随着传感器技术的发展，压力传感器被越来越多的应用于石油化工、发动机、火药爆破等压力测量领域，由于碱金属熔点高达500~600℃，此温度条件下进行液态金属压力测量十分困难，并且因为碱金属活动性较强，在高温状态下极易与金属外壳产生强烈的化学反应，常规的压力测试手段无法适应如此恶劣的环境。为此，本文设计了一种适合高温恶劣环境压力测量的差压传感器。

差压传感器是一种用来测量2个压力之间差值的传感器，通常将2个压力输入口接至感压膜片的两侧，利用膜片的形变带动后端检测单元实现位移量至电量的转换。检测单元采用差动变压器，特点是灵敏度高、分辨率大，能测出0.1 μm量级的位移变化。该差压传感器感压元件和检测单元均为性能稳定的金属材料，特别适合高温高压、环境恶劣或者无法确定被测介质的成分等未知条件下压力的测量^[1-2]。

1 传感器工作原理

该差压传感器的工作原理为：利用双波纹管复合弹簧组件感受两端压力差并带动中心连杆移动，安装在连杆上的铁芯随之产生轴向位移偏离差动变压器的中心，导致2个次级线圈之间的互感发生变化，感应电动势的差值不再为零，输出电压与压力差呈线性对应关系^[3]，传感器工作原理框图如图1所示。

为了测量常温固态的液态金属，差压传感器感压腔外部设有加热器及保温结构，感压腔配备温控单元实时测量感压腔的温度，并将温度信号传至采集模块供后期数据处理。在标定过程中，需要记录不同温度下的差压值与位移的对应关系^[4-5]，并将结果存储于单片机内，各处理单元计算时间≤100 ms。

2 设计方案 2.1 感压腔设计

差压传感器包含左右2个感压腔，每个感压腔内都含有一组波纹管复合弹簧机构，即每个感压腔形成一个弹簧并联机构，而两端感压腔形成另一个弹簧并联机构。为了简化设计，将两端波纹管和弹簧设计成同一规格，结构原理如图2所示。

根据弹簧并联机构公式可知：

$K = 2{K_o} = 2\left( {{K_p} + {K_s}} \right)$

式中：K为总体结构刚度值， $K_o$ 为单端感压腔总体刚度值， ${K_p}$ 为波纹管刚度值， ${K_s}$ 为弹簧刚度值。

基于测试安全性和传感器技术指标综合考虑，令弹簧作为传感器的敏感元件，波纹管安装在弹簧外侧负责隔离被测液体，波纹管材料选择耐腐蚀性较强的316 L，由于波纹管会消耗掉部分分辨率，因此波纹管不易设计太厚。根据相关文献可知，液态碱金属与316 L可发生氧化反应，产生的氧化物厚度约0.08 mm。综合考虑将波纹管壁厚设计为0.2 mm，单波轴向刚度32.53 N/mm，共20个波峰，有效面积为4.15 cm²。即单端波纹管的刚度值为^[6]

${K_p} = 32.53/20 = 1.627\;{\rm{N}}/{\rm{mm}}$

总体结构刚度为

$K = \frac{F}{x} = \frac{{250 \times {{10}^3} \times 4.15 \times {{10}^{ - 4}}}}{{2 \times {{10}^{ - 3}}}} = 51.9\;{\rm{N}}/{\rm{mm}}$

则弹簧刚度为

${K_s} = {K_o} - {K_P} = 24.31\;{\rm{N}}/{\rm{mm}}$

为了提高传感器的测量精度，将敏感元件设计成矩形截面螺旋弹簧结构，这种弹簧具有蓄存能量大、压并高度低、压缩量大等特点，由于其特性曲线更接近于直线，因此矩形截面弹簧更适合做高精度的弹性元件。设计时可利用ANSYS软件进行优化设计，感压腔结构示意如图3所示。

2.2 差动变压器设计

为了提高传感器的灵敏度，将差动变压器骨架设计成一段式，首先在线圈骨架上均匀密绕初级线圈，然后对称缠绕次级线圈形成阶梯型并且反向串接。骨架选用陶瓷材料以便适应高温环境，并在线圈外侧用坡莫合金作屏蔽层以防止干扰信号的影响^[7-8]。

在调试阶段，需要对差动变压器进行温度补偿和零点补偿。进行温度补偿时，可在初级回路中串联一个高阻值的降压电阻，此时激励回路中电阻值为

$R = \frac{{{R_T}{R_i}}}{{{R_T} + {R_i}}} = \frac{{{R_i}}}{{1 + {R_i}/{R_T}}}$

当 ${R_i}/{R_T} \ll 1$ 时，则有 $R≈R_i$ ，从而使回路电流保持不变，使温度误差得到补偿，如图4所示^[9]。

由于加工精度和绕线工艺的限制，无法保证次级线圈完全对称，致使零位电压 ${\dot U_0} \ne 0$ 。为了减小零位电压，结构上可采用调节端盖，来提高磁路的对称性（如图5所示），并在次级线圈两端并联调零电阻和电容（如图4所示）^[10]。

2.3 在线监测系统设计

系统机箱内主要由差压传感器及其加热装置、2路温度传感器、滤波器、电源模块、采集模块、控制模块组成，如图 6所示。监测系统由220 VAC供电，电源信号首先通过滤波器对干扰信号进行有效滤除，信号从滤波器出来分成两路，一路直接接入加热装置进行供电；另一路经过电源模块，输出+24 V电压，为主机内部及各传感器供电。采集模块将采集到的传感器数据通过RS485总线传输给控制模块。控制模块将所有传感器数据总体打包处理，通过LAN接口发送给控制室，在上位机程序中进行实时远程监控与优化处理。同时，各传感器数据可在前面板的液晶显示屏上进行现场显示^[11-12]。

3 测试结果与性能分析

根据设计方案研制生产了1只量程为0~250 kPa的差压传感器，并将加热装置安装在感压腔外侧，整体安装在系统机箱中，确保引压管密封良好后插入220 VAC电源，打开前面板的电源开关，缓慢注入钠钾合金。标定时需将两端引压管分别接入两台精度更高的FLUKE标准压力测控仪，目测液晶显示屏的压力值，记录电流输出值，并通过上位机软件监测传感器输出值，如表1所示。该传感器的分辨率达到0.1 kPa，测量精度达到0.5%，完全满足使用要求。

4 结论

1)液态金属感压元件采用波纹管复合弹簧机构，并利用弹簧并联机构实现差压测量，波纹管采用挤压成型金属波纹管，弹簧设计成矩形截面以增加刚度，提高传感器的线性度。

2)采用差动变压器作为检测元件，并对差动变压器进行温度补偿和零位补偿，在差动变压器外侧用坡莫合金作屏蔽层以防止干扰信号的影响。

3)为了配合现场测试和远传，将传感器和信号采集系统整体安装在机箱内，并在感压元件处设计了加热保温装置，以防止液态金属凝固。机箱面板安装液晶显示屏可进行现场显示，通过对多路传感器的信号采集和远传，操作者可以在控制室对被测系统进行实时在线的查看和监测，实现了对被测系统的智能化管理，大大提高了安全性和可操作性。该传感器可广泛应用于石油、化工及国防等各领域的压力测量和压力控制。