一种具有过载保护功能的顶针式石英振梁压力传感器
技术领域
本实用新型涉及压力传感器的技术领域，尤其涉及一种具有过载保护功能的顶针式石英振梁压力传感器。
背景技术
压力不仅是生产中需要控制一个参数，同时也是很多器件稳定工作时所需精确控制的一个条件。压力传感器是一种将压力量转换为电信号的仪器，广泛应用在航空航天、石油化工、汽车、电力、船舶和消费电子等领域中。作为压力传感器的一种，谐振式压力传感器采用石英晶体作为谐振器件，品质因数高，具有稳定性好、精度高、易于激励等优点。例如，美国的QUARTZDYNE公司是振动盘式石英谐振压力传感器的主要供应商，精度可达0.02%FS，这种全石英结构常采用传统机械加工方法，谐振器体积较大，只适用于高压测量场合。日本爱普生拓优科梦公司研制了一种金属波纹管作为弹性元件的石英振梁谐振压力传感器，该传感器采用双波纹管和单根石英振梁，可以实现差压测量，但不具备过载保护功能，当待测压力剧烈变化时容易造成过载导致传感器损坏。目前，现有的石英谐振压力传感器大多无过载保护功能，同时采用波纹管作为弹性元件增加了传感器的气密性封装难度。
实用新型内容
本实用新型解决背景技术中的问题，提供一种波纹膜片式石英梁谐振压力传感器，具有高灵敏度、高精度、高分辨率以及具有过载保护功能的优点，本实用新型具体技术方案为：一种具有过载保护功能的顶针式石英振梁压力传感器，
包括箱型的壳体1、芯体2和顶针机构，所述壳体1的上端配合设有顶盖11，所述芯体2包括大L形杆件21和小L形杆件22，且大L形杆件21的竖直端部设有水平连接板23，大L形杆件21的水平端部设有竖直连接板24；
所述小L形杆件22的直角部通过柔性铰链25和所述竖直连接板24铰接，使得小L形杆件22位于大L形杆件21的内侧；
所述大L形杆件21通过壳体连接板12和壳体1的内腔底部固定连接；
所述大L形杆件21竖直部的上端面平行布设有电路转接板26，所述小L形杆件22水平端部的两侧分别通过双梁结构的石英振梁27和对应的大L形杆件21连接，且每个石英振梁27的两端分别通过焊块和电路转接板26连接；
所述顶针机构包括圆柱形的顶针31、金属波纹膜片32和顶针壳33，顶针壳33为带有三级阶梯孔的管状结构，分别为上部阶梯孔34、中部阶梯孔35和下部阶梯孔36，且孔径依次减小，所述金属波纹膜片32固定在上部阶梯孔34的下端阶梯面上，且上部阶梯孔34对应的顶针壳33外圆柱面和所述壳体1侧壁通过安装块13螺纹固定连接，所述顶针31上部的外圆柱面上设有顶针凸台311，顶针31同轴安装在顶针壳33内，使得顶针凸台311位于中部阶梯孔35内，顶针31的一端和金属波纹膜片32连接，顶针31的另一端伸出下部阶梯孔36，并和对应小L形杆件22的竖直端部的侧壁接触。
进一步，所述顶针凸台311下端和对应顶针31外圆柱面之间设有过渡的圆锥台，所述小L形杆件22的竖直端部和顶针31伸出端接触的侧壁粗糙度小于Ra0.8 。
进一步，所述顶针壳33外圆柱面的中部设有外六角凸台331，所述下部阶梯孔36对应的顶针壳33外圆柱面开设外螺纹。
进一步，所述壳体连接板12沿着壳体1内腔底部侧壁布置，壳体连接板12通过两个长螺栓和顶盖11固定，使得壳体1内腔闭合，壳体连接板12通过两个短螺栓和大L形杆件21连接，使得大L形杆件21平行固定在壳体连接板12的上端面。
本实用新型的有益技术效果如下：本实用新型采取了顶针机构的设计作为过载保护结构，当待测气压较大导致本实用新型的压力传感器过载时，波纹膜片带动顶针轴向运动，顶针凸台与顶针壳中部阶梯孔下端的阶梯面相互作用，阻碍顶针继续向芯体的小L杆件继续施加推力，从而防止因过载导致压力传感器内部损坏，提高了压力传感器的安全性与稳定性，拓展了压力传感器的使用范围。同时小L形杆件水平端部的两侧分别通过双梁结构的石英振梁和对应的大L形杆件连接，使用两根石英振梁构成了差动设计，具有灵敏度高、线性度好、温度稳定性好等优点。
附图说明
图1为本实用新型压力传感器的俯视图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图1的B-B剖视图。
图4为图1的C-C剖视图。
图5为本实用新型芯体的结构示意图。
图6为本实用新型壳体的结构示意图。
图7为本实用新型顶针机构的结构示意图。
图8为本实用新型石英振梁的结构示意图。
图中：1壳体、2芯体、11顶盖、12壳体连接板、13安装块、21大L形杆件、22小L形杆件、23水平连接板、24竖直连接板、25柔性铰链、26电路转接板、27石英振梁、31顶针、311顶针凸台、32金属波纹膜片、33顶针壳、331外六角凸台、34上部阶梯孔、35中部阶梯孔、36下部阶梯孔。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例
见图1～图4，一种具有过载保护功能的顶针式石英振梁压力传感器，包括箱型的壳体1、芯体2和顶针机构，
所述壳体1的上端配合设有顶盖11，其中芯体2见图5，所述芯体2包括大L形杆件21和小L形杆件22，且大L形杆件21的竖直端部设有水平连接板23，大L形杆件21的水平端部设有竖直连接板24；
所述小L形杆件22的直角部通过柔性铰链25和所述竖直连接板24铰接，使得小L形杆件22位于大L形杆件21的内侧；柔性铰链25最窄处宽度为150μm~300μm。
所述大L形杆件21通过壳体连接板12和壳体1的内腔底部固定连接；
所述大L形杆件21竖直部的上端面平行布设有电路转接板26，所述小L形杆件22水平端部的两侧分别通过双梁结构的石英振梁27和对应的大L形杆件21连接，且对应小L形杆件22和大L形杆件21上对应安装石英振梁27处均开设凹槽。
每个石英振梁27均平行着大L形杆件21的竖直部布置，且每个石英振梁27的两端分别通过焊块和电路转接板26电连接，其中双梁结构的石英振梁27见图8。
见图6，所述壳体连接板12沿着壳体1内腔底部侧壁布置，并通过两个长螺栓和顶盖11固定，使得壳体1内腔闭合，通过两个短螺栓和大L形杆件21连接，使得大L形杆件21平行固定在壳体连接板12的上端面。
见图7，顶针机构包括圆柱形的顶针31、金属波纹膜片32和顶针壳33，顶针壳33为带有三级阶梯孔的管状结构，分别为上部阶梯孔34、中部阶梯孔35和下部阶梯孔36，且孔径依次减小，所述金属波纹膜片32固定在上部阶梯孔34的下端阶梯面上，且上部阶梯孔34对应的顶针壳33外圆柱面和所述壳体1侧壁通过安装块13螺纹固定连接，所述顶针31上部的外圆柱面上设有顶针凸台311，顶针31同轴安装在顶针壳33内，使得顶针凸台311位于中部阶梯孔35内，顶针31的一端和金属波纹膜片32连接，顶针31的另一端伸出下部阶梯孔36，并和对应小L形杆件22的竖直端部的侧壁接触。
顶针凸台311与中部阶梯孔35侧壁之间存在一定间隙，外界气压P过载时，顶针凸台311与中部阶梯孔35侧壁相互作用，提供过载保护，避免了过载破坏。
所述顶针凸台311下端和对应顶针31外圆柱面之间设有过渡的圆锥台，所述小L形杆件22的竖直端部和顶针31伸出端接触的侧壁粗糙度小于Ra0.8 。
所述顶针壳33外圆柱面的中部设有外六角凸台331，所述下部阶梯孔36对应的顶针壳33外圆柱面开设外螺纹。
工作原理：工作时，上部阶梯孔34对应的顶针壳33的外圆柱面和通气管道螺纹连接，使得外界待测气体压力P作用在金属波纹膜片32上，金属波纹膜片32发生弹性变形，该变形由顶针31转移到小L形杆件22和顶针31接触的侧壁上，芯体2可以等效为一杠杆机构，柔性铰链25为杠杆支点，在顶针31传递的力的作用下，和大L形杆件21连接的两个石英振梁27一个受拉伸作用，另一个受到拉伸作用，两个石英振梁27的内部产生应力，由于石英振梁27的固有频率随应力变化极为敏感，在一定范围内，石英振梁27固有频率与内部应力几乎成线性关系，一个石英振梁27受压缩后谐振频率降低，另一个石英振梁27受拉伸后谐振频率升高，金属波纹膜片32在小挠度变形情况下，石英振梁27的应力与作用在金属波纹膜片32上的压力P成正比，因而石英振梁27的谐振频率与待测气体表压具有较好的线性关系，通过检测两个石英振梁27的谐振频率的变化差值可以实现检测待测气体表压的目的，两个石英振梁27形成差动式结构，可以提高传感器灵敏度，并且消除或减小环境温度对谐振频率的影响。
两个石英振梁27在激励电路控制下，利用石英的逆压电效应驱动其自激振荡，当振动频率等于石英梁的固有频率时发生谐振，在闭环正反馈控制系统下对谐振频率进行检测，两个石英振梁27的谐振频率的变化量表征待测气体压力的大小，从而实现外界待测气体压力的测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
