初始設(shè)計為3.5 mm，基座受靜壓為75 MPa，利用有限元分析軟件對基座進(jìn)行變形及應(yīng)力分析，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前有限元分析云圖

通過有限元分析，基座在承受靜壓75 MPa時，部件上的最大應(yīng)力分布在法蘭盤上，最大應(yīng)力σmax=2 038 MPa，O型密封圈所在密封槽處的變形為δmax=0.1 mm。

2.2 基座優(yōu)化后應(yīng)力分析

充分考慮敏感芯體與基座的可焊性和基座的耐環(huán)境性，基座的材質(zhì)選用1Gr18Ni9Ti不銹鋼。通過查表，1Gr18Ni9Ti的抗拉強度為σb=540 MPa，取安全系數(shù)n=1.3，許用應(yīng)力(MPa)為

(1)

由式(1)可知，σmax>[σ]，結(jié)構(gòu)失效。同時，O型密封圈的截面直徑為φ1.8 mm，密封槽深為h=1.3 mm，一般情況下，為保證密封效果，O型圈的變形量應(yīng)大于20 %，即變形后O型圈的截面直徑應(yīng)不大于1.44 mm，根據(jù)建模分析，密封槽變形量為0.1 mm，即變形后槽深實際可達(dá)到1.4 mm，雖在允許范圍內(nèi)，但考慮到加工公差等因素的影響，仍需要通過優(yōu)化設(shè)計，減小變形量。

由于基座為對稱結(jié)構(gòu)，所以，在建立模型時只對其對稱結(jié)構(gòu)建立參數(shù)化模型。根據(jù)工程需要，對法蘭厚度t1，基座厚度t2進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置。賦予材料屬性，建立模型，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后施加約束。設(shè)置優(yōu)化參數(shù)及邊界條件，對基座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)保證強度和密封性的前提下，傳感器的重量最輕，體積最小。

優(yōu)化結(jié)果如圖4。

圖4 優(yōu)化后有限元分析云圖

根據(jù)優(yōu)化，當(dāng)t1=3.5 mm，t2=12.5 mm時，基座所受最大應(yīng)力仍位于安裝孔處，σmax<365 MPa，密封槽處的變形δmax<0.012 mm，滿足強度和密封要求。

3 傳感器模態(tài)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)，多自由度系統(tǒng)無阻尼自由振動方程可表示為

(2)

式中M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣；x為位移向量矩陣。

令ω2=K/M，式(2)可寫為

(3)

式(3)的通解可以寫為

x=Asin(ωt+φ)

(4)

式中A，φ為常數(shù)；Ai為第i階模態(tài)的特性向量；φi為第i階模態(tài)的初相位；ω2的算術(shù)平方根ω為第i階模態(tài)的固有頻率，對于n自由度系統(tǒng)有n個固有頻率。

根據(jù)傳感器的安裝方式，對法蘭盤設(shè)置約束，選取前5階固有頻率，分析結(jié)果如表1。

表1 傳感器前5階固有頻率

通過表1可知，傳感器的第一階固有頻率為7 670.9 Hz，而在實際使用環(huán)境中的振動頻率范圍一般在0～2 000 Hz的頻率范圍內(nèi)，即傳感器在使用環(huán)境中不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象導(dǎo)致傳感器結(jié)構(gòu)失效。

4 測試結(jié)果及性能分析

按上述方案制作10只傳感器，隨機抽取3只進(jìn)行過載測試，傳感器輸出情況如表2所示。

表2 傳感器過載試驗情況(75MPa) V

通過表2可以驗證，傳感器在過載試驗后工作正常。在剩余的傳感器中抽取3只進(jìn)行力學(xué)試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 傳感器溫度環(huán)境試驗驗證結(jié)果

通過試驗結(jié)果可知，傳感器具有良好的耐環(huán)境性。

5 結(jié)束語

利用有限元分析軟件對傳感器的基座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和模態(tài)分析，以保證傳感器具有環(huán)境適應(yīng)性。通過試驗驗證了傳感器的各項指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求，為大過載壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與可靠性分析提供了理論依據(jù)。

[1] Tian B ，Zhao Y，Jiang Z.The design and analysis of beam-membrane structure sensors for micro-pressure measurement[J].Review of Scientific Instruments，2012,83(4)：45-48.

[2] Berns A，Buder U，Obermeier E，et al.Aero MEMS sensor array for high-resolution wall pressure measurements[J].Sensors and Actuator A:Physical,2006,132(1):104-111.

[3] Mackowiak P，Schiffer M，Xu X，et al.Design and simulation of ultra-high sensitive piezoresistive MEMS sensor with structured membrane for low pressure applications[J].Proceedings of the Electronics Packaging Technology Conference,2010(12)：757-761.

[4] 楊金壯．基于ARM的煤礦安全系統(tǒng)設(shè)計[D]．南京:南京理工大學(xué)，2009.

[5] 王 龍，路 平，段靜波．懸臂梁結(jié)構(gòu)損傷檢測仿真研究[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2017,36(7):62-64.

[6] 李培源，杜金強，何宇延,等．鈦合金結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測實驗研究[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2014,33(7):13-16.