專利名稱：一種高精度靜態(tài)超高壓力傳感器及測量壓力的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其涉及一種具有高精度的靜態(tài)超高壓力傳感器及采用超高壓力傳感器測量壓力的方法。
背景技術：
壓力計量所涉及的壓力范圍從幾Pa到2000多MPa，通常將其劃分為微壓(<10kPa)、低壓(O. OlMPa-O. 25MPa)、中壓(O. 25MPa_100MPa)、高壓OlOOMPa)、超高壓(>600MPa)。測量壓力的儀器就其原理來說有液體壓力計、活塞式壓力計、彈性式壓力表及電測式壓力計。目前用于超高壓力測量的電測式壓力計有錳銅電阻壓力計，其結構有薄膜式、箔式和絲式。專利CN1303005A、CN1595084A介紹了一種薄膜式超高壓力傳感器，見圖I所示，該 壓力傳感器能測量50GPa以上的壓力，主要用于動態(tài)壓力測量，具有非?？斓捻憫芰?，其測量準確度可能在1%左右。專利CN1789940A介紹了一種箔式錳銅壓力傳感器，見圖2所示，也用于動態(tài)壓力的測量，其測量壓力高，響應快，準確度也不是非常高。國內(nèi)外也制作過錳銅絲結構的壓力計，其結構見圖3所示，主要用于靜態(tài)壓力測量，測量壓力可達數(shù)GPa，準確度約為1%-0· 5%。目前，超高壓力測量最為準確的為可控間隙活塞式壓力計，見圖4所示，其最高可測量3GPa的壓力，準確度最高可達到O. 02%-0· 1%，是目前超高壓力的基準壓力計。但這種結構的壓力計，是通過帕斯卡原理和流體靜力學平衡原理來測量壓力的，測量時通過加載在活塞上面的砝碼來平衡未知壓力，因此響應非常慢；另外，超高壓力可控間隙活塞式壓力計體積龐大，無法移動，因此其使用受到很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種高精度靜態(tài)超高壓力傳感器及測量壓力的方法，解決現(xiàn)在的超高壓力測量儀器在壓力測量時要么精度不高，要么響應慢，體積龐大因此使用受限的缺陷。技術方案一種高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于包括傳感器殼體，所述傳感器殼體以殼蓋密封封閉，殼體內(nèi)為耐超高壓力的內(nèi)腔，所述內(nèi)腔內(nèi)設置有傳感元件和從傳感元件中引出電信號的引線座，所述傳感元件包括充滿傳感介質(zhì)用于感應壓力的密閉腔室，在密閉腔室內(nèi)有傳感構件，所述傳感構件為纏繞有傳感金屬絲的桿件，所述傳感金屬絲通過設置在引線座內(nèi)的兩個引線錐引出電信號，在引線座和引線錐之間設置有密封絕緣層，兩個引線錐分別連接有引出電線，所述引線座封閉傳感構件，所述引線錐連接的引出電線從殼蓋中間引出。所述傳感器殼體內(nèi)部的內(nèi)腔壁上設置有多層環(huán)形臺階，所述引線座上部直徑大下部直徑小，上部直徑與所安裝的內(nèi)腔的內(nèi)徑相同，所述引線座下部外與內(nèi)腔壁之間環(huán)繞設置有密封圈組件，所述密封圈組件設置在下方的臺階上。所述傳感器殼體頂部內(nèi)凹，殼蓋通過壓緊螺母壓緊密封圈組件進行密封。所述傳感元件的傳感金屬絲采用錳銅絲。所述傳感介質(zhì)采用白汽油。所述傳感構件的桿件外圈上設置有螺旋式槽溝，所述傳感金屬絲固定在所述螺旋式槽溝內(nèi)，所述桿件采用鋁合金制作，并通過致密陽極氧化，在桿件表面形成一層致密的氧
化鋁薄膜層。所述傳感元件的密閉腔室的腔體包括波紋管段腔體。 所述引線錐包括上中下三部分，上部分和下部分為圓柱體，中間部分為上小下大的圓錐體，上部分和下部分的圓柱體的直徑小于中間圓錐體的底部直徑，下部分伸進傳感元件的密閉腔室內(nèi)。采用如權利要求I所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器測量壓力的方法，其特征在于包括以下步驟I)超高壓力通過被測壓力的液體傳壓介質(zhì)和傳感器殼體的下端接口傳遞到傳感器殼體的內(nèi)腔；2)內(nèi)腔中液體傳壓介質(zhì)被殼蓋壓緊的密封圈組件密封，內(nèi)腔內(nèi)壓力升高，壓力同時通過密閉腔室的波紋管段腔體作用在密閉腔室內(nèi)的傳感介質(zhì)上；3)傳感介質(zhì)再將壓力傳遞到作為傳感金屬絲的錳銅絲，從而引起錳銅絲電阻的變化，利用數(shù)字多用表通過引線錐和電線的傳導測量電阻值；4)測量電阻值的同時通過計算機通訊來監(jiān)控和實時處理錳銅絲的電阻相對變化量，并將電阻相對變化量表征為壓力值。有益效果本發(fā)明的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器不僅能在超高壓力和高溫下保證高精度的測量，而且響應迅速，體積小，攜帶方便，利于測量。


圖I為薄膜式錳銅壓力傳感器示意圖。圖2為箔式錳銅壓力傳感器示意圖。圖3為錳銅絲結構的壓力傳感器示意圖。圖4為可控間隙活塞式壓力計示意圖。圖5為本發(fā)明示意圖。其中1_傳感器殼體，2-殼蓋，3-內(nèi)腔，4-傳感元件，5-引線座，6-傳感構件，7-引線錐，8-密閉腔室，9-密封圈組件，10-波紋管段腔體，11-不銹鋼套管段腔體，12-接管段腔體，13-封頭。
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖，進一步闡述本發(fā)明。一種高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，如附圖5所示，包括傳感器殼體1，所述傳感器殼體I以殼蓋2密封封閉，殼體內(nèi)為耐超高壓力的內(nèi)腔3，所述內(nèi)腔3內(nèi)設置有傳感元件4和從傳感元件4中引出電信號的引線座5，所述傳感元件4包括充滿傳感介質(zhì)用于感應壓力的密閉腔室8，在密閉腔室8內(nèi)有傳感構件6，所述傳感構件為纏繞有傳感金屬絲的桿件，所述傳感金屬絲通過設置在引線座5內(nèi)的兩個引線錐7引出電信號，兩個引線錐7分別連接有引出電線，所述引線座5封閉傳感構件6，所述引線錐7連接的引出電線從殼蓋2中間引出。所述傳感器殼體I內(nèi)部的內(nèi)腔3壁上設置有多層環(huán)形臺階，所述引線座5上部直徑大下部直徑小，上部直徑與所安裝的內(nèi)腔3的內(nèi)徑相同，所述引線座5下部外與內(nèi)腔3壁之間環(huán)繞設置有密封圈組件9，所述密封圈組件9設置在下方的臺階上。所述傳感器殼體I頂部內(nèi)凹，殼蓋2采用壓緊螺母密封。傳感元件4整體通過密封圈組件9、引線座5的座體和壓緊螺母被固定在第二個臺階的位置，壓緊螺母主要是壓緊引線座5的座體下面的密封圈組件9，保證殼體和傳感元件4之間的密封，殼體內(nèi)部提供了一個耐超高壓力的內(nèi)腔3。
所述傳感元件4的傳感金屬絲采用錳銅絲，傳感介質(zhì)采用白汽油，傳感元件4的傳感構件6的桿件外圈上設置有螺旋式槽溝，錳銅絲固定在所述螺旋式槽溝內(nèi)，所述桿件采用鋁合金制作，并通過致密陽極氧化，在桿件表面形成一層致密的氧化鋁薄膜層。所述傳感元件4的密閉腔室的腔體包括波紋管段腔體10。將錳銅絲繞成細直徑彈簧，然后再纏在有螺旋式槽溝的桿件上。所述傳感元件4的密閉腔室的腔體包括與引線座5連接的不銹鋼套管段腔體11、波紋管段腔體10、接管段腔體12和封頭13，不銹鋼套管段腔體11、接管段腔體12與波紋管段腔體10通過滾焊焊接密封，不銹鋼套管段腔體11與引線座5通過激光焊焊接密封，封頭13通過螺紋擰緊在接管段腔體12上，將整個傳感元件4和傳壓介質(zhì)密封隔離起來。所述傳感元件4采用白汽油作為傳壓介質(zhì)，不會引起超高壓力下壓阻測量時的旁路效應，不會給傳感器測壓產(chǎn)生系統(tǒng)誤差；且在超高壓力下，白汽油不會發(fā)生相變，因此能夠各向同性的傳遞壓力，密封體采用部分波紋管補償了傳壓介質(zhì)在超高壓力作用下所產(chǎn)生的體積收縮量，從而解決了超高壓力下無法檢測及誤差大，精度低的問題，通過改進的傳壓介質(zhì)及結構上的改變，不僅使傳感元件4在超高壓力下正常工作，而且能保證檢測的順利和精度。所述引線錐7包括上中下三部分，上部分和下部分為圓柱體，中間部分為上小下大的圓錐體，上部分和下部分的圓柱體的直徑小于中間圓錐體的底部直徑，下部分伸進傳感元件4的密閉腔室8內(nèi)。引線錐7為傳感構件6的電極。所述引線座5中間有錐孔，放置引線錐7，在錐孔內(nèi)壁和引線錐7之間設置有密封絕緣層。引線錐7與引線座5的錐孔配合，中間夾有密封絕緣層，該座體具有非常高的強度和韌性，在超高壓力作用下不會壓裂和脆斷，另外，該座體結構在高壓力作用下，錐孔發(fā)生收縮，使引線座5和引線錐7之間連接更加緊密，引線錐7和密封絕緣層不會在超高壓力作用下在錐孔中運動，因此有利于超高壓力密封；鈹青銅制作的引線錐7具有非常好的導電性，與錳銅之間的熱電勢非常小，是非常合理的電極材料；密封絕緣層在高壓下不會相變，仍具有非常好的絕緣性和密封性，采用葉臘石加工，該絕緣層還具有非常好的耐高溫性能。采用上述高精度靜態(tài)超高壓力傳感器測量壓力的方法，包括以下步驟
I)超高壓力通過液體傳壓介質(zhì)和傳感器殼體的下端接口傳遞到傳感器殼體的內(nèi)腔；2)內(nèi)腔中液體傳壓介質(zhì)被壓緊螺母殼蓋壓緊的密封圈組件密封，內(nèi)腔內(nèi)壓力升高，壓力同時通過波紋管作用在密閉腔室內(nèi)的傳感介質(zhì)上；
3)傳感介質(zhì)再將壓力傳遞到作為傳感金屬絲的錳銅絲，從而引起錳銅絲電阻的變化，利用數(shù)字多用表通過引線錐和電線的傳導測量電阻值；4)測量電阻值的同時通過計算機通訊來監(jiān)控和實時處理錳銅絲的電阻相對變化量，并將電阻相對變化量表征為壓力值。錳銅絲的電阻相對變化量和壓力之間的關系是通過可控間隙活塞式壓力計來確定的。本超高壓傳感器在裝配完成后，首先通過活塞壓力計標定多個壓力點所對應的電阻值，然后通過線性擬合確定壓力和電阻相對變化量之間的關系。本高精度靜態(tài)超高壓力傳感器加壓至1200MPa壓力，保壓lOmin，該壓力傳感器未遭破壞和爆裂，絕緣密封都可靠。最大示值誤差5 =100 =0·06%Μ’符合ο. I級的準確度技術要求。
Prs重復性誤差ξ s = O. 048%FS,小于 O. 1%FS。穩(wěn)定性偏差為I rr = niax^7^ 10()% = = ().()5%/ V，小于 O. 1%FS。
Prs()()()該壓力傳感器使用方便，便于現(xiàn)場測試和校準壓力，其精度高，可以作為可控間隙活塞式壓力計之間量值比對的傳遞標準。
權利要求
1.一種高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于包括傳感器殼體(I)，所述傳感器殼體(I)以殼蓋(2)密封封閉，殼體內(nèi)為耐超高壓力的內(nèi)腔(3)，所述內(nèi)腔(3)內(nèi)設置有傳感元件(4)和從傳感元件(4)中引出電信號的引線座(5)，所述傳感元件(4)包括充滿傳感介質(zhì)用于感應壓力的密閉腔室(8)，在密閉腔室(8)內(nèi)有傳感構件(6)，所述傳感構件為纏繞有傳感金屬絲的桿件，所述傳感金屬絲通過設置在引線座(5)內(nèi)的兩個引線錐(7)引出電信號，兩個引線錐(7)分別連接有引出電線，在引線座(5)和引線錐(7)之間設置有密封絕緣層，所述引線座(5)封閉傳感構件(6)，所述引線錐(7)連接的引出電線從殼蓋(2)中間引出。
2.如權利要求I所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于所述傳感器殼體(I)內(nèi)部的內(nèi)腔(3 )壁上設置有多層環(huán)形臺階，所述引線座(5 )上部直徑大下部直徑小，上部直徑與所安裝的內(nèi)腔(3)的內(nèi)徑相同，所述引線座(5)下部外與內(nèi)腔壁之間環(huán)繞設置有密封圈組件(9 )，所述密封圈組件(9 )設置在下方的臺階上。
3.如權利要求2所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于所述傳感器殼體(I) 頂部內(nèi)凹，殼蓋(2)通過壓緊螺母壓緊密封圈組件(9)進行密封。
4.如權利要求I所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于所述傳感元件(4)的傳感金屬絲采用錳銅絲。
5.如權利要求I或4所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于所述傳感介質(zhì)采用白汽油。
6.如權利要求I或4所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于所述傳感構件(6)的桿件外圈上設置有螺旋式槽溝，所述傳感金屬絲固定在所述螺旋式槽溝內(nèi)，所述桿件采用鋁合金制作，并通過致密陽極氧化，在桿件表面形成一層致密的氧化鋁薄膜層。
7.如權利要求I或4所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于所述傳感元件(4)的密閉腔室(8)的腔體包括波紋管段腔體(10)。
8.如權利要求I所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于所述引線錐(7)包括上中下三部分，上部分和下部分為圓柱體，中間部分為上小下大的圓錐體，上部分和下部分的圓柱體的直徑小于中間圓錐體的底部直徑，下部分伸進傳感元件(4)的密閉腔室(8)內(nèi)。
9.采用如權利要求I所述的高精度靜態(tài)超高壓力傳感器測量壓力的方法，其特征在于包括以下步驟 1)超高壓力通過被測壓力的液體傳壓介質(zhì)和傳感器殼體的下端接口傳遞到傳感器殼體的內(nèi)腔； 2)內(nèi)腔中液體傳壓介質(zhì)被殼蓋壓緊的密封圈組件密封，內(nèi)腔內(nèi)壓力升高，壓力同時通過密閉腔室的波紋管段腔體作用在密閉腔室內(nèi)的傳感介質(zhì)上； 3)傳感介質(zhì)再將壓力傳遞到作為傳感金屬絲的錳銅絲，從而引起錳銅絲電阻的變化，利用數(shù)字多用表通過引線錐和電線的傳導測量電阻值； 4)測量電阻值的同時通過計算機通訊來監(jiān)控和實時處理錳銅絲的電阻相對變化量，并將電阻相對變化量表征為壓力值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，屬于超高壓力測量領域。一種高精度靜態(tài)超高壓力傳感器，其特征在于包括傳感器殼體，所述傳感器殼體以殼蓋密封封閉，殼體內(nèi)為耐超高壓力的內(nèi)腔，所述內(nèi)腔內(nèi)設置有傳感元件和從傳感元件中引出電信號的引線座，所述傳感元件包括充滿傳感介質(zhì)用于感應壓力的密閉腔室，在密閉腔室內(nèi)有傳感構件，所述傳感構件為纏繞有傳感金屬絲的桿件，所述傳感金屬絲通過設置在引線座內(nèi)的兩個引線錐引出電信號，引線錐與引線座之間設有絕緣層，兩個引線錐分別連接有引出電線，所述引線座封閉傳感構件，所述引線錐連接的引出電線從殼蓋中間引出。本發(fā)明的超高壓力傳感器能保證高精度的測量，而且響應迅速，體積輕便。
文檔編號G01L9/02GK102818673SQ20121013822
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月5日 優(yōu)先權日2012年5月5日
發(fā)明者洪扁, 潘征宇, 張進明, 胡央麗, 葛振杰, 冷瑩瑩 申請人:上海市計量測試技術研究院