一种毛细管带水冷结构的耐高温压力传感器的制作方法

1.本发明涉及一种毛细管带水冷结构的耐高温压力传感器，属于发动机研制技术领域。


背景技术：

2.为验证发动机在研制过程中的性能参数，在发动机地面热试中通常采用燃烧室引压测量方式获取燃烧室内部的压力数据，通过对压力数据的分析来评估发动机的各项性能参数。
3.姿轨控发动机响应速度快、燃烧室温度高，为获取脉冲工作状态下燃烧室内部准确的压力数据，传统压力传感器的敏感元件直接与热气接触，在发动机脉冲工作时高温燃气在测压腔积聚，极易导致敏感元件在高温环境下发生永久变形，致使无法获取有效的燃烧室压力数据，影响发动机的性能评估。根据美国、俄罗斯、欧空局等国家的抗高温室压发动机试验测试技术相关报道，未发现同类的结构资料。国内文献亦未见相关报道。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统姿轨控发动机技术脉冲工作状态下存在的问题，提出了一种毛细管带水冷结构的耐高温压力传感器。
5.本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
6.一种毛细管带水冷结构的耐高温压力传感器，包括引压头、受压膜片、封堵、膜片端盖、毛细管、芯体端盖、底座、敏感元件、转换电路、壳体、出线端、输出导线、水冷外壳壳体，所述引压头、芯体端盖、壳体均焊接于水冷外壳壳体内，引压头一端连接通过机械接口与发动机的测压接口连接，受压膜片设置于引压头内部，封堵设置于受压膜片的背压侧，采用钢珠形式实现的密封，引压头另一端设置有膜片端盖，毛细管一端穿过膜片端盖连接于受压膜片上，毛细管另一端穿过芯体端盖连接于敏感元件上，底座一端设置有端盖，敏感元件设置于底座内部，敏感元件与转换电路连接设置，底座的壳体上设置有出线端，转换电路通过穿出出线端的输出导线与外部数据采集器连接。
7.所述受压膜片与发动机测压接口输出的高温燃气接触产生形变，受压膜片通过毛细管内填充的硅油将形变传递至敏感元件，敏感元件产生形变以改变桥路阻值，转换电路解析桥路阻值的变量并生成电流信号，通过出线端内的输出导线将电流信号发送至数据采集器，获取发动机的推力室内部燃气压力信息。
8.所述水冷外壳壳体上设置有进水接口、出水接口，于进水接口流入冷却介质对水冷外壳壳体内引压头、毛细管、壳体组成的压力传感器进行冷却，冷却介质由出水接口排出。
9.所述毛细管内设置有毛细引压管以防止敏感元件过热失效。
10.所述水冷外壳壳体与压力传感器间设计有中空区域，对冷却介质进行引流，对压力传感器进行物理降温以维持压力传感器稳定工作。
11.所述敏感元件采用扩散硅压力芯体，能够适应转换电路进行压力信号向电信号的转换。
12.所述水冷外壳壳体中，进水接口内侧设置有环状散热片，用于增加冷却介质与引压头、受压膜片、封堵、膜片端盖组成的散热装置的外壁接触面积，以实现换热效率的提高。
13.所述毛细管通过抽真空方式填充硅油。
14.所述水冷外壳壳体采用不锈钢材料进行加工，并通过氩弧焊焊接技术与压力传感器进行焊接。
15.所述进水接口和出水接口设置于水冷外壳壳体上下两侧的轴向对称位置，同时设置有两道密封环进行密封。
16.本发明与现有技术相比的优点在于：
17.(1)本发明提供的一种毛细管带水冷结构的耐高温压力传感器，将压力传感器的敏感元件放置在毛细管后端，远离高温燃气感压面，能够有效隔离高温燃气对敏感元件的直接影响，防止敏感元件受高温传热影响而导致信号失效，从而提高传感器的测量精度和使用寿命；
18.(2)本发明能够有效地缓解由于发动机脉冲工作过程中温度过高而导致的传感器信号漂移和敏感元件失效等问题，保证了发动机地面试验过程中燃烧室压力数据的可靠性和有效性；
19.(3)本发明采用的毛细管结构通过填充与扩散硅敏感元件相同的硅油介质，保证了压力强度的有效传递，在脉冲工作模式下具备良好的固有频率特性，通过动态标定和试验验证，动态响应频率高于1khz，能够保证发动机在脉冲工作下推力室内部压力的准确获取。
附图说明
20.图1为发明提供的压力传感器分解示意图；
21.图2为发明提供的传感器结构示意图；
22.图3为发明提供的压力传感器主体组成示意图；
23.图4为发明提供的水冷外壳结构示意图；
24.图5为发明提供的散热装置结构示意图；
具体实施方式
25.一种毛细管带水冷结构的耐高温压力传感器，主要由压力传感器主体和水冷外壳两部分组成，还设置有散热装置，在满足动态性能的前提下，提高压力传感器在高温状态下的承受能力，控制敏感元件在发动机工作状态下的环境温度，保证敏感元件输出压力信号的准确性和可靠性，有效提高传感器在高温环境下的使用寿命，具体为：
26.压力传感器主体是获取介质压力的核心部件，主要实现测量介质的动态压力信号的获取、高温燃气的有效隔离以及压力信号的转换和传输，是保证压力数据能够准确、可靠获取的主要部件。水冷外壳壳体具备冷却介质的引流功能，实现了冷却介质与压力传感器主体的热交换功能，能够有效降低压力传感器主体的外表面温度，保证金属材料的物理特性，有效提高压力传感器测试数据的有效性和稳定性。
27.压力传感器主体是压力传感器的核心装置，包括引压头、受压膜片、封堵、膜片端盖、毛细管、芯体端盖、底座、敏感元件、转换电路、壳体、出线端、输出导线，高温燃气通过引压腔输送至受压膜片，引压腔通径2mm，为保证受压膜片的形变稳定性，引压头、受压膜片、封堵、膜片端盖组成的散热装置作为第一道温控措施，对引压腔内的高温燃气和受压膜片进行物理降温，有效提高受压膜片的耐温性能，同时毛细管采用填充硅油的方式，能够精准的将受压膜片感知到的压力强度传递到敏感元件的感压端，敏感元件采用扩散硅压力芯体，配置相应的转换电路能够准确的将压力信号转化为电信号由输出导线传递给采集设备。
28.下面根据附图及具体实施例进行进一步说明：
29.毛细管带水冷结构的耐高温压力传感器如图1、图2所示，包括压力传感器主体和水冷外壳壳体两部分，其中：
30.压力传感器主体如图3所示，包括引压头1、受压膜片2、封堵3、膜片端盖4、毛细管5、底座7、硅油8、敏感元件9、转换电路10、壳体11、出线端12、输出导线13，压力传感器主体采用316不锈钢材质进行设计和加工，敏感元件选用扩散硅压力敏感芯体，压力等级40mpa，毛细管设计长度40mm、内径2mm，毛细管内部填充硅油作为两端压力的传递媒介。毛细管采用氩弧焊焊接方式与受压膜片和敏感元件进行焊接，焊接完成后采用抽真空方式进行硅油填充，填充完毕后进行封堵，能够实现燃气与敏感元件的有效隔离，消除燃气温度对敏感元件的影响，同时在毛细管内部充填硅油能够充分满足压力传感器对动态响应的测试要求。
31.水冷外壳壳体结构示意图如图4所示，包括壳体14、进水口15、出水口16，水冷外壳采用304不锈钢材料进行设计和加工，壁厚1.5mm，采用氩弧焊焊接技术与压力传感器主体进行焊接，最高耐压1mpa。冷却接口采用氩弧焊焊接方式与水冷外壳进行焊接，接口长度12mm，内径3mm，外径6mm，设置两道密封环，能够良好的连接和固定输送水管。
32.散热装置采用增大散热面积的方式，在冷却水入口压力传感器主体上面设计两片厚度为1.5mm的环状散热片，增加冷却水与引压腔外壁的接触面积，提高散热装置的换热效率，充分降低引压腔内部高温燃气的温度，保证受压膜片物理特性的稳定，提高受压膜片的使用寿命，散热装置示意图如图5所示。
33.毛细管作为该传感器的核心设计部件，在保证压力传感器动态特性的前提下，能够有效隔绝高温燃气对敏感元件的影响，同时具备一定的抗冲击效果，该毛细管采用抽真空填充硅油方式，示意图如图3中序号2、3、5、8、9所示。
34.采用本发明的产品，经过了多次发动机单机地面热试车及不同脉冲程序下的工作考核，结果表明该毛细管带水冷结构可有效降低燃气温度对传感器测量数据的影响，延长传感器敏感元件的使用寿命。
35.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
36.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。