是什么讓高壓傳感器如此特別？
壓力傳感器基于必須能夠承受高負(fù)荷的測(cè)量體，尤其是在高壓范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)和使用的材料是測(cè)量主體的準(zhǔn)確性、可靠性和使用壽命的關(guān)鍵因素。
是什么讓高壓傳感器如此特別？
1、整體設(shè)計(jì)
高壓傳感器通常設(shè)計(jì)為厚壁管(見下圖 ),由單片鋼制成。因此，他們的設(shè)計(jì)也被稱為“單片”。術(shù)語(yǔ)“單片”源自希臘語(yǔ)，意思是“單一的石頭”(mono- =單一；lithos =石頭)。
整體式測(cè)量主體設(shè)計(jì)確保了特別低的應(yīng)力梯度和應(yīng)力峰值。此外，這些測(cè)量體具有長(zhǎng)的使用壽命，因?yàn)樗鼈儧]有焊縫或其他弱點(diǎn)。左圖顯示了示意性布局中的壓力傳感器各種壓力孔設(shè)計(jì)，而右圖顯示了不同測(cè)量體的選擇。
這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：
內(nèi)徑D處的機(jī)械應(yīng)力i明顯高于外徑D處的直徑a。因此，這是三軸應(yīng)力狀態(tài)下承受最高載荷的點(diǎn)(見下圖)。
根據(jù)強(qiáng)度理論，參考應(yīng)力σv必須從三個(gè)應(yīng)力σ中導(dǎo)出t(切向應(yīng)力)，σr(徑向應(yīng)力)和σn(正常應(yīng)力)以評(píng)估使用壽命。然后，參考應(yīng)力與材料的特征值相關(guān)聯(lián)。
用于超高壓范圍(> 10，000 bar)的傳感器的設(shè)計(jì)使得材料的屈服點(diǎn)在承受最高載荷的內(nèi)部纖維處被超過。這并不意味著傳感器會(huì)被撕裂，因?yàn)闇y(cè)量體的外層仍然很好地“承受”了壓力。如果壓力繼續(xù)增加，超過屈服點(diǎn)的地方在壁內(nèi)慢慢向外移動(dòng)。只有當(dāng)屈服點(diǎn)移動(dòng)到最外層時(shí)，換能器才會(huì)斷裂。
內(nèi)徑與外徑之比(Da/Di)，因此必須選擇壁的厚度，以便可以充分利用彈簧鋼的動(dòng)態(tài)特性，并達(dá)到負(fù)載變化的最大能力。
2、材料選擇
選擇材料涉及動(dòng)態(tài)負(fù)載下的最大使用壽命和彈簧元件可實(shí)現(xiàn)的計(jì)量屬性之間的折衷。由于高屈服點(diǎn)，鋼看起來是用于高壓應(yīng)用的優(yōu)良材料，但可能具有不合適的彈簧特性，這將導(dǎo)致過大的滯后。這意味著材料將顯示不同的增加和減少應(yīng)力的特征曲線，從而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。低滯后的彈簧元件材料具有大于1GPa的拉伸強(qiáng)度，這使得它們更適合高壓應(yīng)用。
壓力傳感器制造商通常使用的鋼具有大約600 MPa的持久疲勞的動(dòng)態(tài)載荷承載能力，這相當(dāng)于大約6000巴的壓縮載荷。承受6，000至7，000巴重復(fù)載荷的承壓部件不能表現(xiàn)出持久強(qiáng)度。這下面的示意圖顯示了壓力傳感器拉伸強(qiáng)度Rm與交變載荷數(shù)量和壓應(yīng)力σD的函數(shù)關(guān)系。
低周耐久性:在N<10的交變載荷下發(fā)生損壞(斷裂)的應(yīng)力幅度
靜態(tài)強(qiáng)度:在10 <N<106的交變載荷下發(fā)生損壞(斷裂)的應(yīng)力幅度
持久強(qiáng)度:在任何數(shù)量的交變載荷下都不會(huì)發(fā)生損壞(斷裂)的應(yīng)力幅度，2 x 106 ≥ N ≥ 107
除了材料特性，其他幾個(gè)因素也會(huì)影響使用壽命。此外，傳感器的后處理也有助于確保超過6000巴的壓力值能夠被可靠地測(cè)量。
