基于石墨烯的充油高压压力传感器仿真设计

摘要

压力传感器在较大压力范围内的输出结果难以稳定，传统压力传感器采用膜结构，在大压力作用下会产生强非线性，需要进行复杂的转化才能将测量数据转化为线性结果。本文基于石墨烯的压阻效应，通过圆筒状敏感结构，设计了一种高压压力传感器，能够在400 MPa范围内实现压力值的线性输出。该传感器结构主要由弹性金属膜片、可压缩硅油、圆筒结构以及石墨烯敏感膜组成。采用理论与仿真分析对传感器结构进行了优化设计，通过分析膜片厚度设计了在400 MPa压力范围内只产生弹性应变的金属膜片尺寸结构；运用流固耦合方法对传感器整体结构进行了仿真分析，明确了圆筒结构尺寸与外壁面应变大小的关系以及与整体结构固有频率的关系，通过寻找最大应变部位得出石墨烯敏感膜安装的合理位置；最后探究了圆筒结构外壁面的应变与传感器测量压力的线性关系。结果表明，设计的传感器结构可在400 MPa压力内工作，传感器圆筒结构的合适尺寸为长1.2 mm，厚度0.08 mm。在此尺寸下传感器的固有频率为127 kHz，圆筒结构外壁面应变最高可以达到2 082με，在应变最高处安装石墨烯敏感膜，传感器结构的灵敏度可以达到5.205με/MPa；在0～400 MPa范围内传感器线性度结构线性度良好，结构线性相对误差仅有0.37%。

关键词

高压传感器 / 弹性元件 / 结构强度 / 流固耦合 / 固有频率