CN104034455B - 基于磁流变材料的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁流变材料的压力传感器，包括外壳，外壳与一底座固定连接，一磁流变弹性体设于底座的凹腔内，磁流变弹性体的上、下端面分别粘接上电极片、下电极片，底座凹腔的腔底与下电极片之间粘接固定有一绝缘薄膜，上电极片、下电极片分别通过导线与位于外壳外的信号调理模块相连；一压头设于外壳腔内，压头的上端从外壳上端设置的过孔伸出，且与过孔间隙配合，压头的下端间隙配合在底座的凹腔中，与上电极片接触，所述压头上套设有用于支撑压头的支撑弹簧，所述支撑弹簧的下端抵在底座的凹腔上端面，支撑弹簧的上端抵在压头上设有的定位凸台的下端面。本发明反应迅速，可实现对动态及静态力值的测量，易于维护，且稳定性好。

Description

基于磁流变材料的压力传感器

技术领域

本发明涉及一种测量用的感应装置，具体涉及基于磁流变材料的压力传感器，属于磁流变材料及应用技术领域。

背景技术

现有的压力传感器种类繁多，分为压阻式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器、压电式压力传感器。压阻式压力传感器是利用半导体材料压阻效应制成，它的基片是由半导体材料制成，在外力作用下，基片产生形变，阻值发生变化，电桥失去平衡，从而输出电压信号。但现有的压阻式压力传感器易受温度影响，不稳定，重复性较差，不能实现对静态力值的测量，对半导体的加工工艺要求复杂，不便于维修，且制造成本高。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于磁流变材料的压力传感器，该压力传感器反应迅速，可实现对动态及静态力值的测量，且该压力传感器的结构简单，易于维护，稳定性好。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于磁流变材料的压力传感器，包括外壳，其特征在于：所述外壳与一底座固定连接，所述底座的上端面设有用于安装磁流变弹性体的凹腔，一磁流变弹性体设于底座的凹腔内，所述磁流变弹性体的上、下端面分别粘接上电极片、下电极片，所述底座凹腔的腔底粘接固定一绝缘薄膜，所述磁流变弹性体下端粘接的下电极片与绝缘薄膜粘接固定，所述上电极片、下电极片分别通过导线与位于外壳外的信号调理模块相连；一压头设于外壳腔内，压头的上端从外壳上端设置的过孔伸出，且与过孔间隙配合，压头的下端间隙配合在底座的凹腔中，与上电极片接触，所述压头上套设有用于支撑压头的支撑弹簧，所述支撑弹簧的下端抵在底座的上端面，支撑弹簧的上端抵在压头上设有的定位凸台的下端面，所述定位凸台的上端面限位于外壳腔顶，通过底座与外壳将下电极片、磁流变弹性体、上电极片、支撑弹簧封装在外壳内。

所述压头的定位凸台的上端面与外壳之间设有橡胶垫圈，所述橡胶垫圈粘接在外壳的腔顶。

所述定位凸台位于压头的上部。

所述外壳呈圆柱体。

所述上电极片、下电极片和磁流变弹性体与底座的凹腔内壁之间留有绝缘间隙，该绝缘间隙为1mm。

所述底座由基座和支座构成，基座的中部设有凸台，支座上开设有与基座的凸台相配合的通孔，支座通过螺栓固定在基座上，使支座的通孔形成底座的凹腔，所述支座的外侧壁与外壳焊接固定。

所述磁流变弹性体为在强磁场的环境下制备而成的磁流变弹性体，该磁流变弹性体内填充有软磁颗粒和微米级石墨颗粒，所述软磁颗粒呈现链状或柱状排列，软磁颗粒呈链状或柱状结构列的轴线应与上、下电极片表面垂直。

所述底座、压头和外壳均采用不锈钢材料。

所述绝缘薄膜的厚度不超过0.1mm。

所述信号调理模块为S1109型电位计式信号调理模块。

本发明的有益效果：本发明结构简单，磁流变弹性体放置在底座的凹腔内，磁流变弹性体的两端粘接上电极片、下电极片，底座的凹腔腔底粘接有绝缘薄膜，下电极片粘接在底座的绝缘薄膜上，绝缘薄膜厚度不超过0.1mm，该绝缘薄膜避免了下电极片与底座接触，起绝缘作用。所述底座由基座和支座构成，便于磁流变弹性体和上、下电极片安装在底座的凹腔内。设于外壳腔内的压头通过支撑弹簧安装在底座的凹腔上端面，压头的下端间隙配合在底座的凹腔中，通过支撑弹簧支撑压头的重力，使压头的下端与磁流变弹性体上表面的电极片接触，但磁流变弹性体的重力不会施加到磁流变弹性体上端面的上电极片，从而保证了本发明压力传感器的精确度。因压头受到压力作用后挤压磁流变弹性体，磁流变弹性体受压使内部软磁颗粒及石墨颗粒间距变小，导电性增强，磁流变弹性体两端电极之间电阻减小。当受到静态力作用，磁流变弹性体将产生稳定的应变，将会变化到另外一个稳定的阻值；当受到动态力值作用时，磁流变弹性体的内部颗粒间距也将随着外力的不同，实时发生变化，同时产生变化的阻值，利用信号调理模块将磁流变弹性体的电阻值变化转换为电压变化输出，即可表征施加于传感器的静态与动态力值。由于磁流变弹性体电阻值的变化明显、稳定性高，因此本发明的压力传感器反应迅速，易于维护，降低了成本，保证了本发明压力传感器的稳定性，且可实现对动态及静态力值的测量。

压头的定位凸台与外壳之间设有橡胶垫圈，该橡胶垫圈避免了传感器压头与外壳硬接触，通过支撑弹簧和橡胶垫圈进一步平衡压头重力作用。

所述磁流变弹性体内填充有软磁颗粒和微米级石墨颗粒，所述磁流变弹性体在强磁场的环境下制备而成，本磁流变体内填充石墨颗粒可以有效提高其导电性，并在在压力的作用下，磁流变弹性体电阻值的变化更加明显，而且随着压力的连续作用，阻值同样呈现了连续的变化趋势，并且随着压力的撤消阻值也迅速恢复至没有施加压力的状态，具有良好的可逆性。磁流变弹性体的软磁颗粒呈现链状或柱状排列，软磁颗粒呈链状或柱状结构列的轴线应与上、下电极片表面垂直，使磁流变弹性体的径向导电性极弱。所述底座的凹腔内壁与上电极片、下电极片和磁流变弹性体之间留有1mm的绝缘间隙，该绝缘间隙保证了磁流变弹性体、上电极片和下电极片与底座之间的绝缘。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明底座的剖视图。

图3是本发明压头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参加图1、图2和图3所示的一种基于磁流变材料的压力传感器，包括外壳1、底座2、磁流变弹性体3、上电极片4、下电极片5、压头6、支撑弹簧7、导线8、绝缘薄膜9、信号调理模块10和橡胶垫圈11，所述外壳1呈圆柱体，磁流变弹性体3的横截面、压头6的横截面、上电极片4、下电极片5和绝缘薄膜9呈圆形，所述底座2、压头6和外壳1均采用不锈钢材料制成。所述外壳1顶部开设有过孔，所述过孔的直径略大于压头6的直径，外壳1的侧壁设有两个用于上电极片4、下电极片5上连接的导线穿过的导线孔。所述底座2由基座2-1和支座2-2构成，基座2-1的中部设有圆形的凸台，支座2-2呈圆柱型，支座2-2中部开设有略大于基座2-1凸台直径的通孔，所述通孔与基座2-1的凸台相配合，使支座2-2套在基座2-1的凸台上，支座2-2通过螺栓12固定在基座2-1上，使支座2-2的通孔形成底座2的凹腔2-3，便于将磁流变弹性体3、上电极片4、下电极片5安装在底座2的凹腔2-3中，支座2-2的侧壁设有与外壳1的两个导线孔对应的导线孔；绝缘薄膜9粘接固定在基座2-1的凸台上，所述绝缘薄膜9采用硬质高分子材料制成，为最佳绝缘薄膜材料，绝缘薄膜9的厚度不超过0.1mm。

所述磁流变弹性体3的上、下端面分别粘接固定有上电极片4、下电极片5，使磁流变弹性体3的上下端面与上电极片4、下电极片5紧密相连，所述上电极片4、下电极片5中，其中一块为正极，另一块为负极；所述磁流变弹性体3内填充有软磁颗粒和微米级石墨颗粒，所述磁流变弹性体3在强磁场的环境下制备而成，所述软磁颗粒呈现链状或柱状排列，软磁颗粒呈链状或柱状结构列的轴线应与上、下电极片4、5表面垂直，所述磁流变弹性体3、上电极片4、下电极片5位于支座2-2的通孔中，下电极片5与基座2-1凸台上的绝缘薄膜9粘接固定，使磁流变弹性体3、上电极片4、下电极片5固定在底座2的凹腔2-3内，通过绝缘薄膜9起绝缘作用，避免了下电极片5与底座2之间的导电。

所述上电极片4、下电极片5上分别焊接有导线8，导线8穿过外壳1侧面的导线孔与位于外壳1外的信号调理模块10相连，上电极片4、下电极片5通过导线8与信号调理模块10相连，导线8通过外壳1的导线孔延伸到外壳外，不占用底座2的凹腔2-3面积，使磁流变弹性体3的面积更大；所述信号调理模块10为S1109型电位计式信号调理模块，信号调理模块10将接受到的通过导线输入的磁流变弹性体的电阻值变化转换为电压变化输出。所述信号调理模块10的输出端可以通过导线与信号处理模块相连，信号调理模块10输出的电压信号通过信号处理模块放大转换为数值信号，转换后的数值信号传递到显示模块，通过显示模块显示。或者信号调理模块10的输出端通过导线与其他电器设备相连。

所述压头6的上部设有一圈定位凸台6-1，压头6的直径比底座2的凹腔2-3直径略小，压头6设于外壳1腔内，压头6的上端从外壳1顶部的过孔伸出，压头6通过定位凸台6-1限位于外壳1腔顶，且与过孔滑动配合，压头6轴向移动，压头6的下端部套设有用于支撑压头6的支撑弹簧7，所述支撑弹簧7的下端抵在底座2的上端面(即支座2-2上)，支撑弹簧7的上端抵在压头6上设有的定位凸台6-1的下端面，压头6的下端间隙配合在底座2的凹腔2-3中，且与上电极片4接触，支撑弹簧7保证了压头6与磁流变弹性体3上端面的上电极片4接触，但不产生压力，使压头6与磁流变弹性体3上端面的上电极片4之间无间距，从而保证了测量数据的精确性。所述支座2-2的外侧壁与外壳1焊接固定，将下电极片5、磁流变弹性体3、上电极片4、支撑弹簧7封装在外壳1内。

进一步地：所述压头6的定位凸台6-1的上端面与外壳1之间设有橡胶垫圈11，所述橡胶垫圈11粘接在外壳1的腔顶，支撑弹簧7与橡胶垫圈11共同作用进一步抵消了压头6产生的重力。

进一步地：所述上电极片4、下电极片5和磁流变弹性体3与底座2的凹腔2-3内壁之间留有绝缘间隙，该绝缘间隙为1mm。该间隙进一步防止了上电极片4、下电极片5、磁流变弹性体3与底座2的绝缘。

本发明的工作原理：

磁流变弹性体3是由微米级别的软磁性材料(如拨基铁粉、镍粉等)均匀分散在高分子聚合物如硅橡胶中，在磁场作用下形成特定结构后固化制备而成。与磁流变液相比，磁流变弹性体3不但具有磁流变液所具备的诸多性能可控、可逆以及响应迅速、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等特点，还具有稳定性好、制备成本低等独特特点。磁流变弹性体3作为一种新型的智能材料,具有在一定条件下性能可控的特点，基于磁流变弹性体3压阻特性的灵敏性以及一定范围内的良好线性关系,通过对磁流变弹性体3导电机理的分析,得出磁流变弹性体3的导电机制是由导电通道理论和隧道电流理论两种载流子传导机制共同作用的结果,进而推导出磁流变弹性体压阻特性的理论模型，该模型表明磁流变弹性体3的电阻呈现明显的压力依赖性。通过磁流变弹性体的压阻特性实验显示，受轴向压力激励下,磁流变弹性体样品电阻呈数量级递减,体现出明显的压阻特性行为，得出磁流变弹性体灵敏度高。在制备磁流变弹性体的过程中，发现掺杂石墨颗粒可以有效提高其导电性，并在在压力的作用下，磁流变弹性体电阻值的变化更加明显，而且随着压力的连续作用，阻值同样呈现了连续的变化趋势，并且随着压力的撤消阻值也迅速恢复至没有施加压力的状态，具有良好的可逆性。根据本发明掺杂有石墨颗粒的磁流变弹性体的压阻特性原理,发明了本发明所述的压力传感器。

当压力传感器的压头6受到压力后，压头6受到的压力作用于磁流变弹性体3，所述磁流变弹性体3受压后自身电阻值将发生变化，使内部软磁颗粒及石墨颗粒间距变小，导电性增强，磁流变弹性体3上下两端的上、下电极片4、5的电阻减小。当受到静态力作用，磁流变弹性体3将产生稳定的应变，将会变化到另外一个稳定的阻值；当受到动态力值作用时，压头轴向移动挤压磁流变弹性体3，磁流变弹性体3的内部颗粒间距也将随着外力的不同，实时发生变化，同时产生变化的阻值，磁流变弹性体3上下两端的上电极片4和下电极片5通过导线与信号调理模块10相连，利用信号调理模块10将磁流变弹性体3的电阻值变化转换为电压变化输出，即可表征施加于传感器的静态与动态力值。压头6通过支撑弹簧7回位。

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，本发明也包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种基于磁流变材料的压力传感器，包括外壳（1），其特征在于：所述外壳（1）与一底座(2)固定连接，所述底座(2)的上端面设有用于安装磁流变弹性体(3)的凹腔（2-3），一磁流变弹性体(3)设于底座(2)的凹腔（2-3）内，所述磁流变弹性体(3)的上、下端面分别粘接有上电极片（4）、下电极片（5），所述底座凹腔的腔底粘接固定一绝缘薄膜(9)，所述磁流变弹性体(3)下端粘接的下电极片（5）与绝缘薄膜(9)粘接固定，所述上电极片（4）、下电极片（5）分别通过导线（8）与位于外壳（1）外的信号调理模块(10)相连；一压头(6)设于外壳（1）腔内，压头(6)的上端从外壳（1）上端设置的过孔伸出，且与过孔间隙配合，压头（6）的下端间隙配合在底座(2)的凹腔（2-3）中，与上电极片（4）接触，所述压头(6)上套设有用于支撑压头（6）的支撑弹簧（7），所述支撑弹簧（7）的下端抵在底座(2)的上端面，支撑弹簧（7）的上端抵在压头(6)上设有的定位凸台（6-1）的下端面，所述定位凸台（6-1）的上端面限位于外壳（1）腔顶，通过底座(2)与外壳（1）将下电极片（5）、磁流变弹性体(3)、上电极片（4）、支撑弹簧(7)封装在外壳（1）内。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述压头(6)的定位凸台(6-1)的上端面与外壳（1）之间设有橡胶垫圈（11），所述橡胶垫圈（11）粘接在外壳（1）的腔顶。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述定位凸台(6-1)位于压头(6)的上部。

4.根据权利要求1或2所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述外壳（1）呈圆柱体。

5.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述上电极片（4）、下电极片（5）和磁流变弹性体(3)与底座(2)的凹腔（2-3）内壁之间留有绝缘间隙，该绝缘间隙为1mm。

6.根据权利要求1或5所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述底座(2)由基座（2-1）和支座（2-2）构成，基座（2-1）的中部设有凸台，支座（2-2）上开设有与基座（2-1）的凸台相配合的通孔，支座（2-2）通过螺栓（12）固定在基座（2-1）上，使支座（2-2）的通孔形成底座(2)的凹腔（2-3），所述支座（2-2）的外侧壁与外壳（1）焊接固定。

7.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述磁流变弹性体(3)为在强磁场的环境下制备而成的磁流变弹性体(3)，该磁流变弹性体(3)内填充有软磁颗粒和微米级石墨颗粒，所述软磁颗粒呈现链状或柱状排列，软磁颗粒呈链状或柱状结构列的轴线应与上、下电极片表面垂直。

8.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述底座(2)、压头(6)和外壳(1)均采用不锈钢材料。

9.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述绝缘薄膜(9)的厚度不超过0.1mm。

10.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的压力传感器，其特征在于：所述信号调理模块（10）为S1109型电位计式信号调理模块。