CN210827408U - 一种压力敏感元件及孔隙水压计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压力敏感元件及孔隙水压计，压力敏感元件包括：敏感芯体、PCB转换电路板、敏感元件保护壳和屏蔽电缆，在敏感元件保护壳的内部固定放置一个PCB转换电路板，通过将敏感芯体和屏蔽电缆固定连接在PCB转换电路板上，省去了原有大玻璃支架(玻璃环)所占用的空间；由于无应力胶具有隔热、防水密封等作用，因此使用无应力胶保护敏感芯体，可以实现在保证能够测量到液体介质压力的前提下，仅需较小的涂覆接触面，就可准确的测量液体介质压力，并且能够保护敏感芯体免受侧向外力作用，从而无需将敏感元件保护壳的壳体壁增大，因此，本实用新型大大减小了压力敏感元件的尺寸，从而减小了封装该压力敏感元件的尺寸。

Description

一种压力敏感元件及孔隙水压计

技术领域

本实用新型涉及孔压量测技术领域，更具体的说，涉及一种压力敏感元件及孔隙水压计。

背景技术

孔隙水压计(简称孔压计)是观测土体中超静孔隙水压力增长与消散的关键性量测传感器，可用于监测、判别场地和岩土构筑物等力学性态与稳定性。孔隙水压计主体部分主要由透水石、压力敏感元件、保护外壳等组成。

目前，大量数据统计表明，在静力离心模型试验、动力离心模型试验和常规振动台试验中，基于对被测流场的特殊需求，以及准确获取宽频带上的高频动态压力变化规律，对孔隙水压计的微型化、量测精度、量测可靠性和使用寿命等多方面提出极为严格的要求。孔压量测的压力敏感元件作为孔隙水压计最为重要的组成部分，对孔隙水压计的尺寸大小等起到至关重要的作用。

然而，现有技术中的压力敏感元件存在尺寸过大(直径约在18mm，厚度6mm)，易造成封装后的孔隙水压计存在整体尺寸较大的问题，造成压力敏感元件尺寸过大的原因为：1)需要将敏感芯体安放在一个贯通的大玻璃支架(玻璃环)上，然后再将大玻璃支架焊接在敏感元件保护壳内，从而导致敏感元件的尺寸扩大；2)在敏感芯体前端注入的是硅油，通过硅油进行压力介质的传递，并且，为了保证能够测量到液体介质压力，需要将整个接触面做大；3)由于硅油无法保护敏感芯体不受侧向外力作用，因此为保护内部的敏感芯体免受外界干扰，需要将敏感元件保护壳的壳体壁增大。因此使得在静力离心模型试验、动力离心模型试验和常规振动台试验中，易对复杂流场状态造成较大干扰，导致获取的孔隙水压力的动态变化规律存在一定偏差，不符合多场耦合和复杂土体环境中高精度、高灵敏和准确的孔隙水压测试需求。因此，如何提供一种尺寸小的压力敏感元件，成为了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型公开一种敏感元件及孔隙水压计，以实现通过将敏感芯体固定连接在PCB转换电路板上，并使屏蔽电缆穿过敏感元件保护壳的电缆定位孔与PCB转换电路板的后端固定连接，省去大玻璃支架所占用的空间，从而优化敏感元件保护壳的内部空间尺寸；进一步，相对于传统方案中使用硅油而言，本实用新型使用无应力胶保护敏感芯体，由于无应力胶具有隔热、防水密封、增加电绝缘强度等作用，因此可以实现在保证能够测量到液体介质压力的前提下，仅需较小的涂覆接触面，就可准确的测量液体介质压力，并且能够保护敏感芯体免受侧向外力作用，从而无需将敏感元件保护壳的壳体壁增大，因此，本实用新型大大减小了压力敏感元件的尺寸，从而减小了封装该压力敏感元件的尺寸，使得在静力离心模型试验、动力离心模型试验和常规振动台试验中，不容易对复杂流场状态造成较大干扰，提高了获取的获取的孔隙水压力的动态变化规律的准确性，满足了多场耦合和复杂土体环境中高精度、高灵敏和准确的孔隙水压测试需求。

一种压力敏感元件，包括：敏感芯体、PCB转换电路板、敏感元件保护壳和屏蔽电缆，所述敏感元件保护壳上设置有注胶口、通气孔和电缆定位孔；

所述敏感芯体与所述PCB转换电路板的前端固定连接，所述屏蔽电缆穿过所述电缆定位孔与所述PCB转换电路板的后端固定连接，且所述屏蔽电缆与所述电缆定位孔之间密封固定，由所述敏感芯体、所述PCB转换电路板和所述屏蔽电缆构成的整体通过所述注胶口放置于所述敏感元件保护壳的内部，并通过无应力胶固定，所述敏感元件保护壳的所述通气孔与所述敏感芯体的通气孔连通。

可选的，所述固定连接包括：焊接。

可选的，所述敏感芯体与所述PCB转换电路板的前端固定连接，具体包括：

所述敏感芯体上的金丝线与所述PCB转换电路板的正面焊点焊接连接。

可选的，所述无应力胶包括：硅橡胶弹性体。

可选的，所述敏感芯体包括：微机电系统MEMS压阻式压力敏感芯片。

可选的，所述屏蔽电缆为硅胶电缆。

一种孔隙水压计，所述孔隙水压计包括：上述所述的压力敏感元件。

从上述的技术方案可知，本实用新型公开了一种压力敏感元件及孔隙水压计，压力敏感元件包括：敏感芯体、PCB转换电路板、敏感元件保护壳和屏蔽电缆，敏感芯体与PCB转换电路板的前端固定连接，屏蔽电缆穿过敏感元件保护壳的电缆定位孔，与PCB转换电路板的后端固定连接，由敏感芯体、PCB转换电路板和屏蔽电缆构成的整体通过注胶口放置于敏感元件保护壳的内部，并通过无应力胶固定，敏感元件保护壳的通气孔与敏感芯体的通气孔连通。本实用新型在敏感元件保护壳的内部固定放置了一个PCB转换电路板，通过将敏感芯体固定连接在PCB转换电路板上，并使屏蔽电缆穿过敏感元件保护壳的电缆定位孔与PCB转换电路板的后端固定连接，省去了原有大玻璃支架(玻璃环)所占用的空间，从而优化了敏感元件保护壳的内部空间尺寸；进一步，相对于传统方案中使用硅油而言，本实用新型使用无应力胶保护敏感芯体，由于无应力胶具有隔热、防水密封、增加电绝缘强度等作用，因此可以实现在保证能够测量到液体介质压力的前提下，仅需较小的涂覆接触面，就可准确的测量液体介质压力，并且能够保护敏感芯体免受侧向外力作用，从而无需将敏感元件保护壳的壳体壁增大，因此，本实用新型大大减小了压力敏感元件的尺寸，从而减小了封装该压力敏感元件的尺寸，使得在静力离心模型试验、动力离心模型试验和常规振动台试验中，不容易对复杂流场状态造成较大干扰，提高了获取的获取的孔隙水压力的动态变化规律的准确性，满足了多场耦合和复杂土体环境中高精度、高灵敏和准确的孔隙水压测试需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据公开的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例公开的一种压力敏感元件的爆炸图；

图2(a)为本实用新型实施例公开的一种敏感元件保护壳的左侧视示意图；

图2(b)为本实用新型实施例公开的一种敏感元件保护壳的右侧视示意图；

图3(a)为本实用新型实施例公开的一种压力敏感元件的左侧视的整体结构示意图；

图3(b)为本实用新型实施例公开的一种压力敏感元件的右侧视的整体结构示意图；

图4(a)为本实用新型实施例公开的一种压力敏感元件的的内部结构示意图；

图4(b)为本实用新型实施例公开的另一种压力敏感元件的的内部结构示意图；

图5(a)为本实用新型实施例公开的一种压力敏感元件的侧面图；

图5(b)为本实用新型实施例公开的一种压力敏感元件的切面图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种压力敏感元件及孔隙水压计，压力敏感元件包括：敏感芯体、PCB转换电路板、敏感元件保护壳和屏蔽电缆，敏感芯体与PCB转换电路板的前端固定连接，屏蔽电缆穿过敏感元件保护壳的电缆定位孔，与PCB转换电路板的后端固定连接，由敏感芯体、PCB转换电路板和屏蔽电缆构成的整体通过注胶口放置于敏感元件保护壳的内部，并通过无应力胶固定，敏感元件保护壳的通气孔与敏感芯体的通气孔连通。本实用新型在敏感元件保护壳的内部固定放置了一个PCB转换电路板，通过将敏感芯体固定连接在PCB转换电路板上，并使屏蔽电缆穿过敏感元件保护壳的电缆定位孔与PCB转换电路板的后端固定连接，省去了原有大玻璃支架(玻璃环)所占用的空间，从而优化了敏感元件保护壳的内部空间尺寸；进一步，相对于传统方案中使用硅油而言，本实用新型使用无应力胶保护敏感芯体，由于无应力胶具有隔热、防水密封、增加电绝缘强度等作用，因此可以实现在保证能够测量到液体介质压力的前提下，仅需较小的涂覆接触面，就可准确的测量液体介质压力，并且能够保护敏感芯体免受侧向外力作用，从而无需将敏感元件保护壳的壳体壁增大，因此，本实用新型大大减小了压力敏感元件的尺寸，从而减小了封装该压力敏感元件的尺寸，使得在静力离心模型试验、动力离心模型试验和常规振动台试验中，不容易对复杂流场状态造成较大干扰，提高了获取的获取的孔隙水压力的动态变化规律的准确性，满足了多场耦合和复杂土体环境中高精度、高灵敏和准确的孔隙水压测试需求。

参见图1，本实用新型一实施例公开的一种压力敏感元件的爆炸图，压力敏感元件包括：敏感芯体01、PCB(Printed Circuit Board，印制线路板)转换电路板02、敏感元件保护壳03和屏蔽电缆04。

参加图2(a)和图2(b)公开的敏感元件保护壳的示意图，敏感元件保护壳03上设置有注胶口031、通气孔032和电缆定位孔033。

压力敏感元件的各组成部分的连接关系如下：

敏感芯体01与PCB转换电路板02的前端固定连接，屏蔽电缆04穿过敏感元件保护壳03的电缆定位孔033，与PCB转换电路板02的后端固定连接，且屏蔽电缆04与电缆定位孔033之间密封固定，由敏感芯体01、PCB转换电路板02和屏蔽电缆04构成的整体通过注胶口031放置于敏感元件保护壳03的内部，并通过无应力胶固定，敏感元件保护壳03的通气孔032与敏感芯体01的通气孔连通。

所述无应力胶包括：硅橡胶弹性体。

其中，压力敏感元件的整体结构示意图可参见图3(a)和图3(b)，压力敏感元件的的内部结构示意图可参见图4(a)和图4(b)。

需要说明的是，在实际应用中，敏感芯体01与PCB转换电路板02的前端固定连接包括：焊接，也即，敏感芯体01焊接在PCB转换电路板02的前端。具体的，敏感芯体01上的金丝线与PCB转换电路板02的正面焊点焊接连接。

屏蔽电缆04穿过敏感元件保护壳03的电缆定位孔033，与PCB转换电路板02的后端固定连接包括：焊接，也即，屏蔽电缆04穿过敏感元件保护壳03的电缆定位孔033焊接在PCB转换电路板02的后端。

本实施例中，注胶口031的作用为：通过填充无应力胶，对敏感芯体01与PCB转换电路板02起到防水密封、承压以及隔绝外界干扰因素的作用，外界干扰因素包括：腐蚀液体、高离心力和强/弱电磁等。

其中，本实施例中的无应力胶采用高性能的无应力胶，高性能指的是，该无应力胶的防水性能高于普通型无应力胶的防水性能，从而可以有效避免压力敏感元件长期处于浸泡于量测压力流体环境中出现的胶面开裂、老化等现象，以及直接对内部敏感元件造成的破坏。

通气孔032的作用为：与敏感芯体01上的通气孔进行连通，以将大气作为压力参考基准值。

电缆定位孔033的作用为：对屏蔽电缆04起到固定作用，具体为：在屏蔽电缆04和电缆定位孔033之间填充电缆胶来固定屏蔽电缆04。

在实际应用中，电缆胶选用高性能的电缆胶，高性能指的是，电缆胶具有较高的防水性能，从而可以有效避免压力敏感元件长期处于浸泡于量测压力流体环境中出现的胶面开裂、老化等现象，以及直接对内部敏感元件造成的破坏。

通过对比发现，本实用新型公开的压力敏感元件的尺寸相对于现有技术中的压力敏感元件的尺寸大大减小，现有技术中的压力敏感元件的尺寸通常为：压力敏感元件直径13mm，厚度6mm，屏蔽电缆直径5mm。参见图5(a)和图5(b)示出的压力敏感元件的侧面图和切面图，本实用新型中压力敏感元件的尺寸可以减小为：压力敏感元件直径5.5mm，厚度4.5mm，屏蔽电缆直径1.2mm，敏感芯体01的通气孔尺寸。很显然，本实用新型公开的压力敏感元件相对于现有技术中的压力敏感元件的整体体积有较大幅度缩尺，缩尺约为30％，从而间接使得封装后的孔隙水压计的整体尺寸缩小。因此，在静力离心模型试验、动力离心模型试验和常规振动台试验中，由于适用于孔压量测的压力敏感元件尺寸大幅缩减，从而使得封装后的孔隙水压计不易对被测复杂流场状态造成干扰，进而可有效提高获取的孔隙水压力的动态变化规律的准确性与可靠性，满足多场耦合和复杂土体环境中高精度、高灵敏和准确的孔隙水压测试需求。

综上可知，本实用新型公开了一种压力敏感元件，包括：敏感芯体01、PCB转换电路板02、敏感元件保护壳03和屏蔽电缆04，敏感芯体01与PCB转换电路板02的前端固定连接，屏蔽电缆04穿过敏感元件保护壳03的电缆定位孔033，与PCB转换电路板02的后端固定连接，由敏感芯体01、PCB转换电路板02和屏蔽电缆04构成的整体通过注胶口031放置于敏感元件保护壳03的内部，并通过无应力胶固定，敏感元件保护壳03的通气孔032与敏感芯体01的通气孔连通。本实用新型在敏感元件保护壳的内部固定放置了一个PCB转换电路板，通过将敏感芯体固定连接在PCB转换电路板上，并使屏蔽电缆穿过敏感元件保护壳的电缆定位孔与PCB转换电路板的后端固定连接，省去了原有大玻璃支架(玻璃环)所占用的空间，从而优化了敏感元件保护壳的内部空间尺寸；进一步，相对于传统方案中使用硅油而言，本实用新型使用无应力胶保护敏感芯体，由于无应力胶具有隔热、防水密封、增加电绝缘强度等作用，因此可以实现在保证能够测量到液体介质压力的前提下，仅需较小的涂覆接触面，就可准确的测量液体介质压力，并且能够保护敏感芯体免受侧向外力作用，从而无需将敏感元件保护壳的壳体壁增大，因此，本实用新型大大减小了压力敏感元件的尺寸，从而减小了封装该压力敏感元件的尺寸，使得在静力离心模型试验、动力离心模型试验和常规振动台试验中，不容易对复杂流场状态造成较大干扰，提高了获取的获取的孔隙水压力的动态变化规律的准确性，满足了多场耦合和复杂土体环境中高精度、高灵敏和准确的孔隙水压测试需求。

优选的，上述实施例中的敏感芯体01采用MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)压阻式压力敏感芯片，该芯体为国外原装进口芯片，在实际测试过程中，具有长期稳定性高、精度高、线性度高和使用寿命长等特点。更为重要的是，该芯体固有频响高(最高可达1MHz)，这对于孔隙水压计量测高频响动态孔压数据的准确性与可靠性极为重要。

综上可知，由于敏感芯体01采用MEMS压阻式压力敏感芯片，因此，本实用新型所要保护的压力敏感元件具有测量精度高、可靠性高和使用寿命长等优势，并且，还具有长期稳定性和高频响应性能。

优选的，屏蔽电缆04为硅胶电缆，硅胶电缆的直径可以为1.9mm，因此，本实用新型中的屏蔽电缆04实际为小型屏蔽电缆。硅胶线缆具有优良的耐高/低温性能、电绝缘性，化学稳定，耐老化，使用寿命长，柔软度性能好，防水，耐压等优点。本实用新型中的压力敏感元件采用的小型屏蔽线缆直径相较于以往压力敏感元件使用的线缆在尺寸上具有较大缩减(缩减约50％)，从而有效减少了在高离心加速度中对土工模型中复杂流场和其他传感器量测的干扰作用。并且，硅胶电缆柔软度高且易弯曲，因此可降低孔隙水压计的布设难度，使得适于孔压量测的压力敏感元件可以准确的量测固定点位孔隙流体压力的变化情况。

本实用新型还公开了一种孔隙水压计，该孔隙水压计包括上述实施例中的压力敏感元件。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种压力敏感元件，其特征在于，包括：敏感芯体、PCB转换电路板、敏感元件保护壳和屏蔽电缆，所述敏感元件保护壳上设置有注胶口、通气孔和电缆定位孔；

所述敏感芯体与所述PCB转换电路板的前端固定连接，所述屏蔽电缆穿过所述电缆定位孔与所述PCB转换电路板的后端固定连接，且所述屏蔽电缆与所述电缆定位孔之间密封固定，由所述敏感芯体、所述PCB转换电路板和所述屏蔽电缆构成的整体通过所述注胶口放置于所述敏感元件保护壳的内部，并通过无应力胶固定，所述敏感元件保护壳的所述通气孔与所述敏感芯体的通气孔连通。

2.根据权利要求1所述的压力敏感元件，其特征在于，所述固定连接包括：焊接。

3.根据权利要求1所述的压力敏感元件，其特征在于，所述敏感芯体上的金丝线与所述PCB转换电路板的正面焊点焊接连接。

4.根据权利要求1所述的压力敏感元件，其特征在于，所述无应力胶包括：硅橡胶弹性体。

5.根据权利要求1所述的压力敏感元件，其特征在于，所述敏感芯体包括：微机电系统MEMS压阻式压力敏感芯片。

6.根据权利要求1所述的压力敏感元件，其特征在于，所述屏蔽电缆为硅胶电缆。

7.一种孔隙水压计，其特征在于，所述孔隙水压计包括：权利要求1～6任意一项所述的压力敏感元件。

Images