CN109115379A - 压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力传感器，该压力传感器包括承压盘和压力应变片，承压盘采用弹性绝缘材料制成，并且具有相对设置的承压面和支撑面，支撑面向内凹陷形成有用于容置压力应变片的容置槽，压力应变片贴合设置于容置槽的底面，容置槽的深度大于压力应变片的厚度。本发明的承压盘采用弹性绝缘材料制成，压力应变片位于该承压盘的容置槽中，容置槽的深度大于压力应变片的厚度，当压力传感器收到压力冲击时，承压盘能够率先接收压力冲击并产生形变，减小其内部的压力应变片所承受的冲击，从而起到缓冲作用，降低了对压力应变片的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及压力检测设备领域，具体涉及一种压力传感器。
背景技术
近年来，可穿戴电子设备发展快速，成为下一代电子产品开发的重要趋势。作为可穿戴电子设备的重要分支，可穿戴压力传感器应具有一定高灵敏度、快速响应性、高耐久性等特点以实现其可穿戴的特性以及其在个体医疗、运动检测、人机互动、虚拟现实娱乐技术等方面的广阔应用。
目前常见的压力传感器一般采用金属或陶瓷材料的压力应变片直接贴置于待检测物体上，然后将该压力应变片与外部检测设备连接，外部检测设备向压力应变片施加电压并检测该压力应变片因形变产生的电压变化值，直接裸露的压力应变片受到被测物体的反复施压后，很容易产生永久性损伤，以致该压力传感器使用寿命很短。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种压力传感器，旨在解决现有的压力传感器抗压性较差以致寿命较短的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种压力传感器，该压力传感器包括承压盘和压力应变片，所述承压盘采用弹性绝缘材料制成，并且具有相对设置的承压面和支撑面，所述支撑面向内凹陷形成有用于容置所述压力应变片的容置槽，所述压力应变片贴合设置于所述容置槽的底面，所述容置槽的深度大于所述压力应变片的厚度。
优选地，所述容置槽的底面上设有将所述压力应变片圈在内部的间隔圈，所述间隔圈与所述压力应变片的周向边沿、所述容置槽的周向侧壁之间均存在间隔空间，所述间隔圈在所述容置槽的底面上凸起的高度大于所述压力应变片的厚度，且小于所述容置槽的深度。
优选地，压力传感器还包括设置在所述支撑面上的检测电路板，所述检测电路板与所述压力应变片电连接。
优选地，所述承压盘还包括外突于所述支撑面设置的外包边，所述外包边沿所述承压盘的周边设置，所述外包边的端部朝向所述承压盘的中心方向延伸形成有内勾结构；所述压力传感器还包括设置在所述检测电路板的外侧面上的封装胶层，所述检测电路板和封装胶层的周边嵌入所述内勾结构与所述支撑面之间所形成的腔体中。
优选地，所述承压盘的周侧上设置有导线固定部，所述导线固定部上设有贯穿所述承压盘的侧壁的开槽。
优选地，所述承压面上设置有若干定位柱。
优选地，所述承压盘采用硅胶材料制成。
优选地，所述压力应变片包括弹性基材和掺杂在所述弹性基材中的导电颗粒。
优选地，所述弹性基材为平薄硅胶层，所述导电颗粒由碳材料形成。
本发明的承压盘采用弹性绝缘材料制成，压力应变片位于该承压盘的容置槽中，当压力传感器收到压力冲击时，承压盘能够率先接收压力冲击并产生形变，减小其内部的压力应变片所承受的冲击，从而起到缓冲作用，降低了对压力应变片的损伤。同时，容置槽的深度大于压力应变片的厚度，因此当压力传感器接收外部压力时，垂直于承压面的压力首先令承压盘发生形变，承压盘的厚度变小、容置槽的深度变浅达到压力应变片厚度后，压力应变片才随之受压产生形变，因此承压盘的外形结构能够进一步减缓施加在压力传感器上的冲压力，从而对压力应变片起到保护作用，提升了压力传感器的整体抗压性能，延长压力传感器的使用寿命。
附图说明
图1为本发明一实施例中压力传感器的剖面图；
图2为本发明又一实施例中压力传感器的剖面图；
图3为本发明又一实施例中压力传感器的剖面图；
图4为本发明又一实施例中压力传感器的剖面图；
图5为本发明又一实施例中压力传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明提出一种压力传感器，该压力传感器包括承压盘10和压力应变片20，承压盘10采用弹性绝缘材料制成，并且具有相对设置的承压面12和支撑面11，支撑面11向内凹陷形成有用于容置压力应变片20的容置槽13，压力应变片20贴合设置于容置槽13的底面，容置槽13的深度大于压力应变片20的厚度。
本实施例中，承压盘10为扁平板状结构，可弯折和卷曲，承压盘10的相对两侧分别为承压面12和支撑面11，比如：该压力传感器安装于鞋底，则承压盘10的承压面12为朝上一侧，以接收来自上方的压力，支撑面11为朝下的一侧，以支撑承压盘10和压力应变片20，支撑面11也用于将压力传感器安装于固定物上。压力应变片20可采用电阻应变片、金属应变片、陶瓷应变片等，本实施例中优选电阻应变片，压力应变片20通过导线与外部检测设备连接，依靠外部检测设备向压力应变片20通入电压，以及获取压力应变片20形变时的电压变化值。以电阻应变片为例，当压力传感器接收来自承压面12一侧的外部压力时，先是承压盘10受力发生形变，电阻应变片受承压盘10施加的压力产生形变，使电阻应变片的阻值发生改变，从而使加载在电阻应变片上的电压发生变化，外部检测设备获得该电压值变化并通过放大和计算转换为压力值。
本实施例中，首先对承压盘10进行一次挤压成型，将已经成型的压力应变片20置于容置槽13底部，再对二者进行二次挤压成型，以将压力应变片20与承压盘10贴合固定。由于承压盘10采用弹性绝缘材料制成，比如硅胶、橡胶等，且压力应变片20位于该承压盘10的容置槽13中，因此当压力传感器收到压力冲击时，承压盘10能够率先接收压力冲击并产生形变，减小其内部的压力应变片20所承受的冲击，从而起到缓冲作用，降低了对压力应变片20的损伤，从而增加了整个压力传感器的耐压性能。本实施例中，除承压盘10外，压力应变片20也优选柔性材料，使得压力传感器具有较好的柔性，增加整体的抗压耐弯折性能。
本实施例中，由于容置槽13的深度大于压力应变片20的厚度，因此当压力传感器接收外部压力时，垂直于承压面12的压力首先令承压盘10发生形变，承压盘10的厚度变小、容置槽13的深度变浅达到压力应变片20厚度后，压力应变片20才随之受压产生形变，因此承压盘10的外形结构能够进一步减缓施加在压力传感器上的冲压力，从而对压力应变片20起到保护作用，提升了压力传感器的整体抗压性能。
作为优选，容置槽13的侧壁与压力应变片20之间存在间隙，因此，当压力传感器接收来自外界的压力时，压力应变片20只受到垂直于承压面12的压力，但不会受到容置槽13侧壁对压力应变片20的周向产生的挤压，从而可以保证压力应变片20只检测垂直于该压力应变片20方向上的压力，因此使得压力传感器所检测的压力方向明确，保证数据的准确性。
实施例二
在实施例一的基础上，如图2所示，容置槽13的底面上设有将压力应变片20圈在内部的间隔圈30，间隔圈30与压力应变片20的周向边沿、容置槽13的周向侧壁之间均存在间隔空间，间隔圈30在容置槽13的底面上凸起的高度大于压力应变片20的厚度，且小于容置槽13的深度。
首先，容置槽13深度、容置槽13内的间隔圈30凸起高度和压力应变片20的厚度依次递减，在外力施压时，位于容置槽13外围的承压盘10、间隔圈30和压力应变片20依次产生形变，形成阶梯式的缓冲，从而加强对压力应变片20的保护，进一步提升了压力传感器的抗压性能。
压力传感器的支撑面11与固定物进行安装，较佳的做法是，支撑面11与固定物之间密封连接，因此，容置槽13内的空间密闭。当压力传感器被压缩到一定程度时，压力应变片20本身的形变量较小，其具备的恢复能力较小，容易产生“压实”现象，影响压力传感器的后续使用。由于承压盘10、间隔圈30和压力应变片20厚度依次递减，间隔圈30与支撑面11之间存在一定距离；且间隔圈30与容置槽13的周向侧壁之间、间隔圈30与压力应变片20的周向边沿之间分别存在间隔空间。当承压盘10下压时，间隔圈30与压力应变片20之间的间隔空间中的空气被挤压，经间隔圈30与支撑面11(固定物)之间的空隙中进入间隔圈30与容置槽13的周向侧壁之间的间隔空间中，使后者空间内的压强增大。当承压盘10上方的压力撤销之后，间隔圈30与容置槽13的周向侧壁之间的间隔空间内的空气所产生的反弹力，类似在容置槽13中设置了若干个小弹簧，令容置槽13上下两侧的承压盘10迅速分离，容置槽13内的空间迅速恢复原状，从而避免“压实”现象。作为优选，间隔圈30与承压盘10采用一体成型结构。
实施例三
在实施例一或实施例二的基础上，如图3和图4所示，压力传感器还包括设置在支撑面11上的检测电路板60，检测电路板60与压力应变片20电连接。
检测电路板60包含绝缘衬底以及设置在绝缘衬底朝向压力应变片20一侧表面上的电路，压力应变片20相当于电介质。当压力应变片20承压后下压至与检测电路板60接触时，电路与压力应变片20构成应变电桥通路，由于压力应变片20的压阻效应，压力应变片20在厚度变化中应变电桥将产生随之变化的电压信号，并通过导线传递至外部检测设备，以读取相应的压力值。
检测电路板60中的电路位于绝缘衬底的中央，检测电路板60与支撑面11连接后，该电路位于容置槽13内，位于电路外围的绝缘衬底与支撑面11上的承压盘10固定，防止承压盘10承压时对电路产生破坏。绝缘衬底可采用氧化铝陶瓷材料。
实施例四
在实施例三基础上，如图4和图5所示，承压盘10还包括外突于支撑面11设置的外包边40，外包边40沿承压盘10的周边设置，外包边40的端部朝向承压盘10的中心方向延伸形成有内勾结构；压力传感器还包括设置在检测电路板60的外侧面上的封装胶层70，检测电路板60和封装胶层70的周边嵌入内勾结构与支撑面11之间所形成的腔体中。
本实施例中，检测电路板60上的电路位于容置槽13内，绝缘衬底的边缘部分与位于容置槽13周边的承压盘10的支撑面11抵接，封装胶层70与外包边40之间的配合将检测电路板60封装于外包边40内，使容置槽13内的空间密封。封装胶层70在灌装时，胶液为液体状，外包边40的设置起到容器的作用，限制胶液外溢。检测电路板60与外部检测设备之间通过导线电连接，导线从检测电路板60的外侧面穿过，并与绝缘衬底上电路连接，位于外包边40内腔中的导线固定于封装胶层70中，以防止该导线移动。
实施例五
在实施例一至实施例四中任意一实施例的基础上，如图5所示，承压盘10的周侧上设置有导线固定部80，导线固定部80上设有贯穿承压盘10的侧壁的开槽81。
本实施例包含两种情况：其一，承压盘10的支撑面11上未设有外包边40时，导线固定部80位于承压盘10的周侧，承压盘10上开设有用于供连接压力应变片20与外部检测设备的导线穿过的过孔，导线固定部80上设有与该过孔连通的开槽81，从压力应变片20上引出的导线依次经过该过孔和开槽81穿出至承压盘10外。作为优选，导线固定部80一侧端面与支撑面11平齐以形成平整的面，便于压力传感器的安装。开槽81设置于导线固定部80上除导线固定部80与支撑面11平齐的端面、导线固定部80与承压盘10的连接侧以外的其他四侧中的任意一侧，避免导线的穿过影响压力传感器的安装。其二，承压盘10上设有外包边40，可在外包边40与承压盘10的支撑面11之间形成的腔体与导线固定部80的连接处开设过孔，同样的，导线固定部80的开槽81与该过孔连通，从压力应变片20上引出的导线依次经过该过孔和开槽81穿出。作为优选，导线固定部80一侧端面与外包边40的外侧面平齐以形成平整的面，便于压力传感器的安装。
实施例六
在实施例一至实施例五中任意一实施例的基础上，如图5所示，承压面12上设置有若干定位柱50。承压盘10上的定位柱50凸起于承压面12，目的在于将该压力传感器固定于待测物体上，这里的待测物体可以是鞋垫、穿戴设备等。
实施例七
在实施例一至实施例六中任意一实施例的基础上，承压盘10采用硅胶材料制成。
本实施例中，硅胶材料具有很好的柔性和弹性，压力传感器受压时，硅胶材料制成的承压盘10能够给予压力应变片20更好的缓冲和保护，因此本压力传感器具有更优的抗压性能，使用寿命较长。且硅胶具有很好的生物相容性，本压力传感器可无害的直接贴于人体皮肤。
实施例八
在实施例一至实施例七中任意一实施例的基础上，压力应变片20包括弹性基材和掺杂在弹性基材中的导电颗粒。
其中，导电颗粒均匀分布在弹性基材中，弹性基材可以是硅胶、橡胶等具有一定柔性的绝缘材料。当弹性基材受到压力时，弹性材料分子组成的分子链在压力方向上发生移动，使得掺杂在弹性基材中的导电颗粒间距减小，因此压力应变片20的电阻减小。由导电颗粒和弹性基材混合而成的压力应变片20兼具柔性和测压性能，结合承压盘10的结构和材料，本实施例中的压力传感器具有更优的抗压、耐弯折性能，因此具有更长的使用寿命，而且由于本压力传感器具有柔性本质，因此其能够适应多种工作环境，比如用于鞋底、体表、握力计等，因而扩大了压力传感器的应用范围。
实施例九
在实施例一至实施例八中任意一实施例的基础上，弹性基材为平薄硅胶层，导电颗粒由碳材料形成。
本实施例中，碳粉颗粒均匀分布在硅胶层中，当硅胶层受到压力时，硅胶分子链在平行于压力方向上发生移动，使得掺杂在硅胶层中的碳粉颗粒间距减小，因此压力应变片20的电阻减小，与压力应变片20连接的外部检测设备检测到施加在该压力应变片20上的电压变化即可获取压力值。在同一外部压力和弯折强度的情况下，本实施例中的压力应变片20相比现有技术中的压力应变片的厚度能够做的更薄，令压力传感器的整体厚度降低，由于其占用空间更小，因此本压力传感器能够更适用于待测压位置空间狭小的情况，从而增大压力传感器的适用范围。
碳和硅胶的质量比优选可在2％至60％之间。经反复试验，该比例下的碳和硅胶所构成的压力应变片20，其抗压和耐弯折能力相对较高，单位面积可承受的压力可达到10kgf/平方厘米，厚度不超过5毫米，同时能够耐50余万次的90度弯折试验，更适用于承受频繁施压且压力较大的环境中，比如安装于鞋垫中。
需要说明，以上的仅本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。
Claims (9)
1.一种压力传感器，其特征在于，包括承压盘和压力应变片，所述承压盘采用弹性绝缘材料制成，并且具有相对设置的承压面和支撑面，所述支撑面向内凹陷形成有用于容置所述压力应变片的容置槽，所述压力应变片贴合设置于所述容置槽的底面，所述容置槽的深度大于所述压力应变片的厚度。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述容置槽的底面上设有将所述压力应变片圈在内部的间隔圈，所述间隔圈与所述压力应变片的周向边沿、所述容置槽的周向侧壁之间均存在间隔空间，所述间隔圈在所述容置槽的底面上凸起的高度大于所述压力应变片的厚度，且小于所述容置槽的深度。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括设置在所述支撑面上的检测电路板，所述检测电路板与所述压力应变片电连接。
4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述承压盘还包括外突于所述支撑面设置的外包边，所述外包边沿所述承压盘的周边设置，所述外包边的端部朝向所述承压盘的中心方向延伸形成有内勾结构；所述压力传感器还包括设置在所述检测电路板的外侧面上的封装胶层，所述检测电路板和封装胶层的周边嵌入所述内勾结构与所述支撑面之间所形成的腔体中。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的压力传感器，其特征在于，所述承压盘的周侧上设置有导线固定部，所述导线固定部上设有贯穿所述承压盘的侧壁的开槽。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述承压面上设置有若干定位柱。
7.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述承压盘采用硅胶材料制成。
8.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压力应变片包括弹性基材和掺杂在所述弹性基材中的导电颗粒。
9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性基材为平薄硅胶层，所述导电颗粒由碳材料形成。
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