CN108801503A - 用于监视装配式结构的健康状况的应力传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种应力传感器，包括膜板；布置在膜板的顶部上的第一接合区域；布置在第一接合区域的顶部上的盖板，第一接合区域将膜板接合到盖板；跨越膜板延伸、嵌入接合层中的三维压阻元件；以及跨过膜板延伸、被接合层包围并与接合层分离的平面压阻元件。

Description

用于监视装配式结构的健康状况的应力传感器
技术领域
本公开涉及用于监视诸如建筑、建筑物、基础设施等装配式结构的健康状态的应力传感器。因此，在不将本公开的范围限制为这种类型的结构和/或该材料的情况下，应具体参考混凝土建筑结构。本公开整体适用于在制造或生产时由液体或流体材料(例如，塑料)制造然后被硬化(为此，需要随时监视应力状态)的任何类型的结构或结构部分。
背景技术
众所周知，为了检测施工场地中所制造的结构的健康状态，检测其结构的机械强度是有用的。机械强度取决于许多因素。例如，对于道路交通路线上的结构(例如，隧道、立交桥等)，机械强度尤其取决于其(制造时的)初始强度、随着时间的推移取决于正常操作中负载的类型、任何异常应力、制造的环境条件、寿命期间的温度、湿度、结构年龄等。
此外，随着时间的推移，观察、监视和评估结构状况以尽可能地防止灾害、同时减少深入和昂贵检查的需求变得越来越重要。
现有的非破坏性评估(NDE)技术使用传感器，传感器被附接到待监视的结构并通过与其他变量(外力、倾斜、变形等)的相关性间接测量作用于所观察的构造上的应力。
但是，现有的传感器体积大、成本高、易出现相当大的误差。现有系统的附加缺点与以下事实有关，即，这样的系统具有小的覆盖面积并且需要复杂的信号处理，并且在一些情况下，传感器在所监视的结构上引起高的局部机械失真。
目前，这些传感器基于不同的物理原理，利用其光学或磁性性质。这些方法中的每一个都具有特定的优点和缺点。
例如，已提出使用应变仪和光纤设备。然而，应变仪价格昂贵、安装在外部、并且需要间接测量变形。因此这样的测量需要转化为张力，并且这需要大量简化，因此结果并不总是可靠的和精确的。光纤设备操作成本高且复杂。此外，光纤设备还需要间接测量变形。
即使在将这些传感器嵌入待监视的结构中的情况下，传感器也没有得到适当的保护，并且因此不会免于受到可能扭曲结果和/或缩短其使用寿命的湿度和其他因素的影响。
一般地，使用大规模应用于建筑物和土木工程结构的传感器的可能性将受益于能够满足以下特征的创新型分布式传感器的开发：高精度、高鲁棒性、低成本、高磁性抗扰度、定位简单、操作简单、与待监视的结构有最佳的表面粘附性、以及远程控制的可能性。
发明内容
本公开的一个或多个实施例针对装配式结构提供了克服现有技术中的缺点的应力传感器。
本公开的至少一个实施例提供了应力传感器，应力传感器包括：
膜板；
叠覆在膜板上的第一接合层；
叠覆在第一接合层上的盖板，第一接合层将膜板接合到盖板；
跨越膜板延伸并嵌入第一接合层中的三维压阻元件；以及
跨越膜板延伸的平面压阻元件，平面压阻元件被第一接合层横向包围并与第一接合层分离。
附图说明
以下参考纯粹作为非限制性示例提供的优选实施例以及附图来进一步描述本公开，其中：
图1是具有所去除的一些部分以及一些透明部分的本传感器的一个实施例的俯视图，
图2是沿图1中的截面线II-II截取的截面，
图3是沿图1中的截面线III-III截取的截面，
图4是沿图1中的截面线IV-IV截取的截面，
图5示出了图1-图4中的传感器的电气等同物，
图6A-图6E是组成图1-图5中的传感器的不同层的俯视图，
图7是示出使用条件下的作用力的本传感器的示意侧视图，
图8示出了包括本传感器的监视系统，
图9是具有所去除的一些部分以及一些透明部分的本传感器的另一实施例的俯视图，
图10是图9中的传感器沿截面线X-X截取的截面，
图11是图10中的传感器沿截面线XI-XI截取的截面，
图12示出了图8-图11中传感器的电气等同物，
图13是类似于图1中的视图的本传感器的不同实施例的简化视图，
图14是图13中的传感器沿截面线XIV-XIV截取的截面，
图15是本传感器的变型的透视图，该变型设置有用于嵌入待制造的结构中的支撑和耦合结构，
图16是图15中的传感器在建筑物结构的建造期间的透视图，
图17是与图1中的视图类似的、本传感器的另一实施例的简化视图，
图18是图17中的传感器沿截面线XVIII-XVIII截取的截面，
图19示出了用于图17和图18中的传感器的可能的支撑和耦合方法，
图20是与图1中的视图类似的、本传感器的另一实施例的简化视图，
图21是图20中的传感器沿截面线XX-XX截取的截面，
图22是与图1中的视图类似的、本传感器的另一实施例的简化视图，
图23是图22中的传感器沿截面线XXIII-XXIII截取的截面，
图24是图22中的传感器沿截面线XXIV-XXIV截取的截面，
图25示出了图22-图24中传感器的电气等同物。
具体实施方式
图1-图6示出了应力传感器1的第一实施例，应力传感器1被设计为嵌入在低温(小于300-350℃)下最初为流体的材料中，该材料在温度降低时变为固体和/或随时间变为固体。特别地，本文描述的传感器特别适合于嵌入大量混凝土中以用于建筑物构造(例如，建筑物基础设施)。
应力传感器1由层的堆叠构成，层的堆叠依次包括：以下称为基板2的第一外板2、第一接合层3、以下称为膜板4的中间板4、第二接合层5、以及以下称为盖板6的第二外板6。
在图1-图6所示的示例中，板2、4和6具有带有圆形基部和相等直径整体的圆柱形形状，并且其中心垂直地对齐并平行于笛卡尔坐标系XYZ的轴Z，由此传感器1具有圆形基部的整体大致圆柱形形状。第二板6和第二接合层5在一侧(在图1中向右，在图6D和图6E中也可见)具有切口30。切口30露出膜板4的圆形区段4A。因此，传感器1具有分别由基板2和盖板6形成的第一面和第二面(圆柱形的基部)1A和1B，其中第一面1A为圆形而第二面1B为钝化圆(blunted circle)。
基板和盖板2、6被用于将所测量的应力均匀地传递到膜板4。此外，所述板被配置为在不断裂的情况下，承受外部应力。在所示的实施例中，基板2和盖板6由陶瓷(通常是氧化铝)制成，并且相对较厚。膜板4优选可以在由基板和盖板2、6传递的应力下变形，但也足够坚固来承受所施加的任何载荷。所述板因此也由足够薄的陶瓷制成，以提供良好的灵敏度。所述板因此比基板2和盖板6薄得多。除了接合板2、4、6之外，接合层3、5被设计为将作用在基板2和盖板6上的应力传递到膜板4，并将容纳在传感器中的组件密封。所述层较薄并且因此由玻璃(例如，低熔点玻璃)制成。
传感器1的确切尺寸与预期应用有关。通常，传感器1的总厚度大约为基部1A、1B的直径的十分之一。特别地，对于所涉及(即，用于嵌入混凝土结构中)的应用，混凝土是包含可能引起局部应力峰值的不可忽略尺寸的颗粒(例如，沙子、空隙等)的不均匀材料，板2、4和6的直径可以在1mm至10cm之间(例如，2.5cm)，基板和盖板2、6的厚度可以在200μm至5mm之间(例如，1.2mm)，膜板4的厚度可以在5μm至2mm之间(例如，250μm)，并且接合层3和5的厚度可以在1μm至200μm之间(例如，50μm)。
膜板4具有检测电路10，检测电路10包括3D检测电阻器11-1、11-2(以下也称为3D检测电阻器11)、平面检测电阻器12-1、12-2(以下也统称为平面检测电阻器12)和参考电阻器13-1、13-2、13-3和13-4(以下也统称为参考电阻器13)。电阻器11-13经由线性导体17(图3)连接在一起并连接到焊盘16-1至16-8(下文也统称为焊盘16)，例如以形成两个电桥结构(如以下参考图5所描述的)。电阻器11-13全部是由厚膜技术制成的压电电阻器(例如，10-15μm厚的氧化钌)，并且线性导体17和焊盘16例如使用钯、银和铂的合金来制成。如下面详细解释的，除了焊盘16之外，检测电路10被第二接合层5覆盖，第二接合层5与第一接合层3一起将除焊盘16之外的检测电路10从外部密封并将施加在基板2和盖板6上的应力和力传递到膜板4并因此传递到电阻器11-13。焊盘16被布置在膜板4的圆形区段4A上，并且因此不被第二接合层5和盖板6覆盖。
特别地，如图1所示，其中已去除盖板6并且第二接合层5被示出为透明，使得可以看到检测电路10，电阻器11-13关于传感器1的两个相互垂直的直径线C、D(在图1中与截面线II-II和III-III重合)被对称地布置和/或制造。
具体地，关于第一直径线C彼此对称布置3D检测电阻器11-1、11-2。此外，所述电阻器中的每一个关于第二直径线D对称。3D检测电阻器11被布置在形成第二直径线D的两个对齐半径的两个中间区域中。如图1和图3的截面所示，所述电阻器完全嵌入在第二接合层5中，第二接合层5因此与3D检测电阻器11的侧表面和上表面直接接触。所述电阻器也经由其下表面与膜板4直接接触。
在这种情况下，平面检测电阻器12被布置在膜板4的中心区域中，关于第二直径线D对称，并且所述电阻器中的每一个关于第一直径线C对称。如图1-图3所示，平面检测电阻器12被布置在第二接合层5的中心孔20内部，因此第二接合层5横向地包围平面检测电阻器12并与之分离。平面检测电阻器12因此不与第二接合层5的材料接触。此外，第一接合层3的中心孔21与第二接合层5的中心孔20垂直(平行于轴线Z)对齐，并且经由中心孔20与膜板4(也参见分别是第一接合层3和第二接合层5的俯视图的图6B和图6D)分离。中心孔20、21是通孔并且穿过接合层3、5的整个厚度，但这不是必需的，将盖板6和基板2保持为与膜板4和平面检测电阻器12分离对于中心孔20、21而言是足够的。
关于第二直径线D成对对称地布置参考电阻器13，并且所述电阻器中的每一个关于第一直径线C对称地延伸。参考电阻器13-1、13-2布置在第一托架24-1上，并且参考电阻器13-3、13-4布置在第二托架24-2上。托架24-1、24-2由膜板4在关于第二直径线X的直径方向上相对布置的两个周边区域中形成(也参见示出了膜板4的俯视图的图6C，图6C未示出检测电路10)。托架24-1、24-2由C形贯穿沟槽25限定，C形贯穿沟槽25被布置为使得每个托架24-1、24-2利用其朝向膜板4的周边定向的一个侧面24A连接到膜板4的其余部分(具体参见图6C)。
特别地，托架24-1、24-2的两个侧面24A彼此对齐(平行于笛卡尔坐标系XYZ的轴线Y)，并被布置在膜板4的相同半部中(在所示的示例中为右半部分)。第一接合层3中的两个腔26(图4和图6B)和第二接合层5中的对应腔27(图4和图6D)彼此垂直对齐(平行于轴线Z)并且与贯穿沟槽25对齐。因此，在这种情况下作为通孔的腔26和27经由膜板4中的相应沟槽25连接在一起，并且将托架24-1、24-2和承载在其上的参考电阻器13从基板2和盖板6断开连接。因此，参考电阻器13的第一近似值不受在垂直于板2、4和6的方向上作用的垂直应力影响。此外，考虑到托架24-1、24-2仅在侧面24A处连接到膜板4，参考电阻器13的第一近似值也不受作用在膜板4上的平面应力的影响(或者至少比其他电阻器11、12更不敏感)。
在所示的示例性实施例中，在圆形区段4A上，焊盘16(在这种情况下为八个焊盘)在第二直径线D的同一侧彼此并排布置。如下面参考图8所述，电连接线32(图3)被焊接到焊盘16，以将检测电路10连接到外部处理及电源单元。如图3所示，焊盘16和电连接线32的端部被钝化块50(例如，环氧树脂)覆盖。
图5示出了由电阻器11-13形成的第一和第二惠斯通电桥35、36。
更具体地，3D检测电阻器11-1和11-2被布置在第一惠斯通电桥35的对角的相对侧上，第一惠斯通电桥35也包括被布置在另外两个对角的相对侧上的参考电阻器13-1和13-2。在这种情况下，第一惠斯通电桥35具有：连接到焊盘16-2、16-4的极化端子对，极化端子对被设计为接收极化电压VS1；以及连接到焊盘16-1、16-3的输出端子对，输出端子对被设计为提供输出电压V01。
此外，平面检测电阻器12-1和12-2被布置在第二惠斯通电桥36的对角的相对侧上，第二惠斯通电桥36也包括被布置在另外两个对角的相对侧上的参考电阻器13-3和13-4。在这种情况下，第二惠斯通电桥36具有：连接到焊盘16-6、16-8的极化端子对，极化端子对被设计为接收极化电压VS2；以及连接到焊盘16-5、16-7的输出端子对，输出端子对被设计为提供输出电压V02。极化电压VS1、VS2可以相同，在这种情况下，相应焊盘16-6、16-8可以与第一惠斯通电桥35的极化焊盘16-2、16-4重合，但是其分离布置使得两个惠斯通电桥35、36能够独立接触，因此两个惠斯通电桥35、36能够独立地操作。如下面参考图8所述，例如在连续信号处理阶段中存在单个模数转换器的情况下，两个惠斯通电桥35、36的顺序供电(经由独立极化电压VS1、VS2)也优化了功耗。
作为备选方案，只有惠斯通电桥35、36的参考端子连接在一起(如图5中虚线所示)并仅连接到焊盘16-4、16-8中的一个(从而节省了其中一个)。
当在使用中并且如图7中以简化方式所示，如果传感器1经受垂直于其外表面1A和1B的直接破碎力(由合力F1表示，下文中称为横向力)，则破碎发生在方向Z上，并且拉伸发生在平面XY上(该现象使用泊松比来建模)。类似地，如果传感器1经受沿外圆柱表面的压缩载荷(如图7中由合力F2所示，下文中称为平面力)，则传感器在平面XY中径向破碎，但在方向Z上膨胀。
力F1和F2因此导致Z方向上的轴向变形和XY平面中的径向变形。以已知的方式，这些变形导致压电电阻器11-13的电阻率变化，可以使用图5中的惠斯通电桥35、36来检测该变化。
特别地，3D检测电阻器11-1和11-2受到方向Z上的轴向变形以及XY平面中的径向变形的影响。由于与膜板4和接合层5在Z方向上的直接垂直接触以及与接合层5在X和Y方向上的直接横向接触，3D检测电阻器11-1和11-2感测在所有三个方向XYZ上的变形。这样的直接接触将XYZ方向上的力直接传递到3D检测电阻器11-1和11-2。被布置在托架24上并因此达到未受力F1和F2影响的第一近似值的参考电阻器13-1和13-2在这种情况下是零参考。因此，第一惠斯通电桥35的输出电压V01取决于图6中的力F1、F2的值。
相反地，平面检测电阻器12通过孔26、27与基板2和盖板6断开连接，并且因此仅在第一近似值上经受平面XY上作用于膜板4的平面变形。参考电阻器13-3和13-4(类似于第一惠斯通电桥35的参考电阻器13-1和13-2)充当零参考，并且因此第二惠斯通电桥36的输出电压V02近似地仅取决于平面XY中平面变形的值。
如下所述，适当地将由第一和第二惠斯通电桥35、36提供的信号组合使得能够生成与第一近似值成比例的、仅与横向力F1成比例的信号。
传感器1连接到图8中示意性示出的应力检测系统70，应力检测系统70广泛地包括获取单元71(例如，也被设计为嵌入在被监视结构中)和处理单元72(例如，位于被监视结构的外部)。获取单元71经由电连接线32连接到传感器1、向其供应电力(图5中的极化电压VS1、VS2)、并从第一和第二惠斯通电桥35、36接收输出电压V01、V02。外部单元72使用有线传输系统(例如，控制器区域网络(CAN)总线或RS485接口)或无线传输系统(例如，诸如射频识别(RFID)、低功耗蓝牙或Wi-Fi的无线电信号传输系统)连接到获取单元71，并且对所接收的信号s1、s2进行处理来确定关于被监视的结构的健康状况的信息。
例如，获取单元71可以包括功率级75、用于将从传感器1接收的信号放大并数字化的信号调节级76以及通信级77。在这种情况下，功率级75生成对级76和77进行操作的功率以及极化电压VS1、VS2；信号调节级76将输出电压V01、V02放大并将其转换为数字格式的数字信号s1、s2；并且通信级77将数字信号s1、s2串行化，并使用已知的通信协议将其发送到外部单元72。
外部单元72对从获取单元71接收的数字信号s1、s2进行处理。具体地，所述单元使用以下等式来确定作用在传感器1上的负载L：
L＝1/sens*(s1C-A s2C) (1)
其中s1C和s2C是温度补偿信号s1和s2，A是3D检测电阻器11和平面检测电阻器12之间的加权系数，加权系数取决于特定的几何形状，并且sens是传感器的灵敏度。
在(1)中，在传感器的校准阶段期间确定灵敏度值sens[mV/V/Mpa]和加权系数A。
如果检测电路10包括温度和偏移补偿电阻器(如下面参考图9所述)，则可以直接从电桥35、36获得信号s1C和s2C。备选地，可以由外部单元基于所测量或估计的温度信号T来计算这些值，如下：
s1C＝s1–(off1+TC1*(T-T0))
s2C＝s2–(off2+TC2*(T-T0))
其中T0是参考温度(例如，25℃)，off1和off2是两个电桥35、36在不具有负载并且在温度T0的情况下的输出信号，并且TC1和TC2是在温度变化时将偏移值相关的系数。通过对每个传感器执行出厂测试、例如在不具有负载的情况下并且在两个温度T0和T1下(例如，分别在25℃和85℃下)测量偏移来获得off1、off2、TC1和TC2的值。这产生以上示出的线性法则。可以使用更复杂的近似值(例如，二次或分段线性近似值)作为备选方案。
外部单元72然后可以基于所确定的负载值L来确定包含传感器1的结构的健康状态。
图9-图12是包含校准电阻器的传感器100的一个实施例的示意图。在传感器100中，使用100的附图标记指示与图1-图5中的实施例类似的组件。
更具体地，传感器100由基板102、第一接合层103、膜板104、第二接合层105和盖板106构成。板102、104和106类似于对应的板2、4、6，因此只描述了不同的部分。
在这种情况下，盖板106和第二接合层105具有两个切口，具体地是与传感器1的切口30相似的第一切口130和被定位为与第一切口130径向相对的第二切口131。因此，切口130、131显露膜板102的两个区域104A、104B(在这种情况下为圆形区段的形式)。
在这种情况下，膜板104还具有检测电路110，除了3D检测电阻器111-1、111-2之外，检测电路110包括：平面检测电阻器112-1、112-2和参考电阻器113-1、113-2、113-3和113-4；偏置校准电阻器114-1、114-2、114-3和114-4(下文中也统称为偏移校准电阻器114)以及温度校准电阻器115-1、115-2、115-3和115-4(在下文中也统称为温度校准电阻器115)。彼此连接并且连接到焊盘116的电阻器111-115是压电电阻器。除了焊盘116和校准电阻器114和115之外，检测电路110被第二接合层105包围，第二接合层105将其密封并且将施加在基板和盖板102、106上的应力和力传递到膜板104。
更具体地，与图1相比，3D检测电阻器111-1、111-2在这种情况下转过90°，但是在所有其他方面与检测电阻器11-1相同。具体地，所述电阻器被布置在膜板104的中心和周边之间的中间位置中，并且完全嵌入第二接合层105中(图11)。
在这种情况下，平面检测电阻器112也被布置在沿第二直径线D＇彼此对齐的膜板104的中心区域中。还是在这种情况下并且如图10和图11所示，第二接合层105的中心孔120包围平面检测电阻112并且与平面检测电阻112分离。第一接合层103的中心孔121与第二接合层105的中心孔120垂直对齐(平行于轴线Z)。
在这种情况下，参考电阻器13成对地布置在两个托架124上，这两个托架与图1中的托架24相比转过90°，并且具体地在径向方向上朝向膜板104的周边延伸。侧面124'在这种情况下平行于第二直径线D'。在这种情况下，托架124因此也由膜板104中的两个C形贯穿沟槽123限定并且被第一接合层103中的相应腔126和第二接合层105中的相应腔127包围。
偏移校准电阻器114关于第二直径线D＇对称地布置在膜板102的第二区域104B上。偏移校准电阻器114未被第二接合层105覆盖，并且因此在组装传感器100之后可用于校准，并且可以在传感器100的校准之后被钝化层151(例如，环氧树脂(图11))覆盖。
温度校准电阻器115也关于第二直径线D′对称地布置在膜板102的第二区域104B上。结果，温度校准电阻器115从盖板106断开连接。
在图9-图11中的传感器100中，每个3D检测电阻器111-1和111-2以及每个平面检测电阻器112-1、112-2被串联连接到相应的偏移校准电阻器114-1、114-2、114-3和114-4以及相应的温度校准电阻器115-1、115-2、115-3和115-4，从而以已知的方式补偿标称值的变化和温度的变化。
如图9所示，电阻器111-115彼此连接并如图12所示形成第一和第二惠斯通电桥135、136。
更具体地，如图12所示，惠斯通电桥135、136类似于图7中的惠斯通电桥35、36，具有以下特定特征：
如图7所示，第一惠斯通电桥135具有连接到相应焊盘116的极化端子对157、158，而不是连接到焊盘16-2的单个极化端子。第一极化端子157、158因此可以接收不同的第一极化电位V1、V2。这可以用于例如在校准阶段期间独立地监视第一惠斯通电桥135的电阻器的特性，
第一惠斯通电桥135与第二惠斯通电桥136共享参考端子159并连接到接地电压GND，
第一惠斯通电桥135的3D电阻器111-1经由校准电阻器114-1和115-1连接到输出端子160，第一惠斯通电桥135的参考电阻器113-1经由校准电阻器114-1和115-2连接到输出端子161，
第二惠斯通电桥136具有连接到相应焊盘116的极化端子对162、163，而不是单个极化端子。因此第一极化端子161、162可以接收不同的第一极化电位V3、V4，以监视第二惠斯通电桥136，并且
第二惠斯通电桥136的平面电阻器112-1经由校准电阻器114-3和115-3连接到输出端子164，第二惠斯通电桥136的参考电阻器113-3经由校准电阻器114-4、115-4连接到输出端子164。
图9-图12中的传感器100以与图1-图8中的传感器1相同的方式工作。此外，由于可以选择校准电阻器11-13的值并且使用校准电阻器14、15消除偏移效应和热效应，所述传感器更精确可靠。
图13和图14是传感器200的一个实施例的示意图，其中焊盘(此处使用附图标记216表示)居中布置。更具体地，在传感器200中，3D检测电阻器211-1和211-2、平面检测电阻器212-1、212-2和参考电阻器213-1、213-2、213-3和213-4均被布置在距传感器200的中心大致相同的距离处的环形区域(角度分布)中。
此外，在这种情况下，通过将两个电阻器串联连接而形成3D检测电阻器211-1、211-2和平面检测电阻器212-1、212-2。结果，与传感器1、100相比，每个检测电阻器211、212分布在更大的面积上，并且因此能够检测对隔离应力不太敏感的平均变形和平均应力。
此外，平面检测电阻器512-1、512-2中的每一个在这种情况下被布置在其自身的孔520-1、520-2中。
类似于传感器1、100，传感器200由在这种情况下使用附图标记202和206指示的基板和盖板(为了清楚起见，未在图13中示出盖板206)以及在这种情况下使用附图标记204指示的膜板组成，膜板接合在接合层203、205之间。通孔207在相对于传感器200的中心位置穿过盖板206和第二接合层205(图14)，以在接合板202、204、206之后能够接近焊盘216。线217焊接到焊盘216。在焊接线217之后，孔207可以填充有诸如树脂的绝缘和密封材料块253。
对于其余部分，传感器200与传感器100类似，因此3D检测传感器211、平面检测传感器212和参考传感器213被承载在膜板204上并被第二接合层205以与针对上述类似电阻器111-113相同的方式包围(接触或以其他方式)。图13具体示出了由膜板204形成并对应于图9中的沟槽125和托架124形成的沟槽225和托架224以及第二接合层205中的孔220。
传感器200还可以包括与图9-图10中的校准电阻器114、115类似的校准电阻器(未示出)。
图15示出了传感器300，在传感器300中，使用附图标记302、306指示的基板和盖板各自分别具有两个突片或突起308、309。如同基板302(仅示出一个)的突起308，盖板306的突起309在不同方向上延伸(例如，沿径向相对的方向延伸)。此外，与盖板306的突起309相比，基板302的突起308交错例如90°。
该布置有助于耦合到支撑结构(例如，由成对布置的两对相交杆381、382形成的框架380)，以限定基本上正方形的相交区域383。彼此间隔一定距离地布置每对杆381、382中的杆，该距离在稍大于传感器300的直径(不考虑突起308、309)并且小于传感器300的最大尺寸(考虑突起308或309)，传感器300可以通过将其插入交叉区域383中并将其扭曲以使得突起308、309与交叉区域383的边缘基本对齐而容易地耦合。将基板302的突起308定位于第一对杆中的杆(在这种情况下是杆381)的下方并且将第二板306的突起309定位于另一对杆中的杆(在这种情况下是杆382)的上方，以这种方式将传感器300转过45°，从而将传感器300稳固地耦合到杆381、382并且在建筑材料(例如，混凝土)浇注时将其保持就位。
如图16所示，框架380可以附接到待建造的构造的模架390。图16示出了在模架390的不同高度处的多个框架380。框架380中的每一个包括多个杆381、382，多个杆381、382被布置为形成多个相交区域383，相同数量的传感器300可以耦合到多个相交区域383。
图17和图18示出了圆形垫圈形状的传感器400。同样在这种情况下并且类似于图13、图14，包括3D检测电阻器411、平面检测电阻器412和参考电阻器413的所有电阻器均被布置在环内部，距离传感器400的中心基本相同的距离处(角度分布)。在这种情况下，类似于图1和图9，通孔407穿过板和接合层402-406，并且焊盘416周边地布置。传感器400还包括如图9周边布置的偏置校准传感器414。如图13所示，3D检测电阻器411和平面检测电阻器412被分开。
例如如图19所示，传感器400可以容易地附接到钢筋混凝土结构的框架。在这种情况下，传感器400滑动到杆495(例如，柱杆、梁杆或段杆)上。例如由金属制成并且也是垫圈形状的凸缘对496滑动到传感器400两侧上的杆495上(将其夹在中间)。可以通过销或弹性环497将下凸缘或两个凸缘496锁定在杆495上，从而将传感器400在杆495上的高度固定。
图20和图21示出了具有整体圆柱形形状的传感器500以及设置有第一和第二直径相对的突片508A、508B的圆形基部的简化视图。两个突片508A、508B从基板502、第一接合层503和膜板504形成。相反，盖板506和第二接合层505是钝化的或者在任何情况下都不具有突片508。焊盘516布置在第一突片508A上，并且校准电阻器514布置在第二突片508B上。这使得接触面积能够扩大，并且改进钝化块(这里使用附图标记550和551(图21)指示)所提供的密封质量。
从传感器500的第一面501A沿突片508A、508B与传感器500的圆柱形部分(图21)之间的边界在第一板502中形成凹陷对548。凹陷548可以是线性的(平行于轴线Y)或者围绕圆柱形部分的圆周弯曲，并且旨在将突片508A、508B从传感器500的其余部分断开连接，以防止将张应力传递至检测电阻器511、512。
在图20和图21中，类似于传感器400的电阻器411-413，3D检测电阻器511、平面检测电阻器512和参考电阻器513均被布置在环形区域内。在这种情况下，3D检测电阻器511是分布式的，具体而言，每个3D检测电阻器511由四个电阻部分构成，四个电阻部分成对串联连接在彼此并联连接的两个分支上，例如以分布在膜板504的有效区域上。
如图13所示，图15中的平面检测电阻器512-1、512-2各自被布置在其自身的孔520-1、512-2中，并且沿第二直径线D″在直径方向相对。
在这种情况下，膜板504还具有加热电阻器546，加热电阻器546以未详细示出的方式直接连接到接地的焊盘516并连接到合适的焊盘来提供温度信号。例如，可以使用具有正(或负)热系数的油墨(例如，使用与具有已知温度属性的热校准电阻器515相同的材料和工艺)来制作加热电阻器546。这使得传感器500能够提供图8中的外部单元72可以使用的温度信息，以根据(1)计算温度补偿信号s1、s2的值和/或监视包括传感器500的结构在使用时的健康状态。
图22-图25示出了具有大体上平行六面体形状的传感器600，该平行六面体形状具有大致矩形的基部和简化的物理结构。
更具体地，传感器600仅具有两个板(称为膜板604和盖板606)，两个板通过单个接合层605接合在一起。从上方(在平面XY中)观看时，板604、606为矩形并且由陶瓷制成。接合层605可以由玻璃制成。
在传感器600内部，膜板604比接合层605和盖板606更宽(在X方向上)，但是具有相同的长度，并且被布置为使得盖板606相对于膜板604同心布置。
结果，传感器600具有通过将板604、606和接合层605堆叠而形成的平行六面体中央区域607以及布置在中央区域607的两个相对侧上并且由单个膜板形成的两个突片608A、608B(图23)。第一突片608A承载焊盘616，并且第二突片608B承载校准电阻器614(由于下面列出的原因，在附图中，校准电阻器614被表示为一对，614-1和614-2)以及加热电阻器646。
在图22所示的实施例中，检测电路610包括两个适配电阻器637-1和637-2。更具体地，这里使用附图标记611表示的3D检测电阻器沿平行于轴线X的第一中线D″′进行布置，而这里使用附图标记612表示的平面检测电阻器沿平行于轴线Y的第二中线C″′进行布置。第一适配电阻器637-1串联连接到第一3D检测电阻器611-1，并且第二适配电阻器637-2串联连接到第二3D检测电阻器611-2。
虽然未示出，但是，3D检测电阻器611可以如图20所示分布，并且完全嵌入接合层605中。在完全穿过接合层605的专用孔620-1、620-2中各自制造平面检测电阻器612(见图24)。备选地，该电阻器可以被制造成靠近传感器600的中心(类似于图1)和/或与传感器600的中心分离(类似于图17)。适配电阻器637不是压电电阻器，而是例如由(薄膜)电阻油墨制成，(薄膜)电阻油墨完全嵌入接合层605中或第二突片608B中或接合层605中的适当孔中。作为前述的备选方案，适配电阻器637可以与两个校准电阻器614-1一致。在这种情况下，校准电阻器614-1的电阻(静止时)与校准电阻器614-2不同，具体是后者的电阻加上适配电阻器637的电阻。在这种情况下，检测电路具有两个补偿分支，每个补偿分支串联连接到两个3D检测电阻器611中的相应一个。
图22-图24中的传感器600利用了这样的事实：由参考电阻器13(以及类似的参考电阻器113、213、413、513)引入的参考分量在第一惠斯通电桥35的输出电压V01以及第二惠斯通电桥36的输出电压V02下相等，并且因此如上所述在外部单元72执行的处理中抵消了该参考分量。因此，在理想条件下，输出电压V01、V02不需要被称为零值，并且因此可以消除这样的参考，随后无法根据应用计算平面力F2并且灵活地适配3D电阻器和平面电阻器之间的相对灵敏度。
如图25所示，在传感器600中，使用具有作为惠斯通桥式电路610连接的适当值(如下所述)的适配电阻器637来将3D检测电阻器611和平面检测传感器612之间的灵敏度进行适配。
在该实施例中，压电电阻器611、612的值被选择为使得电路610的输出仍然提供垂直作用在传感器600上的负载值(力)。具体参考图25，示出了传感器600的等效布线示意图，其中未示出校准电阻器。然而，对于传感器100的第一和第二惠斯通电桥35、36，可以如图12所示包括所述传感器。
具体而言，对于电路610，使用诸如以下规则，输出Vo优选地与压电电阻器611、612的电阻变化相关联：
Vo＝k(B*ΔR3D–ΔRPL) (2)
其中ΔR3D和ΔRPL是3D检测电阻器611和平面检测电阻器612的电阻变化。
具体地：
R1是第一平面检测电阻器612-1的电阻，
R2是第一3D检测电阻器611-1的电阻，
R3是第二平面检测电阻器612-2的电阻，
R4是第二3D检测电阻器611-2的电阻，
Ra2是第一适配电阻器637-1的电阻，以及
Ra4是第二适配电阻器637-2的电阻，
其中：
R1＝R10+ΔR1，R2＝R20+ΔR2，R3＝R30+ΔR3，R4＝R40+ΔR4 (3)
其中Ri0是第i个静止电阻(无应力)的值，并且ΔRi是由应力引起的第i个电阻的变化，
并且选择静止电阻值，使得：
R10＝R20+Ra2＝R30＝R40+Ra4 (4)
电桥610的输出电压V0为：
考虑(3)和(4)，(5)，得到：
在作用于传感器600的外力存在的情况下，破碎的3D检测电阻器611的电阻倾向于下降，并且布置在孔620中的平面电阻器612的电阻倾向于增加。因此，对于第一近似值，ΔR1≈-ΔR2并且ΔR3≈-ΔR4。此外，电阻变化值Ri比R10小得多并且可以忽略。
因此(6)变为：
为了确定适配电阻的值(或计算期望适配的值，在(2)中，因数B<1)，如下重写(7)，根据定义，每个电阻变化ΔRi＝ΔρiRi0，其中电阻率变化由压阻效应引起：
Vo≈k(Δρ4R40-Δρ1R10) (7′)
其中
令(8′)等于(3),给出：
ΔR4＝Δρ4R40＝BΔR3D
考虑到：
∧R3D＝∧ρ3D R3DO
ΔρaD-Δρ4
并且(为了建立给出(3)的假设电桥)：
RaD0＝RPL0＝R10,
给出：
Δρ4R40＝BΔρ4R10
并且因此：
R40＝RR10RRα4＝R10-R40
本文所描述的传感器提供了许多优点。
由于使用简单并且在半导体工业中大规模应用的已知的制造技术，本文所描述的传感器可以由廉价材料制成(例如，陶瓷、玻璃和厚膜组件)，从而降低了制造成本。此外，传感器具有配置简单、易于接合的有限数量的组件。
所描述的传感器的灵敏部分受到保护以抵抗外部因素(特别是水和湿度)。特别是，一个或多个接合层是保证密封的层是有利的。事实上，传感器本质上是密封的并且保证灵敏元件(压电电阻器)免受外部环境的影响。也可以保护焊盘和电缆免受水和湿度的影响，因此传感器能够在诸如混凝土建筑结构的恶劣环境中长时间可靠工作。
在力/压力的宽范围内，传感器的响应与所施加的负载线性相关。
可以对传感器进行缩放来增加或减小整体尺寸，以对特定应用和/或待测量的力/压力进行优化。
由于不同材料(陶瓷、玻璃)的特征有些类似，传感器也适用于温度变化较大的应用，在机械完整性和温度灵敏度方面，传感器都相当稳定。
在完整的双电桥配置中，传感器能够提供有关在所有三个笛卡尔方向上作用的应力的信息。特别地，所描述的传感器能够将平面应力(由图7中的平面力F2表示)与垂直应力(由横向力F2表示)断开连接，并且因此获取用于确定所监视的结构的健康状态的信息。
传感器具有良好的灵敏度，可以进行校准和温度补偿，因此精确。
很显然，可以在不超出本公开的保护范围的情况下，对所描述和示出的传感器进行修改和变化。例如，可以将所描述的不同实施例进行组合来提供进一步的解决方案。特别地，可以以不同的方式改变并组合板的数量、板的形状和压电电阻器的位置，例如，接合层中的孔的形状和位置可以包围电阻器。
传感器可以是任何形状。
只要其防止与接合层接触，用于安装平面电阻器的孔不必是通孔。
传感器的突片可以如图15所示交错，包括在仅具有两个板(膜板和盖板)的实施例中。
上述各种实施例可以被组合来提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对这些实施例做出这些改变和其他改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中所公开的具体实施例，而是应被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求所要求保护的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (24)

1.一种应力传感器，包括：
膜板；
叠覆在所述膜板上的第一接合层；
叠覆在所述第一接合层上的盖板，所述第一接合层将所述膜板接合到所述盖板；
三维压阻元件，跨越所述膜板延伸并嵌入所述第一接合层中；以及
跨越所述膜板延伸的平面压阻元件，所述平面压阻元件被所述第一接合层横向包围并与所述第一接合层分离。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一接合层包括至少一个通孔，所述至少一个通孔横向地包围所述平面压阻元件并且与所述平面压阻元件分离。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述三维压阻元件包括第一对压电电阻器，并且所述平面压阻元件包括第二对压电电阻器，每对压电电阻器中的压电电阻器被布置在桥式电路的相对分支上。
4.根据权利要求1所述的传感器，还包括：
第二接合层；以及
经由所述第二接合层接合到所述膜板的基板。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述盖板、所述膜板和所述基板包括陶瓷材料，并且所述第一接合层和所述第二接合层各自包括玻璃层。
6.根据权利要求4所述的传感器，其中所述膜板具有朝向所述盖板定向的面，所述三维压阻元件和所述平面压阻元件跨越所述膜板的所述面延伸。
7.根据权利要求6所述的传感器，还包括跨越所述膜板的所述面延伸的参考压阻元件。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中：
所述膜板包括托架，所述托架由延伸穿过所述膜板并且各自具有开放形状的相应沟槽横向包围；
所述第一接合层具有延伸穿过所述第一接合层的第一孔，所述第一孔分别与所述托架对齐；
所述第二接合层具有延伸穿过所述第二接合层的第二孔，所述第二孔分别与所述托架对齐，并且
所述参考压阻元件分别布置在所述托架上。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述三维压阻元件包括第一对压电电阻器，所述平面压阻元件包括第二对压电电阻器，并且所述参考压阻元件包括第三对压电电阻器和第四对压电电阻器，所述传感器还包括：
第一桥式电路，具有包括所述第一对压电电阻器中的所述压电电阻器的第一相对分支、以及包括所述第三对压电电阻器中的所述压电电阻器的第二相对分支；
第二桥式电路，具有包括所述第二对压电电阻器中的所述压电电阻器的第三相对分支、以及包括所述第四对压电电阻器中的所述压电电阻器的第四相对分支。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中所述膜板包括周边区域，并且所述盖板和所述第一接合层具有相应的切口区域，在所述切口区域中，所述膜板的所述周边区域未被所述盖板和第一接合区域覆盖，所述传感器还包括：
第一外部接入端子，被电耦合到所述第一桥式电路并且被布置在所述膜板上的所述周边区域上；以及
第二外部接入端子，被电耦合到所述第二桥式电路并且被布置在所述膜板上的所述周边区域上。
11.根据权利要求10所述的传感器，还包括覆盖所述膜板的所述周边区域的密封块。
12.根据权利要求9所述的传感器，其中所述膜板包括中心区域，并且所述盖板和所述第一接合层具有相应通孔，在所述相应通孔中，所述膜板的所述中心区域未被所述盖板和第一接合区域覆盖，所述传感器还包括：
第一外部接入端子，被电耦合到所述第一桥式电路并且被布置在所述膜板的所述中心区域中；以及
第二外部接入端子，被电耦合到所述第二桥式电路并且被布置在所述膜板的所述中心区域中。
13.根据权利要求4所述的传感器，其中所述第二接合区域具有围绕所述平面压阻元件的第二通孔。
14.根据权利要求1所述的传感器，其中所述膜板包括周边区域，并且所述盖板和所述第一接合层具有相应的切口区域，在所述切口区域中，所述膜板的所述周边区域未被所述盖板和第一接合区域覆盖，所述传感器还包括：
压阻校准元件，被串联连接到每个三维压阻元件和每个平面压阻元件，所述压阻校准元件被布置在所述膜板的所述周边区域上。
15.根据权利要求14所述的传感器，还包括覆盖所述膜板的所述周边区域的保护块。
16.根据权利要求14所述的传感器，还包括在所述膜板上承载的温度校准电阻器，每个温度校准电阻器被串联连接到所述压阻校准元件中的相应的一个压阻校准元件。
17.根据权利要求1所述的传感器，还包括：
外部端子；以及
在所述膜板上承载并连接到所述传感器的所述外部端子的温度测量电阻器，所述温度测量电阻器被所述第一接合层围绕并与所述第一接合层分离。
18.根据权利要求1所述的传感器，具有中央通孔，所述中央通孔完全延伸穿过所述膜板、所述第一接合层和所述盖板。
19.根据权利要求1所述的传感器，还包括：
耦合到所述膜板的基板；
从所述基板向外延伸的第一对突片；以及
从所述盖板向外延伸的第二对突片，所述第二对突片被布置在与所述第一对突片不同的高度处，并且相对于所述第一对突片成角度地交错。
20.一种负载检测系统，包括：
应力传感器，包括：
膜板；
叠覆在所述膜板上的第一接合层；
叠覆在所述第一接合层上的盖板，所述第一接合层将所述膜板接合到所述盖板；
三维压阻元件，跨越所述膜板延伸并嵌入所述第一接合层中；以及
跨越所述膜板延伸的平面压阻元件，所述平面压阻元件被所述第一接合层横向包围并与所述第一接合层分离；
信号处理单元；
将所述传感器电连接到所述信号处理单元的有线连接；
通信路径；以及
通过通信路径耦合到所述信号处理单元的处理单元。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述通信路径包括无线发射器和接收器元件。
22.一种应力传感器，包括：
支撑结构；
定位在所述支撑结构上的第一接口层；
三维压阻元件，所述三维压阻元件被定位在所述支撑结构上并嵌入所述第一接口层中，使得所述第一接口层沿彼此相互垂直的三个轴线与所述三维压阻元件接触；以及
定位在所述支撑结构上的平面压阻元件，所述平面压阻元件被定位在所述第一接口层中形成的腔内并与所述腔的壁横向间隔开。
23.根据权利要求22所述的传感器，还包括：
定位于所述第一接口层上的盖板，所述第一接口层将所述支撑结构耦合到所述盖板；
第二接口层；以及
经由所述第二接口层耦合到所述支撑结构的基板。
24.根据权利要求22所述的传感器，其中：
所述支撑结构包括托架，所述托架由延伸穿过所述支撑结构并具有开放形状的沟槽横向包围；并且
所述第一接口层具有延伸穿过所述第一接口层的第一孔，所述第一孔与所述托架对齐，所述传感器还包括：
定位在所述托架上并与所述第一接口层间隔开的参考压阻元件。
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