CN104034452B - 剪切应变式压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种剪切应变式压力传感器，包括壳体，所述壳体内的磁场发生装置具有两个磁性相反且相向对应的磁极，两个磁极的间隔空间中设有一剪切板，所述剪切板的一侧固定有橡胶片，与两个磁极中的第一磁极的磁极端面充分接触，所述剪切板的另一侧固定有第一电极，所述第一电极上固定有磁流变弹性体，磁流变弹性体的另一侧固定有第二电极，第二电极与两个磁极中的第二磁极的磁极端面固定，所述第一电极、第二电极与一信号调理模块电连接，所述剪切板的一端向上延伸穿过一S型测力件后外伸出壳体上端面，所述壳体内固定有用于支撑S型测力件的支撑板，所述剪切板上设有一挡块，该挡块的下端面与S型测力件的上端面接触。它分辨率高、灵敏度高、测力范围大。

Description

剪切应变式压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种剪切应变式压力传感器。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着新材料技术的发展，新型传感器也应运而生。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。压电式压力传感器体积小，结构简单，能提供电学输出，是使用最为广泛的一种压力传感器。然而，压电式压力传感器仍然存在以下缺点：其分辨率较低，对微小应变不敏感，对微小力值的测量不能很好的响应，测力范围有待改进，且压电式压力传感器的压电材料受环境影响较大，易导致压电式压力传感器测量不准确。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种剪切应变式压力传感器，该剪切应变式压力传感器分辨率高、灵敏度高、测力范围大，且体积小，结构简单，便于制造。

本发明的目的是采用下述方案实现的：

一种剪切应变式压力传感器，包括壳体，所述壳体内固定有磁场发生装置，该磁场发生装置具有两个磁性相反且相向对应的磁极，所述两个磁性相反的磁极之间留有间隔空间，两个磁极的间隔空间中设有一剪切板，所述剪切板的一侧固定有橡胶片，与两个磁极中的第一磁极的磁极端面充分接触，所述剪切板的另一侧固定有第一电极，所述第一电极上固定有磁流变弹性体，磁流变弹性体的另一侧固定有第二电极，第二电极与两个磁极中的第二磁极的磁极端面固定，所述第一电极、第二电极与一信号调理模块电连接，所述信号调理模块用于将两电极之间磁流变弹性体变化的阻值信号转换为电压信号输出，所述剪切板的一端向上延伸穿过一S型测力件后外伸出壳体上端面，所述壳体内固定有用于支撑S型测力件的支撑板，所述剪切板上设有一挡块，该挡块的下端面与S型测力件的上端面接触。

所述壳体内设有用于限定剪切板运动行程的过载保护装置。

所述过载保护装置为U型卡块，所述U型卡块固定在壳体内壁上，U型卡块的卡口朝内，U型卡块的卡口内设有限位板与剪切板的下端连接。

所述剪切板的外伸端固定有一压头，所述压头与壳体上端面之间由橡胶块粘结。

所述磁场发生装置包括两个块状永磁体，两个块状永磁体通过固定架固定在壳体内，两个块状永磁体相向对应，且留有间隔空间，两个块状永磁体相对面的磁极的磁性相反。

所述永磁体为N53钕铁硼永磁体。

所述壳体包括基座和外罩，所述外罩与基座通过螺栓固定连接。

所述信号调理模块采用型号为S1109的电位计式信号调理模块。

所述磁流变弹性体的内部软磁颗粒呈现链状或柱状结构排列，且软磁颗粒呈链状或柱状结构列的轴线应与第一电极、第二电极表面垂直。

本发明具有的优点是：由于本剪切应变式压力传感器的壳体内固定有磁场发生装置，该磁场发生装置具有两个磁性相反且相向对应的磁极，所述两个磁性相反的磁极之间留有间隔空间，两个磁极的间隔空间中设有一剪切板，所述剪切板的一侧固定有橡胶片，与两个磁极中的第一磁极的磁极端面充分接触，所述剪切板的另一侧固定有第一电极，所述第一电极上固定有磁流变弹性体，磁流变弹性体的另一侧固定有第二电极，第二电极与两个磁极中的第二磁极的磁极端面固定，所述剪切板的一端向上延伸穿过一S型弹性元件后外伸出壳体上端面，所述壳体内固定有用于支撑S型弹性元件的支撑板，所述剪切板上设有一挡块，该挡块的下端面与S型弹性元件的上端面接触。 当压力作用于剪切板，剪切板将压力传递给S型弹性元件，同时剪切板在压力作用下对磁流变弹性体产生微小剪切作用。当磁流变弹性体发生剪切变形时，磁流变弹性体内部颗粒间隙发生变化，诱发阻值变化。且磁流变弹性体对微小的剪切应变十分敏感，可有效提高测力范围，并对微小力值的测量也有很好的响应。

且磁流变弹性体工作十分稳定，本传感器一般都是在常温下工作的，因此环境的影响可以忽略不计。传感器中的磁流变弹性体被置于两电极之间，电极与信号调理模块相连，利用信号调理模块将磁流变弹性体变化的阻值信号转换为传感器输出的电压信号，从而实现测量外界压力的大小。

本发明利用磁流变弹性体的磁致电学特性受到应变的影响十分敏感，在应变的作用下磁流变弹性体的阻值变化明显，且具有良好的可逆性的特点，将磁流变弹性体设置在磁场发生装置产生的强磁场中，磁场发生装置将产生强磁场作用于位于两个磁极之间的磁流变弹性体上，可起到降低磁流变弹性体初始阻值，并提高磁流变弹性体的阻值对应变的敏感程度。且磁流变弹性体位于强磁场中，磁流变弹性体的磁控电学特性在磁场作用下发生连续变化，还可提高传感器的分辨率。

总之，本发明分辨率高、灵敏度高、测力范围大，，受环境影响较小，且体积小，结构简单，便于制造。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图中，1为壳体，1a为基座，1b为外罩 ，1c为紧固螺栓，2为压头，3为橡胶块，4为剪切板，5为挡块，6为S型测力件，7为支撑板，8为固定架，9为永磁体，10为橡胶片，11为磁流变弹性体，12为第一电极，13为第二电极，14为过载保护装置，15为限位板，16信号调理模块。

具体实施方式

参见图1，一种剪切应变式压力传感器，包括壳体1。所述壳体1内固定有磁场发生装置，该磁场发生装置具有两个磁性相反且相向对应的磁极，所述两个磁性相反的磁极之间留有间隔空间，两个磁极的间隔空间中设有一剪切板4，所述剪切板4的一侧固定有橡胶片10，与两个磁极中的第一磁极的磁极端面充分接触。磁流变弹性体11的基体是橡胶，当受到剪切作用时，将有会有沿垂直方向的变形，加橡胶片10是为了剪切板4两边的对称及与磁流变弹性体11的协调运动。所述剪切板4的另一侧固定有第一电极12，所述第一电极12上固定有磁流变弹性体11，磁流变弹性体11的另一侧固定有第二电极13，第二电极13与两个磁极中的第二磁极的磁极端面固定。本实施例的第一电极12、第二电极13与磁流变弹性体11粘接固定。所述磁流变弹性体11属于磁流变材料家族中一个新的分支，并具有响应迅速(ms级)、可逆性好，并可通过调节外磁场的强弱来控制材料的力学性能的连续变化。它是将微米尺度的铁磁性颗粒掺入到高分子聚合物中，在磁场环境下固化，从而基体内的颗粒具有链或柱状结构。本发明的所述磁流变弹性体11的内部软磁颗粒呈现链状或柱状结构排列，且软磁颗粒呈链状或柱状结构列的轴线应与第一电极12、第二电极13表面垂直。目前已研究表明磁流变弹性体11的磁致电学特性受到微小应变的影响十分敏感，在应变的作用下磁流变弹性体11的阻值变化明显，且具有良好的可逆性。所述第一电极12、第二电极13通过导线与一信号调理模块16电连接，所述信号调理模块16用于将两电极之间磁流变弹性体11变化的阻值信号转换为电压信号输出，从而实现测量外界压力的大小。本实施例所述信号调理模块16采用型号为S1109的电位计式信号调理模块16。所述剪切板4的一端向上延伸穿过一S型测力件6后外伸出壳体1上端面，所述壳体1内固定有用于支撑S型测力件6的支撑板7，所述剪切板4上设有一挡块5，该挡块5的下端面与S型测力件6的上端面接触。S型测力件6的作用时用来承受外界压力，同时S型测力件6将产生变形，通过剪切板4将微小变形传递至磁流变弹性体11处。所述剪切板4的外伸端固定有一压头2，所述压头2与壳体1上端面之间由橡胶块3粘结。橡胶块3具有弹性变形的特点，当压头2承受压力作用，会有微小的向下运动位移。压头2与壳体1上端面之间由橡胶块3粘结后，当压头2受到压力时，压头2压缩橡胶块3带动剪切板4向下运动，从而带动挡块5压缩S型测力件6，使S型测力件6发生变形。当压头2受到压力时，压头2只能作很微小的移动。所述支撑板7、固定架8、过载保护装置14可通过焊接的方式固定在壳体1内侧的。

所述壳体1包括基座1a和外罩1b，所述外罩1b与基座1a通过紧固螺栓1c固定连接。本发明结构简单，壳体1体积小，便于制造。所述压头2、限位板15、橡胶块3、支撑板7、壳体1外形均为圆形。当然，压头2、限位板15、橡胶块3、支撑板7、壳体1外形也可以为矩形、正方形等。

所述壳体1内设有用于限定剪切板4运动行程的过载保护装置14。所述过载保护装置14为U型卡块，所述U型卡块固定在壳体1内壁上，U型卡块的卡口朝内，U型卡块的卡口内设有限位板15与剪切板4的下端连接。所述过载保护装置14的U型卡块可以为一个，也可以为多个。本实施例的过载保护装置14的U型卡块为两个。两个U型卡块的卡口相向对应。

所述磁场发生装置包括两个块状永磁体9，两个块状永磁体9通过固定架8固定在壳体1内，两个块状永磁体9相向对应，且留有间隔空间，两个块状永磁体9相对面的磁极的磁性相反。所述永磁体9为N53钕铁硼永磁体。

本发明的工作原理是：当压力作用于压头2，压头2通过剪切板4将压力传递给S型测力件6，同时剪切板4在压力作用下对磁流变弹性体11产生微小剪切作用。公知磁流变弹性体11是由软磁填充颗粒与高分子聚合物基体复合而成，当磁流变弹性体11发生剪切变形时，磁流变弹性体11内部颗粒间隙发生变化，诱发阻值变化。且磁流变弹性体11对微小的剪切应变十分敏感，可有效提高测力范围，并对微小力值的测量也有很好的响应。传感器中的磁流变弹性体11被置于两电极之间，电极与信号调理模块16相连，利用信号调理模块16将磁流变弹性体11变化的阻值信号转换为传感器输出的电压信号，从而实现测量外界压力的大小。本发明的磁场发生装置将产生强磁场作用于位于两个磁极之间的磁流变弹性体11上，可起到降低磁流变弹性体11初始阻值，并提高磁流变弹性体11的阻值对应变的敏感程度。且磁流变弹性体11位于强磁场中，磁流变弹性体11的磁控电学特性在磁场作用下发生连续变化，还可提高传感器的分辨率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种剪切应变式压力传感器，其特征在于：包括壳体，所述壳体内固定有磁场发生装置，该磁场发生装置具有两个磁性相反且相向对应的磁极，所述两个磁性相反的磁极之间留有间隔空间，两个磁极的间隔空间中设有一剪切板，所述剪切板的一侧固定有橡胶片，与两个磁极中的第一磁极的磁极端面充分接触，所述剪切板的另一侧固定有第一电极，所述第一电极上固定有磁流变弹性体，磁流变弹性体的另一侧固定有第二电极，第二电极与两个磁极中的第二磁极的磁极端面固定，所述第一电极、第二电极与一信号调理模块电连接，所述信号调理模块用于将两电极之间磁流变弹性体变化的阻值信号转换为电压信号输出，所述剪切板的一端向上延伸穿过一S型测力件后外伸出壳体上端面，所述壳体内固定有用于支撑S型测力件的支撑板，所述剪切板上设有一挡块，该挡块的下端面与S型测力件的上端面接触,所述壳体内设有用于限定剪切板运动行程的过载保护装置。

2.根据权利要求1所述的剪切应变式压力传感器，其特征在于：所述过载保护装置为U型卡块，所述U型卡块固定在壳体内壁上，U型卡块的卡口朝内，U型卡块的卡口内设有限位板与剪切板的下端连接。

3.根据权利要求1所述的剪切应变式压力传感器，其特征在于：所述剪切板的外伸端固定有一压头，所述压头与壳体上端面之间由橡胶块粘结。

4.根据权利要求1所述的剪切应变式压力传感器，其特征在于：所述磁场发生装置包括两个块状永磁体，两个块状永磁体通过固定架固定在壳体内，两个块状永磁体相向对应，且留有间隔空间，两个块状永磁体相对面的磁极的磁性相反。

5.根据权利要求4所述的剪切应变式压力传感器，其特征在于：所述永磁体为N53钕铁硼永磁体。

6.根据权利要求1所述的剪切应变式压力传感器，其特征在于：所述壳体包括基座和外罩，所述外罩与基座通过螺栓固定连接。

7.根据权利要求1所述的剪切应变式压力传感器，其特征在于：所述信号调理模块采用型号为S1109的电位计式信号调理模块。

8.根据权利要求1所述的剪切应变式压力传感器，其特征在于：所述磁流变弹性体的内部软磁颗粒呈现链状或柱状结构排列，且软磁颗粒呈链状或柱状结构列的轴线应与第一电极、第二电极表面垂直。