CN102445288B - 大载荷压、拉力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于力应变材料的传感系统，尤其涉及一种在大载荷工作环境下可以同时进行压力和拉力检测的一体化集成传感器系统。本发明的大载荷压、拉力传感器，包括弹性框架，弹性框架上设有空穴，空穴的侧面设有贯通口，设置在弹性框架上的紧固件贯穿贯通口；空穴内设有压电体，压电体的一端与紧固件固接，另一端与贯通口相对的空穴内壁接触。本发明的传感器可用于研制要求测试大负载或超大负载的场合，如建筑物、重型机械、桥梁、液压设备等的拉压力检测领域。该传感系统可以避免压电材料由于自身抗压和抗拉强度的限制而使所制成的传感器无法用于大载荷或超大载荷力检测的应用场合。

Description

大载荷压、拉力传感器

技术领域

本发明涉及一种基于力应变材料的传感系统，尤其涉及一种在大载荷工作环境下可以同时进行压力和拉力检测的一体化集成传感器系统。

背景技术

传感器领域发展迅速，产生了如压变、压阻和压电等多种传感器。特别是近些年来压电传感器发展迅速。压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和高钛酸铅等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷即“压电效应”。由于压电传感器是基于这种压电材料的力-电强耦合效应而制成，通过直接获取电信号的强度来感知受到机械负载的强度，所以这类传感器传感灵敏度高，信号获取方便，传感器结构紧凑简捷，使用方便，目前在众多领域得以广泛应用。但是，由于压电材料属于脆性材料，其抗压和抗拉强度都较低，所以利用其制成的压电传感器往往不能承受大载荷。如目前市场上的一款压电式传感器：CZ-YB系列压电式压力传感器，其承载能力只能为几十千帕，所以压电材料自身强度的缺陷限制了压电传感器的应用。并且，由于压电材料其拉、压电特性不同，采用单一压电材料制成的压力和拉力一体化传感器，存在传感信号不一致，拉压力测量范围偏差较大的缺陷，使制造一体化拉压传感器存在困难。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种大载荷压、拉力传感器，其结构尺寸小，拉、压强度高，安装简单便利。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括弹性框架，弹性框架上设有空穴，空穴的侧面设有贯通口，设置在弹性框架上的紧固件贯穿贯通口；空穴内设有压电体，压电体的一端与紧固件固接，另一端与贯通口相对的空穴内壁接触。

该发明中所包含的弹性框架为一中心镂空(设置空穴)结构体，镂空周围的框架部分由于其具有受力弯曲的结构可以根据所承载的压力或拉力产生相应的弹性变形。该弹性框架上下两端侧壁上还有便于与外部施力机构方便连接的螺纹。

空穴优选为椭球形或圆球形或相对的两端封闭另两端镂空的框架，当然也可以设置成其它形状，只要能放置进压电体且能够在外力作用下压缩压电体即可。空穴至少设置一个，每个空穴上设置一个贯通口，不同的空穴交替在空穴的上端或下端或左端或右端设置贯通口。机构中通常在弹性框架的上下两端皆设置压电体，其中上端的压电体置于弹性框架上的镂空的空穴中，上端压电体的受力方向与外部施加的拉或压力方向一致；其中下端压电体置于弹性框架上的镂空的空穴中，下端压电体的受力方向与外部施加的拉或压力方向垂直。

紧固件为紧固螺栓，紧固螺栓用于将上端压电体和下端压电体方便地装配在弹性框架的相应位置，并且用于调整装配间隙而方便紧固压电体于框架上，还可以用于对压电体施加预紧力。

根据“泊松效应”，当弹性框架压力足够大时，弹性框架体上的空穴结构体会被挤压变形，使弹性框架上对应空穴部分的结构体在压力方向被压缩，同时其在垂直压力方向上向外扩张。此时，置于空穴内的上端压电体会承受压力，而置于空穴内的下端压电体将会被放松而不承受压力(或初始预紧力会减少)。此时，上端压电体受到压力而产生压电信号，并且该压电信号的大小与所受的压力大小呈对应关系，从而可以实现检测压力的功效。

同理，当弹性框架拉力足够大时，弹性框架体上的空穴结构体会被拉伸变形，使弹性框架上对应空穴部分的结构体在拉力方向被伸长，同时在垂直拉力方向上被收紧。此时，置于空穴内的下端压电体会承受压力，而置于空穴内的上端压电体将会被放松而不承受压力(或初始预紧力会减少)。此时，下端压电体受到压力而产生压电信号，并且该压电信号的大小与所受的拉力大小呈对应关系，从而可以实现检测拉力的功效。

弹性框架中间位置设置凹槽，便于拉力或压力的动作。压电体为力-电形式传感材料体或力-光形式传感材料体或力-磁形式传感材料体。

根据以上分析，本发明传感器可以通过对上压电体和下压电体交互作用，而感知施加于弹性框架上的压力或拉力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.同时实现了压力和拉力检测，机构简单、紧凑；

2.机构刚性好，可以采用承载压力或拉力有限的压电或其它强度较低的传感材料检测大负载或超大负载的压力或拉力；体积可以较小；

3.压力和拉力检测均采用了在压电体上施加的压力信号而实现，使本发明对于压力和拉力检测具有稳定性和一致性；

4.部件装配和安装方便，部件的加工、设计尺寸和装配误差可以方便地通过安装螺栓进行调节；传感器整体与外部被测件可通过螺纹方便连接。

本发明的传感器可用于研制要求测试大负载或超大负载的场合，如建筑物、重型机械、桥梁、液压设备等的拉压力检测领域。该传感系统可以避免压电材料由于自身抗压和抗拉强度的限制而使所制成的传感器无法用于大载荷或超大载荷力检测的应用场合。并且，所提出传感器是一种集成的结构可以同时实现压力和拉力的检测。该传感器具有自身结构强度高，拉、压双分量检测，检测力范围大，检测准确、灵敏等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述：

图1为弹性框架结构示意图；

图2为本发明的实施例1传感器结构示意图；

图3为本发明的实施例1传感器受压力作用示意图；

图4为本发明的实施例1传感器受拉力作用示意图；

图5为本发明的实施例2传感器结构示意图；

图6为本发明的实施例3传感器结构示意图；

图7为本发明的实施例4传感器结构示意图；

图8为本发明的实施例5传感器结构示意图；

图9为本发明的实施例6传感器结构示意图。

图中：1.弹性框架；2.空穴；3.贯通口；4.紧固件；5.压电体；6.凹槽。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的传感器包括弹性框架1，弹性框架1的上下两端设有两个空穴2，空穴2的侧面设有贯通口3，设置在弹性框架上的紧固件4贯穿贯通口3；空穴2内设有压电体5，压电体5的一端与紧固件4固接，另一端与贯通口相对的空穴内壁接触，压电体5为力-电形式传感材料体。

空穴2为封闭的椭球形，每个空穴2上设置一个贯通口3，上端的空穴2在上端设置贯通口3，下端的空穴2在右端设置贯通口3，即上下端的压电体呈垂直设置。弹性框架1中间位置设置凹槽6。紧固件4为紧固螺栓。

工作时，当传感器受到压力F作用，如图3所示，当压力F足够大时，弹性框架1对应上端空穴2结构体受压变形，在施加F力的方向被压缩，进而压迫上端的压电体5，从而基于压电效应产生电信号，该电信号的强弱与F的大小成对应关系，即通过检测该电信号的强弱可以给出压力F的大小。在F力作用同时，弹性框架1对应下端空穴2结构体受压变形，在与F力垂直方向上的弹性框架1的结构体会外扩，进而放松下端的压电体5，下端的压电体5此时不受压力作用，不产生压力信号。在这种情形下，本发明压-拉力传感器只具备压力传感功效。

当传感器受到拉力f作用，如图4所示，当压力f足够大时，弹性框架1对应下端空穴2结构体受拉变形，在施加f力的方向被拉长，在与f力的方向垂直的方向上收缩，进而压迫下端压电体5，从而基于压电效应产生电信号，该电信号的强弱与拉力f的大小成对应关系，即通过检测该产生电信号的强弱可以给出拉力f的大小。在f力作用同时，弹性框架1的对应上端空穴2结构体受拉变形，在与f力一致的方向上的弹性框架1的结构体会伸张，进而放松上端的压电体5，上端的压电体5此时不受压力作用，不产生压力信号。在这种情形下，本发明压-拉力传感器只具备拉力传感功效。

至此，结合以上两种工作形式，所提出的传感器具有了可同时检测压、拉力的传感器功能。

另外，由于外部施加的压力F为施加在弹性框架的上端空穴2的框架部分上的弹性力F1和施加在上端压电体5上的力F2之和，即F＝F1+F2，所以对于脆性压电材料体，我们可以通过恰当的结构设计，根据上端压电体5的受力范围F2，通过改变弹性框架1上空穴周围的框架部分的结构和尺寸或材料，使能够产生的F1做相应变化。在确定F1之后，通过标定F与F2的对应关系，即可通过检测F2的大小知道外部施加的压力F的大小。并且，可以通过结构设计，使得F1＞＞F2，从而实现小强度的传感材料或小量程压力传感器，检测大压力负载的功能。

同样，当外部施加的拉力f为施加在弹性变形框架的下端空穴2周围的框架部分上的弹性力f1和施加在下端压电体2上的力f2之和，即f＝f1+f2，同样对于脆性压电材料体，我们可以通过恰当的结构设计，根据下压电体的受力范围f2，可以通过改变弹性框架下端空穴2周围的框架部分的结构和尺寸或材料，使能够产生的f1做相应变化。在确定f1之后，通过标定f与f2的对应关系，即可通过检测f2的大小知道外部施加的拉力f的大小。并且，可以通过结构设计，使得f1＞＞f2，从而实现小强度的传感材料或小量程压力传感器，检测大拉力载荷的功能。

实施例2

如图5所示，只在弹性框架1的上端设置一个空穴2，空穴2的上端设有贯通口3。其它同实施例1。

实施例3

如图6所示，只在弹性框架1的下端设置一个空穴2，空穴2的左端设有贯通口3。其它同实施例1。

实施例4

如图7所示，在弹性框架1的上、下两端各设置一个空穴2，上端空穴2上下相对的两端封闭，左右相对的两端镂空；下端空穴2上下相对的两端镂空，左右相对的两端封闭。这样，既可以保证压电体5的压拉力，又便于部件的制作。其它同实施例1。

实施例5

如图8所示，弹性框架1的上端设置两个空穴2，下端设置两个空穴2，四个空穴分别在上下左右的位置设置贯通口3，同一水平方向上的压电体5呈垂直设置。其它同实施例1。

实施例6

如图9所示，弹性框架1的上端设置两个空穴2，下端设置两个空穴2，四个空穴分别在上下左右的位置设置贯通口3，同一水平方向上的压电体5呈平行设置。其它同实施例1。

Claims (7)

1.一种大载荷压、拉力传感器，其特征在于，包括弹性框架，弹性框架上设有空穴，空穴的侧面设有贯通口，设置在弹性框架上的紧固件贯穿贯通口；空穴内设有压电体，压电体的一端与紧固件固接，另一端与贯通口相对的空穴内壁接触。

2.根据权利要求1所述的大载荷压、拉力传感器，其特征在于，空穴为椭球形或圆球形或相对的两端封闭另两端镂空的框架。

3.根据权利要求2所述的大载荷压、拉力传感器，其特征在于，空穴至少设置一个。

4.根据权利要求3所述的大载荷压、拉力传感器，其特征在于，每个空穴上设置一个贯通口，不同的空穴交替在上端或下端或左端或右端设置贯通口。

5.根据权利要求4所述的大载荷压、拉力传感器，其特征在于，弹性框架中间位置设置凹槽。

6.根据权利要求1所述的大载荷压、拉力传感器，其特征在于，紧固件为紧固螺栓。

7.根据权利要求1所述的大载荷压、拉力传感器，其特征在于，压电体为力-电形式传感材料体或力-光形式传感材料体或力-磁形式传感材料体。

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