高精度金属电容传感器的制作方法

[0001]
本发明涉及金属电容传感器技术领域，具体为一种高精度金属电容传感器。


背景技术：

[0002]
传感器是一种检测特定介质并且将该介质的特性通过电信号转变为可读值的设备。这种类型的传感器也被已知为变换器。本发明涉及用于检测各种压力范围的传感器，特别是几帕斯卡范围的低压力。通常，具有三种不同的变换机制用于测量压力，例如压阻式、压电式和电容式。圈子，电容式方法相比其它变换机制具有一些优点，特别是在低压测量方面。这是由于电容随着压力的百分比变化而导致的。
[0003]
电容式压力传感器，是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。特点是，输入能量低，高动态响应，自然效应小，环境适应性好。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。其中，差动电容式压力传感器，它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难(特别是难以保证对称性)，而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。
[0004]
目前国内金属电容传感器存在技术成旧、检测精度不高、温漂大、长期稳定性相对较差和抗过载能力不佳等情况。
[0005]
基于此，本发明提出了一种高精度金属电容传感器，以解决上述问题。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提出一种高精度金属电容传感器，以解决上述“目前国内金属电容传感器存在技术成旧、检测精度不高、温漂大、长期稳定性相对较差和抗过载能力不佳等情况”的问题。
[0007]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度金属电容传感器，该传感器包括有壳体连接件、承压结构件、金属电容传感器芯体、信号处理电路板、电路板安装座和隔离膜片；
[0008]
所述壳体连接件的上部为螺纹端，所述壳体连接件的下侧非螺纹端焊接在承压结构件的顶端平台位置；
[0009]
所述承压结构件的顶端左右侧开设有两组焊接孔，所述焊接孔内均密封焊接有导压油管；
[0010]
所述金属电容传感器芯体设在壳体连接件的内侧，所述金属电容传感器芯体的高
低压侧与左右侧的导压油管连接；
[0011]
所述承压结构件的顶端左右侧开设有两组充油孔，所述充油孔位于两组焊接孔之间位置，且充油孔靠近焊接孔，所述充油孔的顶端焊接有充油管，所述充油孔的侧壁上开设有与焊接孔底部连通的导油通道；
[0012]
所述承压结构件的承压部分分为高压侧和低压侧，所述承压结构件下部表面上设有高低压标记符号，所述承压结构件承压面的中部与充油孔底部之间设有导压通道；
[0013]
所述隔离膜片共有两片，两片隔离膜片分别焊接在承压结构件承压部分的高压侧和低压侧；
[0014]
所述电路板安装座固定安装在壳体连接件的内腔上侧，所述信号处理电路板安装在电路板安装座上；
[0015]
所述金属电容传感器芯体的高低压侧的电容极板导线及金属电容传感器芯体本体上的中性线分别接在信号处理电路板的h、l、gnd上。
[0016]
优选的，所述金属电容传感器芯体包括有传感器基座、玻璃绝缘层、中心膜片、电容极板、陶瓷管、陶瓷片和电极；
[0017]
所述玻璃绝缘层在传感器基座内侧，所述电容极板设在玻璃绝缘层的中部，所述电容极板为左右相对的两组，两组电容极板中间设有中心膜片，所述电容极板中心远离中心膜片的一侧设有陶瓷管；
[0018]
所述玻璃绝缘层的高低压侧中部设有与玻璃绝缘层连接的通口，所述陶瓷片设在通口内侧，所述陶瓷片中部设有导油内孔，所述导压油管的上端贯穿导油内孔后与陶瓷管连接；
[0019]
所述电极共两个，电极设在传感器基座的顶端，电极与电容极板一一对应电性连接。
[0020]
优选的，所述中心膜片的焊接采用连续激光焊接技术，熔深达1.5mm。
[0021]
优选的，所述信号处理电路板上包括电极接口单元、电容采集单元、温度采集单元、滤波单元、数据处理cpu、数据输出单元和数据储存单元；
[0022]
所述电极接口单元、温度采集单元和滤波单元电性连接电容采集单元，所述电容采集单元包含pcap01ad采集单元及其附属电路，所述电容采集单元电连接数据处理cpu；
[0023]
所述数据处理cpu包含stm8l152c6t6处理单元及其附属电路，所述数据输出单元、数据储存单元(与数据处理cpu三者之间电性连接；
[0024]
所述数据输出单元包含sp3485单元及其附属电路；
[0025]
所述数据储存单元包含fm24cl16b-gtr储存单元及其附属电路。
[0026]
优选的，所述信号处理电路板配带有iic、spi、uart或rs485协议。
[0027]
优选的，所述充油孔内设置有节流棒，所述节流棒的棒体内沿轴向设有孔道。
[0028]
优选的，所述壳体连接件的上部配有m55x16牙螺纹或m56x1.5螺纹。
[0029]
优选的，所述承压结构件为全实心锻打材质。
[0030]
优选的，所述隔离膜片的材质为sus316l。
[0031]
优选的，所述金属电容传感器芯体整体为圆柱块，所述金属电容传感器芯体的直径为32mm。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0033]
1、本方案中采用浮空设计，通过导压油管将金属电容传感器芯体支撑住，导压油管通过陶瓷管和陶瓷片与传感器基座整体之间断开绝缘，从而使传感器中性线与壳体断开，以减少由于壳体带电带来的误差和对传感器的损伤；且由于浮空设计，电容的浮地与整机的地是分开的，从而解决了由于外部地传来的干扰，增加了产品的稳定性；
[0034]
2、本方案中金属电容传感器芯体较常规设计尺寸更小，通过缩小外形尺寸，从而缩小中心膜片的尺寸，从而保证中心膜片具有更高的拉伸力及弹性，在对于压力发生变化时产生的差压信号反应更灵敏；
[0035]
3、本方案中中心膜片焊接采用连续激光焊接技术，熔深较大，从而保证传感器具有更高的耐压性，在巨大的压力冲击下不变型，中心膜片回复性也更好；
[0036]
4、本方案中研发了新式电路板，此电路板内置电容采集单元，数据存储单元，数据处理cpu，温度采集单元，数据输出单元，滤波单元，可以实现对电容数据进行采集，通过pc机进行线性化校准，温度补偿，后将数据存储在数据存储单元中，客户可以通过电路板配带的iic、spi，uart或rs485协议进行数据读取，仅需要做简要的出厂校验即可使用，方便简洁实用。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为本发明三维示意图；
[0039]
图2为本发明正视图；
[0040]
图3为本发明图2中的a-a截面示意图；
[0041]
图4为本发明侧视图；
[0042]
图5为本发明图4中的b-b截面示意图；
[0043]
图6为本发明俯视图；
[0044]
图7为本发明仰视图；
[0045]
图8为本发明金属电容传感器芯体结构示意图；
[0046]
图9为本发明电路图。
[0047]
附图标记如下：
[0048]
1-壳体连接件，2-承压结构件，3-隔离膜片，4-焊接孔，5-导压油管，6-金属电容传感器芯体，7-电路板安装座，8-信号处理电路板，9-充油孔，10-充油管，11-节流棒，61-传感器基座，62-玻璃绝缘层，63-电容极板，64-中心膜片，65-陶瓷管，66-陶瓷片，67-电极，80-电极接口单元，81-电容采集单元，82-温度采集单元，83-滤波单元，84-数据处理cpu，85-数据输出单元，86-数据储存单元。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
实施例1
[0051]
参阅附图1～7，本发明提供一种技术方案：一种高精度金属电容传感器，该传感器包括有壳体连接件1、承压结构件2、金属电容传感器芯体6、信号处理电路板8、电路板安装座7和隔离膜片3；
[0052]
所述壳体连接件1的上部为螺纹端，所述壳体连接件1的下侧非螺纹端焊接在承压结构件2的顶端平台位置，可以很好的防护电路板不受外界干扰；
[0053]
所述承压结构件2的顶端左右侧开设有两组焊接孔4，所述焊接孔4内均密封焊接有导压油管5；
[0054]
所述金属电容传感器芯体6设在壳体连接件1的内侧，所述金属电容传感器芯体6的高低压侧与左右侧的导压油管5连接；
[0055]
所述承压结构件2的顶端左右侧开设有两组充油孔9，以便给传感器内部填充硅油，所述充油孔9位于两组焊接孔4之间位置，且充油孔9靠近焊接孔4，所述充油孔9的顶端焊接有充油管10，所述充油孔9的侧壁上开设有与焊接孔4底部连通的导油通道；
[0056]
所述承压结构件2的承压部分分为高压侧和低压侧，所述承压结构件2下部表面上设有高低压标记符号，所述承压结构件2承压面的中部与充油孔9底部之间设有导压通道；
[0057]
所述隔离膜片3共有两片，两片隔离膜片3分别焊接在承压结构件2承压部分的高压侧和低压侧；
[0058]
所述电路板安装座7固定安装在壳体连接件1的内腔上侧，所述信号处理电路板8安装在电路板安装座7上；
[0059]
所述金属电容传感器芯体6的高低压侧的电容极板导线及金属电容传感器芯体本体6上的中性线分别接在信号处理电路板8的h、l、gnd上。
[0060]
工作原理如下：传感器有高压h端和低压l端，当高低压端的压力相等时，此时压力差为0，金属电容传感器芯体6的中心膜片处于零位；当h端压力大于l端压力时，压力通过传感器内部的填充液常规为硅油传导到金属电容传感器芯体6的中心膜片上，中心膜片产生位移，此时中心膜片与h端的电容极板之间的距离增大，与l端的电容极板减小，根据电容的计算公式，介质常数不变，电容的面积不变，此时电容值大小会随着两个极板之间的距离变化而变化，从而形成电容差值；信号处理电路板8接收电容变化信息，将电容信号转化为便于传输的iic或spi信号输出。
[0061]
实施例2
[0062]
其与实施例1相比，仅具有以下不同：
[0063]
参阅附图8，所述金属电容传感器芯体6包括有传感器基座61、玻璃绝缘层62、中心膜片64、电容极板63、陶瓷管65、陶瓷片66和电极67；
[0064]
所述玻璃绝缘层62在传感器基座61内侧，所述电容极板63设在玻璃绝缘层62的中部，所述电容极板63为左右相对的两组，两组电容极板63中间设有中心膜片64，所述电容极板63中心远离中心膜片64的一侧设有陶瓷管65；
[0065]
所述玻璃绝缘层62的高低压侧中部设有与玻璃绝缘层61连接的通口，所述陶瓷片66设在通口内侧，所述陶瓷片66中部设有导油内孔，所述导压油管5的上端贯穿导油内孔后
与陶瓷管连接；
[0066]
所述电极67共两个，电极67设在传感器基座61的顶端，电极67与电容极板63一一对应电性连接。
[0067]
进一步的，所述中心膜片64的焊接采用连续激光焊接技术，熔深达1.5mm，保证传感器具有更高的耐压性，在巨大的压力冲击下不变型，中心膜片64回复性也更好，根据试验数据，单边过载10mpa对于0-40kpa的传感器的影响在0.1级范围内，较现有的外径41的金属电容传感器具有极大的优势。鉴于极高的回复性及灵敏度，在大的迁移比的情况下，输出也同样的稳定，线性精度较好，根据试验数据显示，0-40kpa的传感器在缩小100倍量程的情况下，线性精度在0.2级范围内。
[0068]
上述结构中，通过导压油管5将金属电容传感器芯体6支撑住，导压油管5通过陶瓷管65和陶瓷片66与传感器基座61整体之间断开绝缘，从而使传感器中性线与壳体断开，以减少由于壳体带电带来的误差和对传感器的损伤；且由于浮空设计，电容的浮地与整机的地是分开的，从而解决了由于外部地传来的干扰，增加了产品的稳定性。
[0069]
实施例3
[0070]
其与实施例1相比，具有以下不同：
[0071]
参阅附图8，所述金属电容传感器芯体6包括有传感器基座61、玻璃绝缘层62、中心膜片64、电容极板63、陶瓷管65、陶瓷片66和电极67；
[0072]
所述玻璃绝缘层62在传感器基座61内侧，所述电容极板63设在玻璃绝缘层62的中部，所述电容极板63为左右相对的两组，两组电容极板63中间设有中心膜片64，所述电容极板63中心远离中心膜片64的一侧设有陶瓷管65；
[0073]
所述玻璃绝缘层62的高低压侧中部设有与玻璃绝缘层61连接的通口，所述陶瓷片66设在通口内侧，所述陶瓷片66中部设有导油内孔，所述导压油管5的上端贯穿导油内孔后与陶瓷管连接；
[0074]
所述电极67共两个，电极67设在传感器基座61的顶端，电极67与电容极板63一一对应电性连接。
[0075]
进一步的，所述中心膜片64的焊接采用连续激光焊接技术，熔深达1.5mm。
[0076]
参阅附图9，所述信号处理电路板8上包括电极接口单元80、电容采集单元81、温度采集单元82、滤波单元83、数据处理cpu84、数据输出单元85和数据储存单元86；
[0077]
所述电极接口单元80、温度采集单元82和滤波单元83电性连接电容采集单元81，所述电容采集单元81包含pcap01ad采集单元及其附属电路，所述电容采集单元81电连接数据处理cpu84；
[0078]
所述数据处理cpu84包含stm8l152c6t6处理单元及其附属电路，所述数据输出单元85、数据储存单元86与数据处理cpu84三者之间电性连接；
[0079]
所述数据输出单元85包含sp3485单元及其附属电路；
[0080]
所述数据储存单元86包含fm24cl16b-gtr储存单元及其附属电路。
[0081]
进一步的，所述信号处理电路板8配带有iic、spi、uart或rs485协议。
[0082]
此信号处理电路板8内置电容采集单元，数据存储单元，数据处理cpu，温度采集单元，数据输出单元，滤波单元，可以实现对电容数据进行采集，通过pc机进行线性化校准，温度补偿，后将数据存储在数据存储单元中，客户可以通过电路板配带的iic、spi，uart或
rs485协议进行数据读取，仅需要做简要的出厂校验即可使用，方便简洁实用。
[0083]
进一步的，所述充油孔9内设置有节流棒11，所述节流棒11的棒体内沿轴向设有孔道。
[0084]
进一步的，所述壳体连接件1的上部配有m55x16牙螺纹或m56x1.5螺纹。
[0085]
进一步的，所述承压结构件2为全实心锻打材质，其具有极高的承压能力。
[0086]
进一步的，所述隔离膜片3的材质为sus316l，非标情况下可定制。
[0087]
进一步的，所述金属电容传感器芯体6整体为圆柱块，所述金属电容传感器芯体6的直径为32mm；金属电容传感器芯体6的外形尺寸从原有的直径41缩小到现在的直径32，通过缩小外形尺寸，从而缩小中心膜片的尺寸，从而保证中心膜片具有更高的拉伸力及弹性，在对于压力发生变化时产生的差压信号反应更灵敏。
[0088]
高精度金属电容传感器工作原理：
[0089]
1、传感器有高压h端和低压l端，当高低压端的压力相等时，此时压力差为0，金属电容传感器芯体6的中心膜片64处于零位；
[0090]
2、当h端压力大于l端压力时，压力通过传感器内部的填充液常规为硅油传导到金属电容传感器芯体6的中心膜片64上，中心膜片64产生位移，此时中心膜片64与h端的电容极板63之间的距离增大，与l端的电容极板63减小，根据电容的计算公式，介质常数不变，电容的面积不变，此时电容值大小会随着两个极板之间的距离变化而变化，从而形成电容差值；
[0091]
3、信号处理电路板8通过内部的电容采集单元81采集金属电容传感器芯体6上的电容差值，通过数据处理cpu，将电容信号转化为便于传输的iic或spi信号输出。
[0092]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0093]
以上公开的本发明进一步实施例只是用于帮助阐述本发明。进一步实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。