大過(guò)載真空傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

王鐵玲, 劉寶偉, 呂 穎, 陳寶成, 馬 莎, 浦 龍

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

0 引 言

電容式薄膜真空傳感器由于其具有測(cè)量精度高、抗腐蝕、線性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍寬、計(jì)量可重復(fù)性好等特點(diǎn),同時(shí),也是我國(guó)唯一具有計(jì)量校準(zhǔn)檢定規(guī)程的一種真空度計(jì)量器具[1～3]。并且電容式薄膜真空傳感器屬于全壓測(cè)量,與被測(cè)介質(zhì)的種類無(wú)關(guān)等一系列的優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到人們的重視[4,5]。電容式薄膜真空傳感器是迄今為止唯一得到公認(rèn)的可作為低真空(0.01～100 Pa)測(cè)量工作副標(biāo)準(zhǔn)的一種真空儀器。電容式薄膜真空傳感器的測(cè)量性能大大優(yōu)于常用的電阻計(jì)、熱偶計(jì)、皮拉尼計(jì)等熱傳導(dǎo)型真空傳感器(一般來(lái)說(shuō),電容式薄膜真空傳感器的測(cè)量精度比熱傳導(dǎo)型真空傳感器要高1～2個(gè)數(shù)量級(jí))。被廣泛與應(yīng)用于氣象、新材料、航空、航天、化工、新能源、真空冶煉、輕工、食品、藥品研制等生產(chǎn)與科研部門,特別適用于薄膜制備、微細(xì)加工、微電子技術(shù)等需要高精度真空度測(cè)控的場(chǎng)合[6～8]。

某真空系統(tǒng)的管路中也采用電容式薄膜真空傳感器,

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管路中的真空度。但真空系統(tǒng)每隔固定時(shí)間控制電磁閥,途徑該管路向系統(tǒng)中另一真空罐釋放壓強(qiáng)為70～80 kPa左右的氣團(tuán)。該過(guò)程使真空傳感器承受近700～800倍的氣體沖擊過(guò)載。在該沖擊過(guò)載的作用下,電容式薄膜真空傳感器發(fā)生失效。為提升真空傳感器的可靠性,需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工作原理[9,10]

電容式薄膜真空傳感器由進(jìn)氣管、膜片基座、金屬膜片、固定電極、上蓋和引出電極等組成,如圖1所示。

圖1 電容式薄膜真空傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

進(jìn)氣管與膜片基座、金屬膜片形成檢測(cè)腔;金屬膜片和固定電極形成平板電容器;上蓋、膜片基座及金屬膜片形成真空腔,固定電極和引出電極處于真空腔內(nèi)。當(dāng)真空傳感器處于工作狀態(tài)時(shí),被測(cè)介質(zhì)進(jìn)入檢測(cè)腔,作用于金屬膜片上。金屬膜片兩側(cè)形成壓差,由于真空傳感器內(nèi)部為真空,故金屬膜片向上彎曲,根據(jù)材料力學(xué),距膜片中心半徑為r處得撓度為y,則

(1)

式中p為壓力,Pa;R為膜片半徑,m;E為彈性模量,Pa;μ為泊松比。

金屬膜片向上彎曲,平板電容器的電容量發(fā)生變化,則電容相對(duì)變化為

(2)

通過(guò)引出電極將電容變化量引出到電路中,完成信號(hào)轉(zhuǎn)換。

2 失效分析

真空傳感器在承受700～800倍過(guò)載的載荷時(shí),發(fā)生失效現(xiàn)象。過(guò)程中,只有金屬膜片發(fā)生位移,其他零部件固定不動(dòng)。因此,選取金屬膜片為研究對(duì)象,進(jìn)行真空傳感器的失效分析。

金屬膜片為圓形軸對(duì)稱圖形,其直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膜片厚度,通過(guò)焊接固定在膜片基座上。當(dāng)真空傳感器處于工作狀態(tài)時(shí),金屬膜片下表面受到被測(cè)介質(zhì)壓力。因此,應(yīng)用結(jié)構(gòu)非線性的分析方法。建立金屬膜片的1/4作為有限元模型,并用殼單元進(jìn)行膜片的簡(jiǎn)化。通過(guò)綁定約束,固定膜片焊接位置,限制6個(gè)自由度,并添加一個(gè)大氣壓的軸向載荷。

應(yīng)用ANSYS求解,得到金屬膜片的位移云圖,如圖2(a)所示?？梢钥闯?金屬膜片在70～80 kPa的作用下,中間部位發(fā)生的位移最大,最大位移為0.1 mm。

圖2(b)為金屬膜片的應(yīng)力云圖?？梢钥闯?金屬膜片的根部產(chǎn)生的應(yīng)力最大,沿著金屬膜片的中心方向,應(yīng)力逐漸減小。從應(yīng)力云圖可以看出,最大應(yīng)力為608.53 MPa。大于材料的屈服極限,產(chǎn)生塑性變形,使真空傳感器發(fā)生失效。

圖2 金屬膜片的位移和應(yīng)力云圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

真空傳感器的作用為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管路中的真空度,其監(jiān)測(cè)的壓力不超過(guò)110 Pa。當(dāng)真空系統(tǒng)控制電磁閥,途徑該管路向真空罐釋放壓強(qiáng)為70～80 kPa的氣團(tuán)時(shí),氣團(tuán)瞬時(shí)作用在真空傳感器的金屬膜片上,造成膜片的塑性變形。根據(jù)動(dòng)量定理,延緩氣團(tuán)作用在金屬膜片上的時(shí)間,可以減小氣體的沖擊載荷。因此,在真空傳感器的進(jìn)氣孔端設(shè)置容腔及阻尼管。因阻尼片進(jìn)行堆疊時(shí),會(huì)存在間隙,因此同時(shí)增加容腔進(jìn)一步延緩氣團(tuán)的沖擊時(shí)間。

如圖3所示,為阻尼片形狀及阻尼孔的分布。

圖3 阻尼片

應(yīng)用ANSYS中的流體分析模塊,對(duì)真空傳感器進(jìn)氣端設(shè)置阻尼管的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)。將阻尼片1與阻尼片2逐個(gè)堆疊,數(shù)量為20片。建立流體流通部分的三維圖,并進(jìn)行流體分析。如圖4(a)所示,為氣團(tuán)作用在阻尼管中流體壓強(qiáng)變化云圖。由圖可以看出,理想狀態(tài)下(即無(wú)加工誤差及尺寸公差),阻尼片為20片時(shí),前11個(gè)阻尼片所受壓強(qiáng)為氣團(tuán)壓強(qiáng),為1個(gè)大氣壓;從12個(gè)阻尼片開(kāi)始,承受的壓強(qiáng)逐漸減小,衰減至860 Pa,在金屬膜片的過(guò)載范圍之內(nèi)。

圖4(b)為氣團(tuán)對(duì)阻尼片的壓力向量圖。由圖可以看出,理想狀態(tài)下,氣團(tuán)通過(guò)阻尼片時(shí),對(duì)阻尼片的壓力逐漸減小,到第20個(gè)阻尼片時(shí),壓力已經(jīng)降至金屬膜片允許的過(guò)載范圍之內(nèi)。由此證明,添加阻尼管及容腔的方法的可行性。

圖4 仿真結(jié)果

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 測(cè)試系統(tǒng)

為驗(yàn)證真空傳感器進(jìn)氣端的阻尼管及容腔的有效性和正確性,模擬電容式薄膜真空傳感器的實(shí)際使用環(huán)境,建立測(cè)試系統(tǒng)。如圖5所示,為該測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。真空傳感器安置與管路中央,兩側(cè)均設(shè)置閥體,左側(cè)設(shè)置一大真空罐。右側(cè)設(shè)置一個(gè)5 L的儲(chǔ)氣罐,儲(chǔ)氣罐內(nèi)貯存5 L的空氣,通過(guò)電磁閥的開(kāi)關(guān),將儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體釋放至真空罐內(nèi),模擬70～80 kPa的氣團(tuán)。5 L儲(chǔ)氣罐右側(cè)與大氣相連接,并設(shè)置電磁閥控制開(kāi)關(guān)時(shí)間。儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體釋放完畢之后(即整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的壓強(qiáng)保持一致),通過(guò)電磁閥與大氣相通,灌入新的氣體,以便循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4.2 阻尼片搭配方式

由圖3可知,阻尼片分為三種形式。為保證其有效性,阻尼片個(gè)數(shù)為42片。三種阻尼片的排布方式分別為:

A型：3323 1323 1323 3133 2331 3323 3233 1332 3313 3233 13;

B型：2121 2121 2121 2121 2121 2121 2121 2121 2121 2121 21;

C型：2313 2313 2313 2313 2313 2313 2313 2313 2313 2313 23。

4.3 容腔種類

真空傳感器增加容腔后,質(zhì)量相應(yīng)增加,重心發(fā)生變化。容腔體積過(guò)大時(shí),影響真空傳感器的其它性能,體積過(guò)小時(shí),不能起到相應(yīng)的作用,選取體積為40,80 mL兩種一體式以及80 mL的分腔式一種,即將80 mL的容腔分為2個(gè)40 mL的小腔室,中間僅用一個(gè)小孔連通。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 無(wú)容腔、無(wú)阻尼管

采用標(biāo)準(zhǔn)真空傳感器,即直接連通形式,無(wú)阻尼管及容腔。真空傳感器在此情況下的最大響應(yīng)值為52 kPa。

當(dāng)不采取任何緩沖措施時(shí),真空傳感器的輸出值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其量程,超出其過(guò)載范圍,發(fā)生失效現(xiàn)象。

4.4.2 80 mL容腔

真空傳感器進(jìn)氣端連接80 mL一體式容腔,在無(wú)特殊說(shuō)明的情況下,阻尼管均為1個(gè),且在80 ml容腔的進(jìn)氣口端放置。表1為80 mL容腔與各類型阻尼管連通后的最大響應(yīng)值。

表1 80 mL容腔最大響應(yīng)值

從表1中可以看出,在80 mL容腔進(jìn)氣口設(shè)置阻尼管,對(duì)金屬膜片緩沖效果從優(yōu)到劣的排布方式是：B>C>A;序號(hào)2中的結(jié)果表明,阻尼管在容腔的進(jìn)氣口時(shí)的效果比在出氣口的效果明顯;序號(hào)4表明,在容腔兩端均設(shè)置阻尼管,與只在進(jìn)氣口設(shè)置阻尼管時(shí)的效果相比,無(wú)明顯提升。

4.4.3 40 mL容腔

真空傳感器進(jìn)氣端連接40 mL一體式容腔,在無(wú)特殊說(shuō)明的情況下,阻尼管均為1個(gè),且在40 mL容腔的進(jìn)氣口端放置。表2為40 ml容腔與各類型阻尼管連通后的最大響應(yīng)值。

表2 40 mL容腔最大響應(yīng)值

從表2中可以看出,在40 mL容腔進(jìn)氣口設(shè)置阻尼管,對(duì)金屬膜片緩沖效果從優(yōu)到劣的排布方式是：B>C>A,但是A型和C型阻尼管的效果區(qū)別不明顯;序號(hào)2、序號(hào)4中的結(jié)果表明,在容腔兩端均設(shè)置阻尼管,與只在進(jìn)氣口設(shè)置阻尼管時(shí)的效果相比,也無(wú)明顯提升。

4.4.4 80 mL分腔

真空傳感器進(jìn)氣端連接80 mL分腔,在無(wú)特殊說(shuō)明的情況下,阻尼管均為1個(gè),且在80 mL分腔的進(jìn)氣口端放置。表3為80 mL分腔與各類型阻尼管連通后的最大響應(yīng)值。

表3 80 mL分腔最大響應(yīng)值

從表3中可以看出,在80 ml分腔進(jìn)氣口設(shè)置阻尼管,對(duì)金屬膜片緩沖效果從優(yōu)到劣的排布方式仍是：B>C>A。

4.4.5 小 結(jié)

1)從表1～4中真空傳感器的最大響應(yīng)值可以看出,B型阻尼管與80 mL一體式容腔一起使用,且阻尼管在容腔的進(jìn)氣口端時(shí),對(duì)金屬膜片的緩沖效果最好;2)無(wú)阻尼管,只有容腔結(jié)構(gòu)時(shí),體積越大,對(duì)金屬膜片的緩沖效果越好,同體積下的容腔,分腔式比一體式的緩沖效果好;3)在容腔的進(jìn)氣口設(shè)置容腔要比在器出氣口設(shè)置容腔的緩沖效果明顯;4)在容腔的進(jìn)氣口、出氣口均設(shè)置阻尼管,其效果與只在進(jìn)氣口設(shè)置阻尼管的緩沖效果無(wú)明顯提升。

5 結(jié) 論

經(jīng)ANSYS的流體分析,證明了該優(yōu)化方案的可行性。并經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)的驗(yàn)證,當(dāng)容器體積設(shè)置為80 mL,阻尼管形式為B型時(shí),真空傳感器的最大響應(yīng)值可以由52 kPa降至3.5 kPa,有效緩解了對(duì)金屬膜片的沖擊載荷。避免了真空傳感器承受大過(guò)載的情況。但增加對(duì)金屬膜片的緩沖時(shí)間,也會(huì)大大增加真空傳感器的響應(yīng)時(shí)間,該種方案僅適合于不要求響應(yīng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)情況。