一種制氧機氧濃度檢測傳感器的製作方法

2023-09-16 23:36:50 2

本發明屬於醫用制氧機氧傳感器技術領域，具體涉及一種制氧機氧濃度檢測傳感器。

背景技術：

隨著科技的發展及人們生活水平的提高，制氧機被廣泛應用於醫療及保健行業。特別是可攜式家用制氧機越來越普遍。因此，對制氧機中氧氣濃度的監測精準度及可靠性、安全性要求越來越高。

目前檢測氧濃度的方法中，有很多的方法都可以檢測到氧氣濃度，如電化學、順磁氧、氧化鋯方法及超聲波流量濃度檢測法。但用於制氧機行業的主要有氧化鋯和超聲波法。

氧化鋯測氧法優點是不受檢測氣體溫度的影響，通過採用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運用在許多工業在線檢測上。其缺點是反應時間慢，結構複雜，容易影響檢測精度；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長。需要經常校準，鋯電池經常需要更換，對用戶和廠家來說都是個負擔，不能完全連續監測，通過旁路分流，脈衝式監測。

超聲波濃度原理：在充滿二元氣體的組分下的管道內，超聲脈衝經流體傳播，兩種組分的濃度比不同，超聲脈衝在氣體中的傳播速度也不同。通過測量聲學參數就可以就能檢測到氧氣的濃度。脈衝時差法是常用的用於檢測聲速的方法，但是測量精度不夠高，不能滿足檢測氣體微量濃度的要求。為了解決這個問題，一般廠家採用的方法是用兩對收發分體的超聲波探頭，一對放置在純淨的空氣中，傳感器的間距與另一對置於待測氣體中的收發傳感器間距一樣，當同一激勵信號作用於兩個發射探頭，兩個接受探頭接受信號間的相位差會有變化，經過電路的整合計算，得出氣體濃度。收發分體傳感器探頭成本高，後道電路結構複雜，不滿足現有低成本、低功耗環保、安全簡單的要求。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述缺陷，提供一種制氧機氧濃度檢測傳感器，結構簡單、安全性高、成本低、功耗低、效率高、檢測精準。

本發明解決其技術問題採用的技術方案如下：

一種制氧機氧濃度檢測傳感器，包括上部傳感器、下部傳感器、金屬環，上部傳感器、下部傳感器對稱設置在金屬環上下兩側，上部傳感器、下部傳感器、金屬環同軸心，且上部傳感器、下部傳感器與金屬環結合面平整光滑，上部傳感器、下部傳感器將金屬環處封閉成一圓柱型空腔，金屬環環體上設有使空腔內部與外部連通的進氣口、出氣口。

上部傳感器、下部傳感器一個為發射型，另一個為接收型，待測氣體由進氣口進入到空腔內，發射型傳感器發出超聲波穿過空腔內的氣體被接收型傳感器接收，由與傳感器連接的外部電路進行相位差的計算比對處理，得到檢測結果，將反射探頭與接收探頭通過結構整合連接為一體，減少了探頭的使用數目，節省了成本，同時，一體結構簡單，不需要將檢測傳感器置於待測氣體中，更為安全，進氣口、出氣口配合，可及時檢測，及時顯示檢測結果，檢測的效率高且檢測精準。

進一步的，所述的上部傳感器由縱截面為U型的上部殼體、上壓電陶瓷片構成，上部殼體的底端與金屬環頂端面通過膠水粘接，上壓電陶瓷片通過膠水粘接在上部殼體內部底端面，上壓電陶瓷片與上部殼體同軸心，上壓電陶瓷片兩極均設有向外延伸的上引線，上部殼體內部通過矽膠灌封，所述的下部傳感器由縱截面為倒U型的下部殼體、下壓電陶瓷片構成，下部殼體的頂端與金屬環底端面通過膠水粘接，下壓電陶瓷片通過膠水粘接在下部殼體內部頂端面，下壓電陶瓷片與下部殼體同軸心，下壓電陶瓷片兩極均設有向外延伸的下引線，下部殼體內部通過矽膠灌封，上部殼體、下部殼體的結構、尺寸相同，上壓電陶瓷片、下壓電陶瓷片的規格參數一致。

進一步的，所述的上部殼體、下部殼體的材質均為鋁或不鏽鋼，上部殼體、下部殼體的的外徑為12-25mm，側壁厚為3-6mm，上部殼體底厚為0.4-1.2mm，下部殼體頂厚為0.4-1.2mm。

進一步的，所述的金屬環外徑與上部傳感器外徑一致，金屬環內徑比外徑小3-5mm，金屬環高度為3-6mm。

進一步的，根據權利要求4所述的一種制氧機氧濃度檢測傳感器，其特徵在於：所述的金屬環的材質為不鏽鋼或鋁。

進一步的，所述的上壓電陶瓷片的瓷片外徑/上部外殼內徑為0.3-0.5，上壓電陶瓷片的瓷片厚度/上部外殼殼底厚度為0.5-1。

進一步的，所述的上部傳感器、下部傳感器的工作頻率為20-40KHz。

進一步的，所述的上部傳感器為接收型傳感器，下部傳感器為發射型傳感器

本發明的有益效果是：採用上述方案，採用壓電式收發一體的結構，將反射探頭與接收探頭通過結構整合連接為一體，結構簡單、安全性高、成本低、功耗低、效率高、檢測精準。

附圖說明

通過下面結合附圖的詳細描述，本發明前述的和其他的目的、特徵和優點將變得顯而易見。

圖1為本發明截面示意圖。

圖2是本發明的測試諧振曲線和相位圖。

其中：1為金屬環，1.1為進氣口，1.2為出氣口，2為上部殼體，3為上壓電陶瓷片，4為上引線，5為空腔，6為矽膠，7為下部殼體，8為下壓電陶瓷片，9為下引線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明。

實施例1：參照圖、圖2所示，一種制氧機氧濃度檢測傳感器，包括上部傳感器、下部傳感器、金屬環1，上部傳感器、下部傳感器對稱設置在金屬環1的上下兩側，且上部傳感器、下部傳感器、金屬環1同軸心，上部傳感器由縱截面為U型的鋁質上部殼體2、上壓電陶瓷片3構成，上部殼體2的底端與金屬環1頂端面通過膠水粘接，上壓電陶瓷片3通過膠水粘接在上部殼體1的內部底端面，上壓電陶瓷片3與上部殼體1同軸心，上壓電陶瓷片3的兩極均設有向外延伸的上引線4，上部殼體2的內部通過矽膠6進行灌封，膠水粘接便於裝配，能夠促使提高裝配的精度，另外，膠水粘接能夠將對檢測結果的影響降低至最低，促使提高檢測精度，鋁殼內灌封矽膠6能夠保護上壓電陶瓷片3的銀層不被環境氧化，延長使用壽命，並且，能夠提高上引線4與上壓電陶瓷片3的連接強度，提高引線焊點的拉拔力，上部傳感器為接收型傳感器。

下部傳感器由縱截面為倒U型的下部殼體7、下壓電陶瓷片8構成，下部殼體7的頂端與金屬環1的底端面通過膠水粘接，下壓電陶瓷片8通過膠水粘接在下部殼體7的內部頂端面，下壓電陶瓷片8與下部殼體7同軸心，下壓電陶瓷片8的兩極均設有向外延伸的下引線9，下部殼體7內部同樣通過矽膠6灌封，上部殼體2底端面、下部殼體7的頂端面以及與金屬環1的上下兩端面均為光潔平整面，即上部殼體2、下部殼體7與金屬環1的結合面光潔平整，膠合面處無膠水殘留，便於裝配，還能消除檢測誤差，能夠促使提高檢測精準度，下部殼體7的材質同為鋁殼，鋁殼內灌滿矽膠6，能夠保護下壓電陶瓷片8的銀層不被環境破壞和氧化，另外，還能夠加固下引線9，提高引線焊點的拉拔力，進而提高產品的可靠性。

上部殼體2、下部殼體7的結構、尺寸相同，外殼的尺寸對傳感器的探測輻射角度及頻率有著重要影響，本實施例中上部殼體2、下部殼體7的外徑均為12mm，上部殼體2、下部殼體7的測壁厚均為3mm，上部殼體2底端厚度與下部殼體7頂端厚度一致均為0.4mm，控制傳感器的探測角度為0-10°，探測角度接近探測方向，促使提高檢測精度，上壓電陶瓷片3、下壓電陶瓷片8的規格參數一致，上壓電陶瓷片3、下壓電陶瓷片8的外徑為3mm，壓電陶瓷片的厚度為0.4mm，上部殼體2的底厚適宜，使與空腔共振的頻率為超聲範圍，使本檢測的工作頻率為25KHz，金屬環1的外徑與上部殼體2外徑一致，金屬環1的內徑比外徑小3mm，金屬環1的高度為3mm，上部殼體2、下部殼體7將金屬環1處封閉成一圓柱型的空腔5，金屬環1環體上設有使空腔5內部與外部連通的進氣口1.1、出氣口1.2，金屬環1採用鋁材質，耐腐蝕具有較長的使用壽命，與上部殼體2、下部殼體7的材質相同，避免材質上帶來的誤差，提高檢測結果，空腔5為共振腔體，在檢測中，其共振頻率會對檢測的超神波信號產生幹涉，因此，要消除該幹涉，由於，共振腔體的頻率隨著中部金屬環的內徑增大而減小，上部傳感器或下部傳感器的自身頻率隨著壓電陶瓷的厚度及上下金屬殼體的底厚增加而增加，隨壓電陶瓷的直徑、上下金屬殼體的外徑的增加而減小，因此通過對金屬環尺寸結構、上部傳感器、下部傳感器各部件尺寸結構的優化限定，能夠起到消除幹涉的作用，本實施例中金屬環1的尺寸結構設置合理，這樣的尺寸結構能夠使共振腔體的頻率與上部傳感器或下部傳感器本身的頻率相隔較遠，這樣可以避免產生信號幹擾，提高了檢測的精度，待測氣體由進氣口1.1進入空腔5內，上引線4、下引線9接入外部電路，外部電路包括處理器、發射電路、開關轉換電路、信號放大電路、信號調製電路和顯示電路等，下引線9連接發射電路，處理器控制發射電路發射脈衝，脈衝通過開關轉換電路使上部傳感器發出超聲波，超聲波穿過空腔由上部傳感器接收，經信號放大電路作用後由信號調製電路調製後由處理器進行比對處理，處理器再將處理後的數據經顯示電路顯示。

本檢測傳感器的結構非常簡單，無需浸潤在檢測氣體環境中，只需將檢測氣體通過金屬環1的進氣口1.1導入、出氣口1.2導出，可實現不間斷的測量，能顯示及時的空氣品質，適用於醫用制氧機中氧氣濃度檢測，檢測濃度範圍為70-97％，也可用於其他二元氣體濃度檢測領域，檢測效率高，測量精確。傳感器尺寸按上述要求，得到本制氧機氧濃度檢測傳感器共振頻率點處的靈敏度大於>0.01(靈敏度＝上部傳感器的輸出電壓/下部傳感器的輸入電壓)，說明，本制氧機氧濃度檢測傳感器的檢測結果精準可靠。而且相比現有的檢測方法，傳感器的結構進行了整合，減少了傳感器的使用數量，降低了功耗，並且一體式結構更加的安全，節省了成本。

實施例2：參照圖、圖2所示，一種制氧機氧濃度檢測傳感器，包括上部傳感器、下部傳感器、金屬環1，上部傳感器、下部傳感器對稱設置在金屬環1的上下兩側，且上部傳感器、下部傳感器、金屬環1同軸心，上部傳感器由縱截面為U型的不鏽鋼材質的上部殼體2、上壓電陶瓷片3構成，上部殼體2的底端與金屬環1頂端面通過膠水粘接，上壓電陶瓷片3通過膠水粘接在上部殼體1的內部底端面，上壓電陶瓷片3與上部殼體1同軸心，上壓電陶瓷片3的兩極均設有向外延伸的上引線4，上部殼體2的內部通過矽膠6進行灌封，膠水粘接便於裝配，能夠促使提高裝配的精度，另外，膠水粘接能夠將對檢測結果的影響降低至最低，促使提高檢測精度，鋁殼內灌封矽膠6能夠保護上壓電陶瓷片3的銀層不被環境氧化，延長使用壽命，並且，能夠提高上引線4與上壓電陶瓷片3的連接強度，提高引線焊點的拉拔力，上部傳感器為接收型傳感器。

下部傳感器由縱截面為倒U型的不鏽鋼材質的下部殼體7、下壓電陶瓷片8構成，下部殼體7的頂端與金屬環1的底端面通過膠水粘接，下壓電陶瓷片8通過膠水粘接在下部殼體7的內部頂端面，下壓電陶瓷片8與下部殼體7同軸心，下壓電陶瓷片8的兩極均設有向外延伸的下引線9，下部殼體7內部同樣通過矽膠6灌封，上部殼體2底端面、下部殼體7的頂端面以及與金屬環1的上下兩端面均為光潔平整面，即上部殼體2、下部殼體7與金屬環1的結合面光潔平整，膠合面處無膠水殘留，便於裝配，還能消除檢測誤差，能夠促使提高檢測精準度，下部殼體7的材質同為鋁殼，鋁殼內灌滿矽膠6，能夠保護下壓電陶瓷片8的銀層不被環境破壞和氧化，另外，還能夠加固下引線9，提高引線焊點的拉拔力，進而提高產品的可靠性。

上部殼體2、下部殼體7的結構、尺寸相同，外殼的尺寸對傳感器的探測輻射角度及頻率有著重要影響，本實施例中上部殼體2、下部殼體7的外徑均為25mm，上部殼體2、下部殼體7的測壁厚均為6mm，上部殼體2底端厚度與下部殼體7頂端厚度一致均為1.2mm，控制傳感器的探測角度為0-10°，探測角度接近探測方向，促使提高檢測精度，上壓電陶瓷片3、下壓電陶瓷片8的規格參數一致，上壓電陶瓷片3、下壓電陶瓷片8的外徑為3.9mm，壓電陶瓷片的厚度為0.6mm，上部殼體2的底厚適宜，使與空腔共振的頻率為可接受值，使本檢測的工作頻率為30KHz，金屬環1的外徑與上部殼體2外徑一致，金屬環1的內徑比外徑小5mm，金屬環1的高度為6mm，上部殼體2、下部殼體7將金屬環1處封閉成一圓柱型的空腔5，金屬環1環體上設有使空腔5內部與外部連通的進氣口1.1、出氣口1.2，金屬環1材質為不鏽鋼材質，與上下殼體材質一致，促使消除誤差，促使檢測更為精確，空腔5為共振腔體，在檢測中，其共振頻率會對檢測的超神波信號產生幹涉，因此，要消除該幹涉，由於，共振腔體的頻率隨著中部金屬環的內徑增大而減小，上部傳感器或下部傳感器的自身頻率隨著壓電陶瓷的厚度及上下金屬殼體的底厚增加而增加，隨壓電陶瓷的直徑、上下金屬殼體的外徑的增加而減小，因此通過對金屬環尺寸結構、上部傳感器、下部傳感器各部件尺寸結構的優化限定，能夠起到消除幹涉的作用，本實施例中金屬環1的尺寸結構設置合理，這樣的尺寸結構能夠使共振腔體的頻率與上部傳感器或下部傳感器本身的頻率相隔較遠，這樣可以避免產生信號幹擾，提高了檢測的精度，待測氣體由進氣口1.1進入空腔5內，上引線4、下引線9接入外部電路，外部電路包括處理器、發射電路、開關轉換電路、信號放大電路、信號調製電路和顯示電路等，下引線9連接發射電路，處理器控制發射電路發射脈衝，脈衝通過開關轉換電路使上部傳感器發出超聲波，超聲波穿過空腔由上部傳感器接收，經信號放大電路作用後由信號調製電路調製後由處理器進行比對處理，處理器再將處理後的數據經顯示電路顯示。

本檢測傳感器的結構非常簡單，無需浸潤在檢測氣體環境中，只需將檢測氣體通過金屬環1的進氣口1.1導入、出氣口1.2導出，可實現不間斷的測量，能顯示及時的空氣品質，適用於醫用制氧機中氧氣濃度檢測，檢測濃度範圍為70-97％，也可用於其他二元氣體濃度檢測領域，檢測效率高，測量精確。而且相比現有的檢測方法，傳感器的結構進行了整合，減少了傳感器的使用數量，降低了功耗，並且一體式結構更加的安全，節省了成本。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質上對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護範圍之內。