CN101071082A - 具有构成传感器的导电材料层的物体 - Google Patents

Abstract

一种物体包括具有电绝缘外表面部分的主体部分，以及设置在外表面部分上的第一层。该第一层由一种或多种的导电材料形成并且在外表面部分的第一区域和外表面部分的第二区域之间限定出一条或多条的导电通路。从而可以在第一和第二区域部分之间传递电信号。该层还限定了嵌入该物体中的传感器。该物体设置有限定外螺纹的螺纹部分。从而可以容易地将该物体安装到具有匹配的内螺纹的开口中。该物体可以是其中具有嵌入表面部分的传感器的普通螺栓的形式。

Description

具有构成传感器的导电材料层的物体

技术领域

本发明涉及一种具有形成在电绝缘表面部分的导电材料层的物体，该导电层形成了传感器。从而该传感器嵌入物体中。该物体设置有限定外螺纹的螺纹部分，并且从而适合连接到设置了匹配的内螺纹的另一物体。

背景技术

经常期望在不容易到达的场所进行各种测量，如温度测量、压力测量、应变测量、湿度测量等等。例如，这样的场所可以是电动机或者封闭的容器或器皿例如包含液压液体如油的容器/器皿的内部，或者包括压缩机内部的冷却系统中，或者HVAC系统中，或者反渗透系统中，或者熔炉中例如燃烧器部件或锅炉中。因此希望具有在这些场所供相关传感器定位用的共用技术，并且为了取回测量结果而能够与传感器通信。其结果是比较困难，部分是由于在一些情况下传感器必须克服温度、压力、腐蚀促进物质等方面的相对不利环境，部分是由于用于传递信号到传感器/从传感器传递信号的导线等必须通过包围相关传感器的场所的外壁，这很难以成本有效且充分密封的方式做到。

US4,419,652公开了一种具有形成了电阻温度传感元件、热电偶或电阻温度器件的厚或薄膜的温度传感器，电阻温度传感元件、热电偶或电阻温度器件应用在电介质的圆柱形支柱一端的外表面，电介质的圆柱形支柱具有其中可以通过金属紧固壳接合的围绕其中间部分的连续圆周突起。该温度传感器与在其上形成了温度传感器的基底的长度上延伸的一对导电的导线结合。

由于需要圆周突起与金属紧固壳之间的接合以定位温度传感器，所以US4,419,652的温度传感器不能容易地以充分密封的方式在期望的场所定位。

US5,573,335公开了用于测量切削工具如钻床的工作温度的薄膜温度传感器。直接温度传感工具直接地传感并提供其切削环境的温度的反馈。该工具包括限定了工具的至少一个切削边缘的基体。保护性涂层包围基体和切削边缘，该保护性涂层为工具提供了摩擦减小的表面。薄膜温度传感器，例如热电偶，与切削边缘隔一段距离设置在基体上。温度传感器封装在保护性涂层内。电接线限定经过保护性涂层与温度传感器电通信。因此可以将信号提供给温度传感器/由温度传感器提供信号。

明显地，US5,573,335不能容易地以充分密封的方式在期望的位置定位。

发明内容

因此，本发明的目的是提供可以容易地在不容易到达的场所定位的传感器。

另一目的是提供可以形成标准元件的一体部分的传感器。

本发明的更进一步的目的是提供其中具有嵌入的传感器的物体。

本发明的更进一步的目的是提供在后期可以容易地改进或适合现存单元的传感单元。

根据本发明，通过提供物体实现以上和其它目的，该物体包括：

-具有电绝缘的外表面部分的主体部分，

-设置在外表面部分的第一层，所述第一层由一种或多种的导电材料形成，并且在外表面部分的第一区域和外表面部分的第二区域之间限定了一条或多条的导电通路，该层还限定了传感器，

其中该物体提供了限定外螺纹的螺纹部分，从而该物体适合安装到提供了相应的内螺纹的开口中。

第一层在外表面部分的第一区域和外表面部分的第二区域之间限定了一条或多条的导电通路。从而可以在第一部分和第二部分之间经导电通路传递信号。优选地，在第一(第二)部分或其附近限定传感器，而且第二(第一)部分位于其中定位了传感器的基本封闭的容积的外侧。从而可能在这种基本封闭的容积内部定位的传感器和在这种容积外部定位的装置例如处理装置或数据采集装置之间传递信号。

优点是该层限定了传感器。从而该传感器嵌在物体的表面中，即，它形成了物体的一体部分。因为避免了通过密封材料覆盖传感器的需要，所以这是有利的，而且从而提供了抗磨损的传感器而没有涉及密封材料的已知缺点。

该物体提供了限定外螺纹的螺纹部分。使用该螺纹，可以将物体旋进提供了相应内螺纹的另一物体中。从而很容易地将具有传感器的物体安装到合适的开口中。而且，给该物体提供了密封方式，例如普通的O环、铜垫片等，使得至少基本密封地将物体安装到开口中而没有损害经导电通路与传感器通信的可能性是可能的。最后，该物体可以是标准尺寸的普通螺栓的形式，但是具有导电通路和应用其中的传感器，例如依靠各种涂覆技术。因此，该物体可以完全替换目前已经用于紧固目的的普通螺栓。从而传感器不占有额外的空间。因此，给该物体提供螺纹部分是非常有利的。使用普通螺栓的另外的优点是在应用传感器时与初始的螺栓相比该物体不会变弱。因此，该物体拥有初始螺栓的强度，而且进一步地，像上面描述的没有额外的密封手段而将物体密封地安装到开口中甚至是可能的。

可以将螺纹部分设置在第一区域部分和第二区域部分之间。在这种情况下，将导电通路设置为跨过定位螺纹部分的物体部分。因此，可以将导电通路设置为跨过外螺纹。

可替换地，定位螺纹部分的物体部分可以包括中断螺纹的一个或更多的子部分，所述子部分在至少基本与螺纹的旋转轴平行的方向延伸。子部分限定了跨越螺纹区域的“移除”了螺纹的一个或更多的区域，即，一个或更多的基本光滑的部分。子部分应该足够大以提供有用的“光滑”表面，从而提供至少基本平坦的布线部分。另一方面，子部分应该足够小以保证螺纹部分仍然可以作为螺纹起作用，即，将物体旋进具有匹配的内螺纹的开口中仍然应该是可能的。例如，子部分可以通过移除如通过打磨先前形成了螺纹部分的基本呈圆柱形的螺纹部的部分来形成。可替换地，子部分可以通过将螺纹应用到有棱的物体如具有多边形截面的细长物体来形成。从而只将螺纹应用在物体的边缘和其附近，从而笔直的部分形成子部分。例如，多边形截面可以是正方形、矩形、六边形、八角形等。

在优选的实施例中，第一层的通路可以设置在一个或更多的子部分中。因为螺纹限定了表面的“丘陵”和“山谷”，将涂层设置在相对光滑的表面比设置在螺纹表面容易得多，所以这是非常有利的。将基本连续的涂层应用到这种表面是非常困难的。由于认为第一层在第一区域和第二区域之间限定了一条或更多的导电通路，所以第一层限定了这/这些导电通路的部分至少基本连续是重要的。因此，在子部分中设置通路是有利的。

主体部分可以包括由导电材料制作的核心部分，以及可以由电绝缘材料的第二层形成的外表面部分。这种情况下，第二层在导电核心部分和也导电的第一层之间提供了电绝缘。

电绝缘材料的第二层可以至少基本包覆核心部分。这种情况下，可以由第二层包覆整个物体。可替换地，可以只包覆物体的部分，例如带有螺纹部的部分，或者只与第一层的位置对应的区域。在后者的情况中，为了保证核心部分和第一层之间的电绝缘，可以在一条或更多的相对窄的带状物中应用第二层，并且随后在这/这些带状物的顶部上，在稍微更窄的带状物中应用第一层。

可以至少由第一和第二导电材料形成第一层，并且形成通路以使在第一导电材料形成的通路部分和第二导电材料形成的通路部分之间限定接触区域，所述接触区域限定了传感器。接触区域可以有利地限定温度传感器，优选热电偶。从而设置了嵌入物体如螺栓中的热电偶。由于这种热电偶可以容易地定位在基本封闭的容积内，例如电动机的内部，而且温度测量的在线结果容易经第一层限定的导电通路传递到封闭的容积的外部，所以这是有利的。

为了控制依靠热电偶进行的温度测量，有时将电桥例如惠斯通电桥连接到形成热电偶的导线。根据本发明，这种惠斯通电桥可以与传感器嵌入物体类似的方式嵌在物体中。而且，通过在传感器中嵌入惠斯通电桥的另一电阻，有可能取得一阶温度补偿。

可替换地，物体可进一步包括可变形的电介质材料的第三层，所述第三层设置在第一层上以使第三层至少基本覆盖第一层，以及设置在第三层上以使在外表面部分的第一区域和外表面部分的第二区域之间设置了一条或更多的导电通路的导电材料的第四层，从而第一层、第三层和第四层结合形成具有响应于可变形材料的变形而变化的电容量的电容器，所述电容器限定了传感器。

电容器可以有利地限定以下面的方式工作的压力传感器。当压力施加到可变形材料时，第一层和第四层之间的距离减小了。由于第一层和第四层限定了电容器的电极，因此电容器的电容作为应用的压力的函数而改变。因此，可以通过测量电容器的电容，或者，可替换地，通过测量电容中的改变，来获得所施加的压力的测量。

可替换地，第一层可以包括第一部分和第二部分，每个部分包括两个或更多的指，并且可以如此设置第一部分和第二部分以使第一部分的指和第二部分的指形成交错图案，所述交错图案限定了传感器。

交错图案可以限定应变仪，优选以下面的方式工作。当交错图案受到应变时，交错图案的指之间的距离将改变。从而指之间的导电率也将改变。因此，通过测量指之间的导电率来获得施加的应变测量时可能的。

如果两个互相旋转的交错图案嵌入到物体中，则获得能够测量轴向分解应变的传感器是可能的。

可替换地，交错图案可以限定湿度传感器。当包围交错图案的容积中的湿度改变时，指之间的导电率也将改变。从而测量导电率将提供容积中的湿度测量。

通常，可以构造不仅传感H₂O还传感CO、CO₂、O₂、NH₃、H₂S和其它物类的化学传感器。

物体可以进一步包括设置在物体上的抗磨损和/或抗腐蚀材料的第五层以使其覆盖至少第一层。这种抗磨损层提供了用于第一层的保护，而且还可能用于物体上可以存在的任何其它层的保护。优选抗磨损层至少覆盖物体的螺纹部分。从而物体可以旋进匹配的螺纹而没有第一层(以及可能的任何其它层)受到损坏的风险。这保证了即使几次定位和拆除物体，传感器也能继续适当的工作。

第一层的导电材料可以有利地从Cr、NiCr、Ni、Cu、CuNi、Pt、PtIr、CrAlumel、Si、K、Ba、Ca、Na、Mg、Al、Mn、Zn、Fe、Sn、Pb、H、Hg、Ag、Au和/或任何其它合适的金属或合金组成的组中选择。已知这些材料适于形成热电偶。

物体可以进一步包括在将螺纹部分拧进匹配的内螺纹部分中适于与相应的传动工具的传动表面协作的至少一个传动表面。例如，该传动表面可以是适于接收普通螺丝起子的狭槽的形式，它可以是适于啮合扳手的螺栓的头部，或者它可以是其它任何合适种类的传动表面。根据该实施例，物体可以有利地为其中嵌有传感器的普通螺栓。从而带有传感器的物体可以容易地安装到具有匹配的内部螺纹的相应开口中。应用到物体的很薄的层不会明显影响物体的尺寸，而且因此，物体仍然可以安装到标准的螺纹开口中。由于仅需要用具有嵌入其中的相关传感器的螺栓代替普通螺栓，这使得定位传感器很容易。

可以设置第一层至少部分跨过至少一个传动表面。如果传动表面设置在螺栓头部，则这是特别有利的。这种情况下，第一层可以有利地沿物体的外表面延伸并且沿螺栓头部的外表面延伸到螺栓头部的顶端。从而可以将信号从螺栓头部的顶端传递到传感器/从传感器传递到螺栓头部的顶端。

在本发明的范围内，可以在同一物体上定位两个或更多的传感器。传感器可以是相同的种类，例如两个或更多的温度传感器。可替换地，传感器可以是不同的种类，例如位于同一物体上的温度传感器和压力传感器，可能在表面区域的不同部分。

附图说明

现在将参考附附图进一步详细地描述本发明，其中

图1是根据本发明实施例的物体的透视图，

图2是图1的物体的分解图，

图3是根据本发明实施例，其中传感器为应变仪的物体的部分的剖视图，

图4示出了导电材料的第一图案，该图案形成了应变仪，

图5示出了导电材料的第二图案，该图案形成了应变仪，

图6示出了导电材料的第三图案，该图案形成了热电偶，

图7示出了导电材料的第四图案，该图案形成了湿度传感器，以及

图8是根据本发明实施例，其中传感器为压力传感器的物体的部分的剖视图。

具体实施方式

图1是螺栓形式的物体1的透视图。物体1设置有适于啮合传动工具例如扳手的螺栓头部2，以及螺纹部分3。在螺栓头部2，将物体1连接到接线箱4，以用来将信号从物体1传送到外部装置。在螺栓头部2还设置了O形环5。从而可以将物体1紧密地安装在设置有匹配的内螺纹的开口中。

螺纹部分3设置有螺纹中断的两个子部分6，即，子部分6中没有“丘陵”和“山谷”，因此表面是相对光滑的。子部分6横跨螺纹部分3的整个长度延伸，从而使得沿每个子部分6设置从螺纹部分3的一端到螺纹部分3的相对端的不间断的连接是可能的。因此，沿每个子部分6设置一层导电材料7。从而导电材料层7在物体1的末端部分8和螺栓头部2之间建立电连接。沿子部分6设置导电材料层7具有优点：可以应用很薄的层而没有由于螺纹部分3形成的“丘陵”和“山谷”中断电连接的风险。沿子部分6设置导电材料层7的另一优点是可以应用相对厚的层而没有螺纹不再能够安装到开口的匹配内螺纹中的风险。例如，如果期望非常微弱的信号，或者如果期望经该层传递相对大的电流，则可以使用这种相对厚的层。

在物体1的末端部分8，导电材料层7形成传感器(看不到)。因此，沿子部分6设置的导电材料层7的部分在传感器和接线箱4之间建立电连接。从而当物体1安装在具有匹配的内螺纹的开口中时有可能与传感器通信。

图2是图1的物体1的分解图。在图2中，添加了用于将螺栓头部2连接到接线箱4的接线插脚9。接线插脚9可以压装到螺栓头部2的相应的孔中，从而建立到物体1的电连接。

图3是根据本发明实施例的物体1的部分的剖视图。可以将图3所示的部分有利地定位在图1和2所示的物体1的末端部分8。物体1包括有导电材料制成的核心部分10并设置有凹部11。至少部分核心部10的外表面设置有电绝缘材料层12a。凹部11中和电绝缘材料层12a的顶部上设置了弹性材料13。在弹性材料13的顶部上并且覆盖了至少部分物体1的外表面设置了导电材料层7。对应于弹性材料13的位置的区域14中，导电材料层7形成传感器。导电材料层7的顶部上设置了第二电绝缘材料层12b，并且在该层12b的顶部上设置用于保护导电材料层7尤其是传感器的抗磨损材料层18。图3所示的实施例中，传感器是以下面的方式工作的应变仪。

在对应于弹性材料13的位置的区域14中，将导电材料层7设置在特定图案中。以下将参考图4和5进一步详细解释。当物体1受到应力时，弹性材料14将可逆地变形。这将影响位于区域14中的导电材料7的图案从而可以检测到传感器的导电率的变化。可以将导电率的这种变化转化为对施加到物体1的应变的测量，而且因此传感器作为应变仪起作用。

图4示出了导电材料7的第一图案。该图案形成应变仪形式的传感器15。传感器15包括并排设置的两条蜿蜒的通路16以使两条通路16的蜿蜒图案设置成基本上互相垂直。如果拉长传感器15，则根据传感器15拉长的方向以及造成拉长所施加的力量，一条或两条蜿蜒通路16的蜿蜒图案的纵向部分之间的距离将增加。这造成传感器15的蜿蜒图案的纵向部分之间的导电率的改变。从而传感器15能够检测施加到传感器15的应变以及应变所施加的方向。

图5示出了导电材料7的第二图案。在这种情况下，图案也形成了应变仪形式的传感器15。图5中，蜿蜒通路16设置在楔形图案中。但是，通路16仍然设置成基本上互相垂直，而且因此，与上面参考图4所描述的类似，传感器15能够检测施加到传感器15的应力的大小和方向。

图6示出了导电材料7的第三图案。这种情况下，图案形成了热电偶形式的传感器15。通过两种不同的导电材料形成导电材料7的图案。如此设置这两种材料以使它们限定了在导电材料7的图案的两部分之间建立电连接的接触点17。从而形成了两种材料之间的接合。可以在保持在基本恒定的温度级或者至少保持在已知温度的另一位置形成类似的接合。当传感器15以及从而接触点17受到温度的改变时，两个接合之间的温差将相应地改变。从而由于本身已知的珀耳帖-塞贝克效应，来自传感器15的输出电压也改变了。因此，传感器15提供了传感器15的位置处的温度级的信息，并且作为热电偶起作用。

作为可替换的，可以由导电材料7的图案之间的较大重叠来设置接触点17。这种情况下，图案7的渐变部分可以不存在，而且两个图案7可以在正方形或矩形的某个区域中简单重叠。这种设计的优点是保证了导电材料7的图案的两部分之间的接触。但是，与图6所示的实施例相比，测量温度的点将不好限定。

图7示出了导电材料7的第四图案。图案形成了交错方式设置的两条分开的导电通路7a、7b。图案形成了湿度传感器形式的传感器15。传感器15以下面的方式工作。当传感器15受到周围空气的湿度水平的改变时，交错图案的指之间的导电率相应改变，而且从而测量导电率的这种改变将提供周围空气的湿度水平的测量，或者在衬底与会改变导体之间的导电率的化学物类相互作用的情况下，提供其它化学物类的测量。

图8是根据本发明实施例的物体1的部分的剖视图。图8所示的部分可以有利地定位在图1和2所示的物体的末端部分8。物体1包括由导电材料制成的核心部分10。至少部分核心部分10的外表面设置有电绝缘材料层12a。绝缘材料层12a的顶部上设置导电材料层7。导电材料层7包括两部分7a、7b。在物体1的末端区域19，导电材料层7的第一部分7a和第二部分7b重叠并分别隔开。部分7a、7b之间，设置了弹性材料13。导电材料层7的顶部设置了第二电绝缘材料层12b，并且在该层12b的顶部设置了抗磨损材料层18。在图8所示的实施例中，由导电材料层7限定了压力传感器。压力传感器以下面的方式工作。

导电材料层7的两部分7a、7b在区域19中形成电容器。当物体1受到压力时，弹性材料13将进行可逆的变形，从而改变两部分7a、7b之间的距离。因此，两部分7a、7b形成的电容器的电容量改变了。通过测量电容量的改变，可以获得对所施加的压力的测量。从而导电材料层7形成了压力传感器形式的传感器。

Claims (17)

1、一种物体，包括：

-具有电绝缘外表面部分的主体部分，

-设置在外表面部分上的第一层，所述第一层由一种或多种的导电材料形成，并且在外表面部分的第一区域和外表面部分的第二区域之间限定了一条或多条的导电通路，该层还限定了传感器，

其中物体设置有限定了外螺纹的螺纹部分，从而适于将物体安装到设置有相应的内螺纹的开口中。

2、根据权利要求1的物体，其中在第一区域部分和第二区域部分之间设置螺纹部分。

3、根据权利要求2的物体，其中定位螺纹部分的物体部分包括中断螺纹的一个或多个的子部分，所述子部分在至少基本与螺纹的旋转轴平行的方向延伸。

4、根据权利要求3的物体，其中第一层的通路设置在一个或多个的子部分中。

5、根据前述任何一个权利要求的物体，其中主体部分包括导电材料制成的核心部分，并且其中外表面部分由第二电绝缘材料层形成。

6、根据权利要求5的物体，其中第二电绝缘材料层至少基本覆盖核心部分。

7、根据前述任何一个权利要求的物体，其中第一层由至少第一和第二导电材料形成，并且其中形成通路以使在由第一导电材料形成的通路部分和由第二导电材料形成的通路部分之间限定接触区域，所述接触区域限定了传感器。

8、根据权利要求7的物体，其中接触区域限定了温度传感器。

9、根据权利要求1-6任何一个的物体，还包括可变形电介质材料的第三层，所述第三层设置在第一层上以使第三层至少基本覆盖第一层，以及设置在第三层上以使在外表面部分的第一区域和外表面部分的第二区域之间设置一条或多条的导电通路的导电材料的第四层，从而第一层、第三层和第四层结合形成具有响应于可变形材料的变形而变化的电容量的电容器，所述电容器限定了传感器。

10、根据权利要求9的物体，其中电容器限定了压力传感器。

11、根据权利要求1-6任何一个的物体，其中第一层包括第一部分和第二部分，每个包括两个或多个的指，并且其中如此设置第一部分和第二部分以使第一部分的指和第二部分的指形成交错图案，所述交错图案限定了传感器。

12、根据权利要求11的物体，其中交错图案限定了应变仪。

13、根据权利要求11的物体，其中交错图案限定了湿度传感器。

14、根据前述任何一个权利要求的物体，还包括设置在物体上以使其至少覆盖第一层的抗磨损材料的的第五层。

15、根据前述任何一个权利要求的物体，其中第一层的导电材料从Cr、NiCr、Ni、Cu、CuNi、Pt、PtIr、CrAlumel、Si、K、Ba、Ca、Na、Mg、Al、Mn、Zn、Fe、Sn、Pb、H、Hg、Ag、Au组成的组中选择。

16、根据前述任何一个权利要求的物体，还包括在将螺纹部分拧进匹配的内螺纹部分中适于与传动工具的相应传动表面协作的至少一个传动表面。

17、根据权利要求16的物体，其中将第一层设置为至少部分地跨越至少一个驱动表面。

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