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陶瓷电阻压力传感器的工作原理和应用

时间:2020-01-13 浏览:

陶瓷电容技术采用固定式陶瓷基座和可动陶瓷膜片结构,可动膜片通过玻璃浆料等方式与基座密封固定在一起。两者之间内侧印刷电极图形,从而形成一个可变电容,当膜片上所承受的介质压力变化时两者之间的电容量随之发生变化,通过调理芯片将该信号进行转换调理后输出给后级使用。陶瓷电容技术具有成本适中,量程范围宽,温度特性好、一致性、长期稳定性好等优势。

陶瓷电容压力传感器的产品设计

陶瓷电容压力传感器芯体测压原理

典型陶瓷电容压力传感器芯体为密封表压结构,由陶瓷基座和可变形膜片及中空密封腔体三部分组成,承压面为可变形膜片,当芯体承压发生变化时,变形膜承压后发生弯曲,导致基板间距发生变化,引起基板间电容的变化,电容变化通过调理芯片转换为标准输出(如0~5V电压输出、4~20mA电流输出、I2C、SPI数字输出等)。

陶瓷电容压力传感器的特点及典型应用

图1:陶瓷电容压力传感器承压前截面图

陶瓷电容压力传感器的特点及典型应用

图2:陶瓷电容压力传感器承压后截面图

典型陶瓷电容压力传感器密封结构

为保证气密性,在陶瓷电容压力传感器的产品设计中,选用O型圈或者垫片作为密封的关键部件,其中O型圈更为常见。因为O型圈具备优良的线性密封特性,承压范围宽于垫片(垫片一般推荐用于2MPa以内的密封)等优点。

O型圈的尺寸、材质、硬度等参数选择将直接影响最终压力传感器的产品性能,需要结合总成尺寸、待测介质类型、工作温度范围等因素综合考虑后选型。

压力传感器中常见的O型圈材料有三元乙丙橡胶(EPDM),氢化丁腈橡胶(HNBR),硅橡胶(QM),氯丁橡胶(CR)、氟橡胶(FKM)、氟硅橡胶(MFQ)等。

陶瓷电容压力传感器的特点及典型应用

图3:典型O型圈材料的使用温度范围

一般来说,汽车空调压力传感器,采用HNBR或CR材料的O型圈,机油压力传感器采用氟橡胶等。汽车气刹压力传感器可采用硅橡胶材料的O型圈;即便是同一种类材料,各生产厂家通过特殊的掺杂或者聚合处理,可扩展其使用温度范围。同一种传感器应用,可能存在多种可选的材料进行匹配,在具体使用时,应与O型圈厂家进行咨询确认后,选择合适的O型圈材料及牌号进行传感器结构设计。

陶瓷电容压力传感器的一般密封结构如下图所示:

陶瓷电容压力传感器的特点及典型应用

图4:陶瓷电容典型密封结构示意图

压力传感器装配完成后,陶瓷电容底部需要与金属外壳保持一定的距离(上图中间隙)。一般陶瓷电容压力传感器承受正压,因此仅保留O型圈槽外圈,以降低加工难度。

通过控制上图中台阶一与O型圈槽底的高度差,对O型圈压缩量进行控制。

台阶二与O型圈槽底构成O型圈槽,对O型圈装配位置进行限定,另需要O型圈槽的槽顶进行倒圆角以防止O型圈承压后被壳体切割,对O型圈槽底倒圆角以降低装配应力。

陶瓷电容压力传感器的典型应用

陶瓷电容压力传感器因其耐腐蚀、抗冲击、无迟滞、介质兼容性强等优势可以广泛应用在水、气、液多种介质的压力检测,尤其适合于汽车系统的恶劣环境下工作。针对物联网及家电等压力传感器的新兴应用市场,陶瓷电容抗冲击优势可以应用于供水管网的水压测量,完美应对水锤效应;针对可变压力的压力煲应用,陶瓷电容平膜结构可以避免堵塞。

汽车领域陶瓷电容压力传感器典型应用如下表所示:

表1:汽车领域陶瓷电容压力传感器典型应用

陶瓷电容压力传感器的特点及典型应用

物联网及家电领域陶瓷电容压力传感器典型应用如下表所示:

表2:汽车领域陶瓷电容压力传感器典型应用

陶瓷电容压力传感器的特点及典型应用