传感器封装工艺及预紧力确定方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，特别涉及传感器封装工艺及预紧力确定方法。


背景技术：

2.传感器的结构基本确定后，在封装工艺满足要求的情况下，传感器的性能参数不会发生太大变化，为了保证传感器在工作的过程中有比较好的线性响应，在装配过程中需要对压电元件施加一定的预紧力。
3.研究表明，预紧力并非越大越好，随着预紧力增加，传感器的线性度和重复度将变好，但是灵敏度将会降低，测量范围降低，且压电元件在动态下更容易断裂；因此选择预紧力时需要综合各种需求进行考虑。
4.为此，本发明提出一种传感器封装工艺及预紧力确定方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供传感器封装工艺及预紧力确定方法，主要解决了现有技术中所提到的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.传感器封装工艺，包括以下步骤：
8.s1、将垫块安装在基座上，并对所述垫块与所述基座的连接处进行圆周激光焊接，且焊接融深大于1mm；
9.s2、将所述垫块和所述基座一起安装到壳体的底部，并对所述基座与所述壳体的连接处进行圆周激光焊接，且焊接融深大于1mm；
10.s3、将高温插座安装到所述壳体上，并对所述高温插座与所述壳体的连接处进行圆周激光焊接；
11.s4、将传感器内部元件安装到焊接有高温插座的所述壳体内，并将所述传感器连接器内部的镍丝与插针从所述高温插座的插针孔内穿出，然后对所述镍丝与所述插针进行激光焊接，并通过力矩扳手对所述传感器内部的压电元件施加预紧力；
12.s5、将顶盖安装到所述壳体的顶部对所述传感器内部元件进行封装，并对所述顶盖和所述壳体的连接处进行圆周激光焊接，完成所述传感器的整体装配；
13.s6、将所述传感器整体装配完成后,放入高温箱内进行退火处理，再对所述顶盖的中心小孔进行激光焊接密封。
14.优选的，所述s1中，所述垫块与所述基座装配前，将黄铜芯套工装安装在所述基座上，对所述垫块进行辅助安装，用于保证同心度。
15.优选的，所述s4中，所述镍丝与所述插针的焊接方式采用点焊，用于保证焊接面圆滑。
16.优选的，所述s6中，所述高温箱的退火处理温度设置为350℃-450℃。
17.优选的，所述s6中，所述高温箱的退火处理时间设置为20-26小时。
18.传感器预紧力确定方法，应用到上述所述的传感器封装工艺，具体包括：
19.当所述传感器没有施加预紧力，且所述传感器的加速度方向为正时，所述传感器内部的质量块受到向下的惯性力，所述传感器内部的压电元件受到所述质量块的压缩力为f
合
；
20.f
合
＝ma
max
sin(ωt+φ)
21.式中，m为质量块重量，a
max
为最大加速度，sin(ωt+φ)为正弦函数，ω为角速度，t为自变量，φ为该正弦函数的初相；
22.当所述传感器没有施加预紧力，且所述传感器的加速度方向为负时，f
合
＝0，所述压电元件上的压缩力和拉伸力不存在，则没有电荷输出；
23.所述传感器预紧力的下限应保证压电元件在动态过程中始终处于压力作用状态，且施加在所述传感器上的预紧力下限应保证所述传感器的正常工作状态，需满足以下条件：
24.f
合
＝f－ma
max
》0
25.f》ma
max
26.式中，f为预紧力，m为质量块重量，a
max
为最大加速度；
27.根据所述传感器的预紧力下限设定力矩扳手的拧紧力矩，并通过所述力矩扳手将预紧力施加给所述传感器，所述拧紧力矩为：
28.t＝kdfd
29.式中，t为拧紧力矩，kd为无量钢拧紧力矩系数，f为预紧力，d为螺纹公称直径；
30.所述预紧力的上限取决于压电元件、绝缘垫片和预紧螺纹的强度。
31.优选的，确定所述预紧力的上限需要同时满足以下条件，具体包括：
32.(1)保证所述传感器在工作过程中，所述压电元件和所述绝缘垫片在承受最大压力时不会被破坏；
33.(2)保证所述预紧螺栓有足够的抗拉强度，在最大拉力的作用下不会被破坏；
34.(3)保证所述预紧螺纹副的抗挤压能力，在最大挤压力作用下不会被破坏。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
36.本发明中，该封装工艺对传感器的内部元件装配完成后，通过对传感器的压电元件施加不同的预紧力，来测试传感器的各项性能指标，然后通过多次测试结果，确定出该传感器的预紧力阈值，然后根据传感器的预紧力阈值设定力矩扳手的拧紧力矩，并通过力矩扳手将预紧力施加给传感器，能够提高传感器的灵敏度和测量范围，同时延长压电元件在动态下的使用寿命；并且，通过力矩扳手能够保证传感器预紧力的一致性，便于批量生产。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本发明的传感器封装工艺流程图；
39.图2为本发明的传感器整体装配后的结构示意图；
40.图3为本发明的传感器没有施加预紧力且加速度方向为正的受力示意图；
41.图中：基座1、垫块2、壳体3、高温插座4、镍丝5、插针6、插针孔7、顶盖8、中心小孔9、压电元件10、绝缘垫片11、质量块12、预紧元件13、a处为垫块与基座的焊接位、b处为基座与壳体的焊接位、c处为壳体与高温插座的焊接位、d处为镍丝与插针的焊接位、e处为壳体与顶盖的焊接位、f处为顶盖的中心小孔密封焊接位。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
43.如图1-图2所示，本发明提供传感器封装工艺，包括以下步骤：
44.步骤一、将垫块2安装在基座1上，并对所述垫块2与所述基座1的连接处进行圆周激光焊接，且焊接融深大于mm；
45.步骤二、将垫块2和基座1一起安装到壳体3的底部，并对基座1与壳体3的连接处进行圆周激光焊接，且焊接融深大于mm；
46.步骤三、将高温插座4安装到壳体3上，并对高温插座4与壳体3的连接处进行圆周激光焊接；
47.步骤四、将传感器内部元件安装到焊接有高温插座4的壳体3内，并将传感器连接器内部的镍丝5与插针6从高温插座4的插针孔7内穿出，然后对镍丝5与插针6进行激光焊接，并对所述传感器内部的压电元件10施加预紧力；
48.步骤五、将顶盖8安装到壳体3的顶部对传感器内部元件进行封装，并对顶盖8和壳体3的连接处进行圆周激光焊接，完成传感器的整体装配；
49.步骤六、将传感器整体装配完成后,放入高温箱内进行退火处理，再对顶盖8的中心小孔9进行激光焊接密封。
50.作为本发明的一种实施方式，首先将黄铜芯套工装固定安装在基座1上对垫块2进行辅助安装，用于保证同心度，等垫块2与基座1装配到位后，对垫块2与基座1的连接处进行圆周激光焊接，其焊接融深大于mm；然后将垫块2和基座1一起安装到壳体3的底部，并对基座1与壳体3的连接处进行圆周激光焊接，其焊接融深大于mm；接着将高温插座4安装到壳体3上，并对高温插座4与壳体3的连接处进行圆周激光焊接；再将传感器内部元件安装到焊接有高温插座4的壳体3内，并将传感器连接器内部的镍丝5与插针6从高温插座4的插针孔7内穿出，然后对镍丝5与插针6进行激光点焊，用于保证焊接圆滑；等传感器内部元件装配完成后，对压电元件10施加一定的预紧力，且施加的预紧力设定在预紧力的阈值范围内；等预紧力施加完成后，再将顶盖8安装到壳体3的顶部对传感器内部元件进行封装，并对顶盖8和壳体3的连接处进行圆周激光焊接，完成传感器的整体装配；然后将传感器整体放入高温箱内进行退火处理，其中，高温箱的退火处理温度为350℃-450℃，高温箱的退火处理时间为20-26小时，等传感器退火处理完成后，再对顶盖8的中心小孔9进行激光焊接密封。
51.本实施例中，该压电加速度传感器包括壳体3、基座1、垫块2、高温插座4、内部元件(包含压电元件10、绝缘垫片11、质量块12和预紧元件13)、引线(包括镍丝5和插针6)和顶盖
8，在装配过程中，首先将垫块2装配到基座1上，再将垫块2与基座1整体装配到壳体3的底部，并使得基座1上的连接部位于壳体3的内部，然后将高温插座4装配到壳体3外表面的外接线缆焊接位上，再将绝缘垫片11、压电元件10和质量块12通过连接部定位安装到壳体3内，并将引线从高温插座4的插针孔7穿出，然后将预紧元件13安装到基座1的连接部上，并通过力矩扳手拧紧预紧元件13对压电元件10施加一定的预紧力，将绝缘垫片11、压电元件10和质量块12压紧在垫块2上，最后将顶盖8装配到壳体3的顶端进行最终封装。
52.其中，传感器预紧力确定方法具体包括：
53.参考图3所示，当没有对传感器施加预紧力，且传感器的加速度方向为正时，传感器内部的质量块12受到向下的惯性力，传感器内部的压电元件10受到质量块12的压缩力为f
合
；
54.f
合
＝ma
max
sin(ωt+φ)
55.式中，m为质量块12重量，a
max
为最大加速度，sin(ωt+φ)为正弦函数，ω为角速度，t为自变量，φ为该正弦函数的初相；
56.当没有对传感器施加预紧力，且传感器的加速度方向为负时，f
合
＝，压电元件10上的压缩力和拉伸力不存在，则没有电荷输出；
57.传感器预紧力的下限应保证压电元件10在动态过程中始终处于压力作用状态，且施加在传感器上的预紧力下限应保证传感器的正常工作状态，需满足以下条件：
58.f
合
＝f－ma
max
》
59.f》ma
max
60.式中，f为预紧力，m为质量块12重量，a
max
为最大加速度；
61.预紧力的上限取决于压电元件10、绝缘垫片11和预紧螺纹的强度；
62.根据传感器的预紧力阈值设定力矩扳手的拧紧力矩，并通过力矩扳手将预紧力施加给传感器，拧紧力矩为：
63.t＝kdfd
64.式中，t为拧紧力矩，kd为无量钢拧紧力矩系数，f为预紧力，d为螺纹公称直径。
65.需要说明的是：本实施例中，拧紧力矩的计算公式中f的取值范围设置在传感器的预紧力阈值范围内。
66.具体的，确定预紧力的上限需要同时满足以下条件，具体包括：
67.(1)保证传感器在工作过程中，压电元件10和绝缘垫片11在承受最大压力时不会被破坏；
68.(2)保证预紧螺栓有足够的抗拉强度，在最大拉力的作用下不会被破坏；
69.(3)保证预紧螺纹副的抗挤压能力，在最大挤压力作用下不会被破坏。
70.本实施例中，该封装工艺对传感器的内部元件装配完成后，通过对传感器的压电元件10施加不同的预紧力，来测试传感器的各项性能指标，然后通过多次测试结果，确定出该传感器的预紧力阈值，然后根据传感器的预紧力阈值设定力矩扳手的拧紧力矩，并通过力矩扳手将预紧力施加给传感器，能够提高传感器的灵敏度和测量范围，同时延长压电元件10在动态下的使用寿命；并且，通过力矩扳手能够保证传感器预紧力的一致性，便于批量生产。
71.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.传感器封装工艺，其特征在于，包括以下步骤：s1、将垫块安装在基座上，并对所述垫块与所述基座的连接处进行圆周激光焊接，且焊接融深大于1mm；s2、将所述垫块和所述基座一起安装到壳体的底部，并对所述基座与所述壳体的连接处进行圆周激光焊接，且焊接融深大于1mm；s3、将高温插座安装到所述壳体上，并对所述高温插座与所述壳体的连接处进行圆周激光焊接；s4、将传感器内部元件安装到焊接有高温插座的所述壳体内，并将所述传感器连接器内部的镍丝与插针从所述高温插座的插针孔内穿出，然后对所述镍丝与所述插针进行激光焊接，焊接后通过力矩扳手对所述传感器内部的压电元件施加预紧力；s5、将顶盖安装到所述壳体的顶部对所述传感器内部元件进行封装，并对所述顶盖和所述壳体的连接处进行圆周激光焊接，完成所述传感器的整体装配；s6、将所述传感器整体装配完成后,放入高温箱内进行退火处理，再对所述顶盖的中心小孔进行激光焊接密封。2.根据权利要求1所述的传感器封装工艺，其特征在于：所述s1中，所述垫块与所述基座装配前，将黄铜芯套工装安装在所述基座上，对所述垫块进行辅助安装，用于保证同心度。3.根据权利要求1所述的传感器封装工艺，其特征在于：所述s4中，所述镍丝与所述插针的焊接方式采用点焊，用于保证焊接面圆滑。4.根据权利要求1所述的传感器封装工艺，其特征在于：所述s6中，所述高温箱的退火处理温度设置为350℃-450℃。5.根据权利要求4所述的传感器封装工艺，其特征在于：所述s6中，所述高温箱的退火处理时间设置为20-26小时。6.传感器预紧力确定方法，应用到权利要求1-5任一项所述的传感器封装工艺，其特征在于，具体包括：当没有对所述传感器施加预紧力，且所述传感器的加速度方向为正时，所述传感器内部的质量块受到向下的惯性力，所述传感器内部的压电元件受到所述质量块的压缩力为f
合
；f
合
＝ma
max
sin(ωt+φ)式中，m为质量块重量，a
max
为最大加速度，sin(ωt+φ)为正弦函数，ω为角速度，t为自变量，φ为该正弦函数的初相；当没有对所述传感器施加预紧力，且所述传感器的加速度方向为负时，f
合
＝0，所述压电元件上的压缩力和拉伸力不存在，则没有电荷输出；所述传感器预紧力的下限应保证压电元件在动态过程中始终处于压力作用状态，且施加在所述传感器上的预紧力下限应保证所述传感器的正常工作状态，需满足以下条件：f
合
＝f－ma
max
>0f>ma
max
式中，f为预紧力，m为质量块重量，a
max
为最大加速度；所述预紧力的上限取决于压电元件、绝缘垫片和预紧螺纹的强度；
根据所述传感器的预紧力阈值设定力矩扳手的拧紧力矩，并通过所述力矩扳手将预紧力施加给所述传感器，所述拧紧力矩为：t＝k
d
fd式中，t为拧紧力矩，k
d
为无量钢拧紧力矩系数，f为预紧力，d为螺纹公称直径。7.根据权利要求6所述的传感器预紧力确定方法，其特征在于：确定所述预紧力的上限需要同时满足以下条件，具体包括：(1)保证所述传感器在工作过程中，所述压电元件和所述绝缘垫片在承受最大压力时不会被破坏；(2)保证所述预紧螺栓有足够的抗拉强度，在最大拉力的作用下不会被破坏；(3)保证所述预紧螺纹副的抗挤压能力，在最大挤压力作用下不会被破坏。

技术总结
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及传感器封装工艺及预紧力确定方法；该传感器封装工艺包括以下步骤：S1、将垫块安装在基座上，并对垫块与基座的连接处进行圆周激光焊接，且焊接融深大于1mm；S2、将垫块和基座一起安装到壳体的底部，并对基座与壳体的连接处进行圆周激光焊接，且焊接融深大于1mm；本发明中，该封装工艺对传感器内部元件装配后，通过对传感器的压电元件施加不同的预紧力，来测试传感器的各项性能指标，然后通过多次测试结果，确定出该传感器的预紧力阈值，然后根据传感器的预紧力阈值设定力矩扳手的拧紧力矩，并通过力矩扳手将预紧力施加给传感器，能够提高传感器的灵敏度和测量范围，同时延长压电元件在动态下的使用寿命。寿命。寿命。


技术研发人员：邸甲峻 徐北 王明明 罗少杰 王颖 吴鹏
受保护的技术使用者：陕西卫峰核电子有限公司
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/26