CN102997837B - 电容式超大应变传感器 - Google Patents

Abstract

电容式超大应变传感器，属于电子元器件领域，包括位于顶部的外壳、位于侧部的拖动架、位于中部的电路组件、位于下部的电容动极板、位于下部的电容定极板、位于外壳上的滑道以及引线板，位于超大应变传感器中部位置的电路组件板，用焊接方式固定在引线板上，再用胶粘接固定在外壳的内壁上；位于下部位置的电容动极板与拖动架用胶固定，拖动架再与外壳的滑道形成滑动连接；介于两片电容动极板间的电容定极板，采用焊接方式固定在引线板上，最后将引线板与外壳连接固定。采用电容变面积方式实现超大应变测量,用抽拉式感知结构实现曲面被测物测量，用双电容增敏实现狭小空间内的结构设计，具有小型化、高精度、高分辨率等特点。

Description

电容式超大应变传感器

技术领域

本发明属于电子器件领域，特别涉及到一种电容式超大应变传感器。

背景技术

所述应变是指物体单位长度的变形量，其表述形式为ε=ΔL/L,一种电容式超大应变传感器采用测量位移的方式来检测被测结构的应变大小。应变检测，是作为排除结构安全隐患从而提高被测物寿命最为有效的方法，受到了国内外专家学者的关注，通过应变信息能够对结构外载荷进行反演以及对结构安全进行评价和损伤定位，传感器设计尺寸的大小可以对应变量产生影响，如何在给定的极狭小空间内设计结构，实现小尺寸微型化传感器，一直是国内外传感器设计领域研究的重要课题。传统的应变传感器对于测量超大应变问题存在一定限制，若应变过高超出了应变片的测量范围时，会造成应变片脱落，进而影响测量的准确性，且现有大应变不覆盖，无法满足大应变测量需求，同时常规测量应变的传感器并不适用曲面被测物。因此，当前有必要研制一种小尺寸可实现大应变检测的可实现曲面测量的传感器。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对现有技术中对测量超大应变问题存在一定限制，无法满足大应变测量需求，同时针对现有技术无法实现曲面测量以及极小尺寸内实现结构设计的问题，为了克服以上缺陷，就需要开发一种能实现超大应变检测的小型化可实现曲面测量的传感器，本发明的目的是提供一种电容式超大应变传感器，通过测量位移与形变量的大小来解算应变量的大小，本发明应变ε在0.3以上，可有效解决超大应变测量问题，利用抽拉式应变感知结构端点安装技术实现曲面测量，采用双电容增敏设计实现在极小空间内的 结构设计，提高传感器的灵敏度。

本发明所采用的技术方案如下，一种电容式超大应变传感器，包括位于顶部的外壳、位于侧部的拖动架、位于中部的电路组件、位于下部的电容动极板、位于下部的电容定极板、位于外壳上的滑道以及引线板，其特征在于，采用电容变面积抽拉式大应变感知结构测量位移的方式测量超大应变，位于超大应变传感器中部位置的电路组件板，用焊接方式固定在引线板上，再用胶粘接固定在外壳的内壁上；位于下部位置的电容动极板与拖动架用胶固定，拖动架再与外壳的滑道形成滑动连接；介于两片电容动极板间的电容定极板，采用焊接方式固定在引线板上，再用涂胶的方式进行二次固化，最后将引线板与外壳连接固定。

由物理学可知，当忽略电容器边缘效应时，平行极板电容器的电容量见式1，式中S为两极板相互遮盖的有效面积；d为两极板间的距离，也称为极距；ε为两极板间介质的介电常数；ε_r为两极板间介质相对介电常数，对于空气介质，ε_r≈1；ε₀为真空的介电常数，ε₀=8.85×10^-12F/m。

$C=\frac{\mathrm{\ϵS}}{d}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}S}{d}---\left(1\right)$

在S、d、ε这3个参量中，改变其中任意一个量，均可引起电容量C的改变。因此可测量物体的位移以及介质的各种状态参数。只要位移量的变化能使电容器中任一种参数产生相应的改变，进而引起电容量变化，那么再经过一定的信号调整电路将此变化转换为有用的电信号输出，即可根据输出信号大小来计算位移量的大小。由于应变与位移变化存在如下关系，即ε=ΔL/L，本发明一种电容式超大应变传感器采用测量位移的办法来检测被测物体的应变变化。

曲线拟合实际输出输入的特性曲线与拟合直线之间的最大偏差即线性度，通常用相对误差来表示如2所示。式中：γ_l为线性度；ΔL_max为标定曲线与拟合直线的最大偏差；y_FS为理论满量程输出。选择曲线时主要考虑能够使得式2最小，且计算简便。

${\mathrm{\γ}}_l=\±\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\max }}{y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(2\right)$

重复性表示传感器在相同的工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次测试时，特性曲线的不一致性。重复性越好使得误差越小传感器的性能更优。

本发明的优点是：采用电容变面积式的方法，突破了传统应变传感器接触式测量的方法，通过测量位移的形式实现对应变的检测，实现大应变测量，应变ε在0.3以上；采用抽拉式大应变设计感知结构，解决了现有技术无法突破的测量曲面被测物应变量的问题；采用双电容增敏设计，解决了在给定的极其狭小空间内的结构设计问题。具有很好的线性以及重复性，同时具有小型化、高精度、高分辨率等特点。本发明可以用于对建筑安全的监测，还广泛应用于飞机机翼的拉伸、核导弹瞬间破坏、钢管爆破、土工织物、新型高分子材料、结构材料采用极限设计等研究中，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为电容式超大应变传感器结构示意图；

图2为电容动极板与定极板部件示意图；

具体实施方式

参照图1，表示本发明所涉及的电容式超大应变传感器结构示意图，其外形为一矩形架体结构，由外壳1、拖动架2、电路组件板3、电容动极板4、电容定极板5、引线板6组成，电容式超大应变传感器结构示意图见图1所示。电路组件板3先用焊接方式固定在引线板6再用胶粘接固定于外壳1的内壁上，电容动极板4则与拖动架2用胶固定，拖动架2则与外壳1的滑道7形成滑动连接。电容定极板5采用焊接方式固定在引线板6上，再用其周围涂胶的方式进行二次固化，最后将引线板6与外壳1粘接固定。传感器安装时，其外壳1的一端及拖动架2的一端分别粘接在被测物上，当被测物产生应变时拖动架2与外壳1通过滑道7产生滑动位移，同时电容动极板4和电容定极板5之间也 产生相应位移变化，致使电容值产生变化，以达到测量出被测物应变变化的目的。

本发明采用电容变面积式小尺寸抽拉式大应变感知结构设计，抽 拉式应变感知结构端点安装技术适合平面以及曲面被测物，打破传统应变传感器接触式测量，其中电容动极板4与电容定极板5通过静电耦合来实现测量，电容动极板4的结构示意图参阅图2所示。其中G为基底材料，E为电极材料。电容定极板5的结构示意图请详见图2所示，电容动极板4与电容定极板5制作工艺相同，其中A与B分别代表电容定极板5的上电极和下电极，两极板之间采用双电容增敏设计，在电容定极板5的上下两面均镀一层电极，使电容定极板5通过上下两面的电极与两个电容动极板4之间均产生电容，使电容式超大应变传感器的初始电容增大，从而提高传感器的灵敏度。在定极板A面上镀一层一定尺寸的金属，在动极板B面上也镀一层相同尺寸的金属，并且分别印刷(或刻画)一系列均匀分布金属。当电容动极板4相对于电容定极板5沿x方向平移时，电容面积发生变化，因而电容值C也随之变化，这样就通过读取电容动极板4的栅条数目可测出线位移量。设计时电容动极板4与电容定极板5的焊盘区位于上下极板相同的一侧，上下相错，避免寄生电容；电容动极板4的电极宽度180μm，栅条间隙20μm，上下极板间距0.5mm。本发明一种电容式超大应变传感器的外形尺寸为（25×15×15）mm。

本设计电容式超大应变传感器采用抽拉式大应变感知结构，而变面积式电容传感器的灵敏度与两极板之间距离成反比，距离越小灵敏度越高。本发明具有精度高、分辨率高、量程大以及小型化的特点。

Claims (3)

1.一种电容式超大应变传感器，包括位于顶部的外壳、位于侧部的拖动架、位于中部的电路组件、位于下部的电容动极板、位于下部的电容定极板、位于外壳上的滑道以及引线板，其特征在于，采用电容变面积抽拉式大应变感知结构测量位移的方式，测量超大应变，位于超大应变传感器中部位置的电路组件板，用焊接方式固定在引线板上，再用胶粘接固定在外壳的内壁上；位于下部位置的电容动极板与拖动架用胶固定，拖动架再与外壳的滑道形成滑动连接；采用双电容增敏设计，将介于两片电容动极板间的电容定极板，用焊接方式固定在引线板上，再用涂胶的方式进行二次固化，最后将引线板与外壳连接固定；其中电容动极板与电容定极板通过静电耦合来实现测量位移。

2.根据权利要求1所述的一种电容式超大应变传感器，其特征在于，采用电容变面积抽拉式大应变感知结构端点安装技术，实现对曲面被测物应变量的测量。

3.根据权利要求1所述的一种电容式超大应变传感器，其特征在于，采用双电容增敏设计，实现小尺寸结构大灵敏度测量。