一种动态压力传感器的制作方法

1.本发明涉及一种压力传感器。


背景技术：

2.动态压力传感器广泛应用在航空发动机、飞机模型以及飞行时空气振动的动态压力流场分布的测量中；在实际应用中，由于受到被测环境空间尺寸小及被测介质高温的限制，传感器无法直接通过接触方式对动压信号进行测量，需要通过引压传递的方式进行测量；由于动态信号中往往掺杂着低频及高频的各种谐波，为保障信号不失真，必须保证传感器具有良好的频响特性；而引压管在动压传递过程中对动压信号频率响会应产生较大影响，致使传感器测量频响范围大幅下降；而现有的动态压力传感器灵敏度差，并且频响范围小，无法满足动态压力流场分布的测量要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有的动态压力传感器灵敏度差以及频响范围小的问题，提出了一种动态压力传感器。
4.本发明所述的一种动态压力传感器包括引压管、压力敏感元件、电路组件、阻抗匹配管和外壳；
5.所述外壳设置有腔室，压力敏感元件设置在外壳的腔室内；
6.所述引压管的一端悬空设置在外壳前侧壁上，引压管的另一端与外壳的腔室连通，用于将外界动压信号导入到外壳的腔室内；
7.所述电路组件为长条状pcb电路板，同时压力敏感元件固定在长条状pcb电路板的顶端；并且电路组件包括自举反馈式前置放大电路和八阶巴特沃兹低通滤波电路；自举反馈式前置放大电路用于降低调试的复杂度，八阶巴特沃兹低通滤波电路用于扩展频响范围；
8.所述阻抗匹配管呈螺旋状缠绕在长条状pcb电路板上；并且阻抗匹配管的顶端与外壳的腔室连通；阻抗匹配管的末端呈开放式结构；同时，阻抗匹配管的内径尺寸与所述引压管的内径尺寸相同，阻抗匹配管的外径尺寸与所述引压管的外径尺寸相同；
9.所述电路组件的压力信号输出端由外壳的底端引出。
10.进一步的，所述自举反馈式前置放大电路包括电阻r1至电阻r12、电容c1至电容c12、三极管q1、放大器u1至放大器u5、输入端子vin和输出端子vout；
11.输入端子vin的1号连接端用于接收压力敏感元件2输出的传感信号；输入端子vin的2号连接端用于为压力敏感元件2提供偏置电压；并且，输入端子vin的1号连接端同时与电阻r1的一端以及电容c1的一端相连；输入端子vin的2号连接端同时与电阻r3的一端、电源vcc的供电端以及三极管q1的集电极相连；电容c1的另一端同时与电阻r3的另一端以及三极管q1的基极相连；电阻r1的另一端同时与电阻r2的一端以及电容c2的一端相连；三极管q1的发射极同时与电容c3的一端、电容c2的另一端以及电阻r4的一端相连；电阻r2的另
一端与电阻r4的另一端相连，并接地；
12.电容c3的另一端与电阻r5的一端相连；
13.电阻r5的另一端同时与电阻r6的一端以及电容c5的一端相连；电阻r6的另一端同时与电容c4的一端以及放大器u1的同相输入端相连；电容c4的另一端接地；放大器u1的反相输入端同时与放大器u1的输出端、电容c5的另一端以及电阻r7的一端相连；
14.电阻r7的另一端同时与电阻r8的一端以及电容c7的一端相连；电阻r8的另一端同时与电容c6的一端以及放大器u2的同相输入端相连；电容c6的另一端接地；放大器u2的反相输入端同时与放大器u2的输出端、电容c7的另一端以及电阻r9的一端相连；
15.电阻r9的另一端同时与电阻r10的一端以及电容c9的一端相连；电阻r10的另一端同时与电容c8的一端以及放大器u3的同相输入端相连；电容c8的另一端接地；放大器u3的反相输入端同时与放大器u3的输出端、电容c9的另一端以及电阻r11的一端相连；
16.电阻r11的另一端同时与电阻r12的一端以及电容c11的一端相连；电阻r12的另一端同时与电容c10的一端以及放大器u4的同相输入端相连；电容c10的另一端接地；放大器u4的反相输入端同时与放大器u4的输出端、电容c11的另一端以及放大器u5的同相输入端相连；
17.放大器u5的反相输入端同时与放大器u5的输出端以及电容c12的一端相连；
18.电容c12的另一端与输出端子vout的2号连接端相连，输出端子vout的1号连接端接地；输出端子vout用于连接输出线缆。
19.进一步的，所述八阶巴特沃兹低通滤波电路的截止频率为8khz，倍频衰减率为48db，频响范围扩展为：31.5hz-8khz。
20.进一步的，所述引压管采用不锈钢制成，并且引压管的内径为0.8mm，外径为1.3mm，长度为80mm。
21.进一步的，所述压力敏感元件是利用mems工艺，并采用soi晶片制成；
22.所述压力敏感元件为长方体结构，并且压力敏感元件的长度为：3.5mm；压力敏感元件2的宽度为：3.5mm；压力敏感元件的高度为1mm。
23.进一步的，所述压力敏感元件通过高温胶粘接的方式固定在长条状pcb电路板的顶端。
24.进一步的，所述引压管和阻抗匹配管均与外壳通过氩弧焊焊接方式进行固定。
25.本发明的有益效果为：该动态压力传感器将被测动压经由引压管传至阻抗匹配管中，减小了引压结构对传感器动态响应特性的影响，保证了该动态压力传感器的频响特性；同时，通过电路组件将敏感元件感知的动压信号转化为电压信号，形成了一种具有高灵敏宽频响范围的传感器，利用自举反馈式前置放大电路降低了噪音电平，提升电路的降噪水平，因此，该动态压力传感器具有良好的频率响应，减小了引压结构对传感器动态响应特性的影响，保证了传感器具有较宽的频率响应范围和较高的灵敏度；该动态压力传感器主要用于飞行器内部的动态压力参数测量，量程为100db～150db，灵敏度为(7.6
±
1.5)mv/pa，频响范围为31.5hz-8khz。
26.本发明所述的动态压力传感器应用于动态压力监测领域，为提升航空、航天动压测试系统能力提供技术支撑。
附图说明
27.图1为具体实施方式一所述的一种动态压力传感器的整体结构剖视图；
28.图2为具体实施方式一中自举反馈式前置放大电路的电路图。
具体实施方式
29.结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种动态压力传感器，该压力传感器包括引压管1、压力敏感元件2、电路组件3、阻抗匹配管4和外壳5；
30.所述外壳5设置有腔室，压力敏感元件2设置在外壳5的腔室内；
31.所述引压管1的一端悬空设置在外壳5前侧壁上，引压管1的另一端与外壳5的腔室连通，用于将外界动压信号导入到外壳5的腔室内；
32.所述电路组件3为长条状pcb电路板，同时压力敏感元件2固定在长条状pcb电路板的顶端；并且电路组件3包括自举反馈式前置放大电路和八阶巴特沃兹低通滤波电路；自举反馈式前置放大电路用于降低调试的复杂度，八阶巴特沃兹低通滤波电路用于扩展频响范围；
33.所述阻抗匹配管4呈螺旋状缠绕在长条状pcb电路板上；并且阻抗匹配管4的顶端与外壳5的腔室连通；阻抗匹配管4的末端呈开放式结构；同时，阻抗匹配管4的内径尺寸与所述引压管1的内径尺寸相同，阻抗匹配管4的外径尺寸与所述引压管1的外径尺寸相同；阻抗匹配管4的末端呈开放式结构用于使该动态传感器内部压力和动态压力传感器前端接收到的动态压力保持一致，有效减小了声波的反射；
34.所述电路组件3的压力信号输出端由外壳5的底端引出。
35.在本实施方式中，该动态压力传感器工作时，外界动压信号经由所述引压管1导入到所述压力敏感元件2和所述阻抗匹配管4中，压力敏感元件2将感知的动压信号转化为电压信号，最后经由电路组件3的压力信号输出端输出。
36.优选实施例中，所述自举反馈式前置放大电路包括电阻r1至电阻r12、电容c1至电容c12、三极管q1、放大器u1至放大器u5、输入端子vin和输出端子vout；
37.输入端子vin的1号连接端用于接收压力敏感元件2输出的传感信号；输入端子vin的2号连接端用于为压力敏感元件2提供偏置电压；并且，输入端子vin的1号连接端同时与电阻r1的一端以及电容c1的一端相连；输入端子vin的2号连接端同时与电阻r3的一端、电源vcc的供电端以及三极管q1的集电极相连；电容c1的另一端同时与电阻r3的另一端以及三极管q1的基极相连；电阻r1的另一端同时与电阻r2的一端以及电容c2的一端相连；三极管q1的发射极同时与电容c3的一端、电容c2的另一端以及电阻r4的一端相连；电阻r2的另一端与电阻r4的另一端相连，并接地；
38.电容c3的另一端与电阻r5的一端相连；
39.电阻r5的另一端同时与电阻r6的一端以及电容c5的一端相连；电阻r6的另一端同时与电容c4的一端以及放大器u1的同相输入端相连；电容c4的另一端接地；放大器u1的反相输入端同时与放大器u1的输出端、电容c5的另一端以及电阻r7的一端相连；
40.电阻r7的另一端同时与电阻r8的一端以及电容c7的一端相连；电阻r8的另一端同时与电容c6的一端以及放大器u2的同相输入端相连；电容c6的另一端接地；放大器u2的反相输入端同时与放大器u2的输出端、电容c7的另一端以及电阻r9的一端相连；
41.电阻r9的另一端同时与电阻r10的一端以及电容c9的一端相连；电阻r10的另一端同时与电容c8的一端以及放大器u3的同相输入端相连；电容c8的另一端接地；放大器u3的反相输入端同时与放大器u3的输出端、电容c9的另一端以及电阻r11的一端相连；
42.电阻r11的另一端同时与电阻r12的一端以及电容c11的一端相连；电阻r12的另一端同时与电容c10的一端以及放大器u4的同相输入端相连；电容c10的另一端接地；放大器u4的反相输入端同时与放大器u4的输出端、电容c11的另一端以及放大器u5的同相输入端相连；
43.放大器u5的反相输入端同时与放大器u5的输出端以及电容c12的一端相连；
44.电容c12的另一端与输出端子vout的2号连接端相连，输出端子vout的1号连接端接地；输出端子vout用于连接输出线缆。
45.在本实施方式中，采用的自举反馈式前置放大电路降低传感器电路调试的复杂度；其中，由r1、r2、r3、r4、c1、c2和q1组成一个共集电极的放大电路；电源电压vcc＝12v，电阻r1 r2＝1022ω，当通过压力敏感元件2的ic＝0.1-1ma的范围变化时，vcc＝11.9v至1v，电路中r1、r2的取较小阻值，保证电源vcc的偏压充分施加于敏感元件2上；当压力敏感元件2的参数变化时，整体电路仍能很好的适应这一变化，使压力敏感元件2能够有足够的偏置电压，从而发挥出优异的性能；但由于(r1 r2)的阻值取得很小，不能满足压力敏感元件2的输出阻抗匹配要求，故需要引入自举电容c3形成自举电路；由于电阻r3的负反馈作用，三极管q1的发射极电位通过自举电容c3的耦合至电阻r1的下端，使电阻r1的两端交流电位差减小，实现对电阻r1的自举，提高了放大偏置电路的交流阻抗，实现电路的最佳匹配；三极管q1的发射极跟随电路的输出阻抗很低，几乎能满足任何后续放大电路的要求；同时由于电阻r4的阻值较小，等于在输出连接线上接了个低阻的负载，根据干扰源的内阻大的特点，使其形成回路，极大地降低了噪音电平，提升电路的降噪水平。
46.优选实施例中，所述八阶巴特沃兹低通滤波电路的截止频率为8khz，倍频衰减率为48db，频响范围扩展为：31.5hz-8khz。
47.在本实施方式中，八阶巴特沃兹低通滤波电路是由四个压控源二阶低通滤波器构成，运算放大器为同相接法，滤波器输入阻抗高，而输出阻抗低，具有电路性能稳定，增益调节简单的特点；采用巴特沃兹滤波器，可保证在通频带的频响曲线最大限度平坦，而在阻频带则逐渐衰减为零；一阶巴特沃兹滤波器的的倍频衰减率为6db，八阶滤波的倍频衰减率可达到48db；通过这一设计，将该动态传感器的频响范围扩展为31.5hz-8khz。
48.优选实施例中，所述引压管1采用不锈钢制成，并且引压管1的内径为0.8mm，外径为1.3mm，长度为80mm。
49.优选实施例中，所述压力敏感元件2是利用mems工艺，并采用soi晶片制成；
50.所述压力敏感元件2为长方体结构，并且压力敏感元件2的长度为：3.5mm；压力敏感元件2的宽度为：3.5mm；压力敏感元件2的高度为1mm。
51.在本实施方式中，所述压力敏感元件2利用mems工艺制造，其具有体积小、结构简单、频响特性好的特点；所述压力敏感元件2工作时必须施加外加偏压，并且由于其参数离散性，通过电源串联电阻的偏置电路，需要针对压力敏感元件2进行参数调整；压力敏感元件2通过高温胶粘接的方式固定在所述电路组件3上。
52.优选实施例中，所述压力敏感元件2通过高温胶粘接的方式固定在长条状pcb电路
板的顶端。
53.优选实施例中，所述引压管1和阻抗匹配管4均与外壳5通过氩弧焊焊接方式进行固定。
54.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。