CN110333013A - 一种嵌入式应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式应力传感器，该发明包括由微型天线检测组件、传感器外壳、阻抗测量与应力转换组件以及数据输出终端等组成。由于天线的特性参数易受结构参数数等产生的影响，因此在灵敏度较高的天线受到应力时，由于压力作用将导致天线的结构参数发生变化，通过测量天线的特性参数(输入阻抗Z_in)来判断天线的结构参数发生变化大小，根据结构变化的大小来判断应力的大小。

Description

一种嵌入式应力传感器

技术领域

本发明涉及一种嵌入式应力传感器及检测方法，属工业生产过程 检测研究领域。

背景技术

随着科技的不断进步，在工业生产过程中传感器作为一种必备装 置。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，包括温度、声 音、湿度和光线等。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、 多功能化、系统化、网络化。通过将物理信息转化成为人们熟知的电 信号来进行信息的传输处理，通过传感器，可以实现对信息的传输、 处理、存储和控制等操作。

在众多传感器类型中，应力传感器具有不可替代的作用，被广泛 运用于工业生产以及生活应用中。按弹性敏感元件结构的不同,应力 传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合式4种。应变 管式：弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被 测系统连接。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到 应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。应变管式压力传感器 的结构简单、制造方便、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压 力测量方面有广泛应用。膜片式：弹性敏感元件为周边固定圆形金属 平膜片。这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品 是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身。应变梁式： 测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构，用膜片把压力转 换为力再通过传力杆传递给应变梁。组合式：在组合式应变压力传感 器中，弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。应力传感器主 要用来测量流动介质动态或静态压力，例如动力管道设备的进出口气 体或液体的压力、内燃机管道压力等等。

传统应力传感器的导电材料一般是金属，由于金属不具有柔韧 性，因此传统应力传感器的测量范围极小，并且在拉伸过程中很容易 断裂，造成传感器的损坏。该类传感器主要通过减小金属的厚度或者 设计波纹结构来提高灵敏度和测量范围，但是其加工过程极为复杂， 成本也高。因此设计一种不仅对外力的作用表现出灵敏的响应，而且 柔韧性极好，即使在较大的外力作用下，也不会造成结构的损坏的传 感器尤为必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式应力传感器，能够解决现有的应力传 感器测量范围小，拉伸过程中电阻容易断裂，灵敏度及输出信号不足 等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种嵌入式应力传感器设计包括微型天线检测组件、传感器外 壳、阻抗测量与应力转换组件以及数据输出终端等组成。

进一步的，所述微型天线检测组件为S型微型天线。

进一步的，所述微型天线检测组件选择环氧树脂玻璃纤维材料作 为介质基片的加工材料，边长为3厘米、厚度为0.1毫米的正方形， 其中S型微型天线附在基片层上。

进一步的，所述S型微型天线材质为薄铜片并在其表面上粘合上 由环氧树脂玻璃纤维材料制成的覆盖层，且其尺寸与基片层相同。

进一步的，阻抗参数测量与应力转换组件由核心AD5933芯片 和相应外围电路构成.

进一步的，所述外围电路包括信号放大与应力转换电路、电源供 应电路。

进一步的，所述电源供应电路主要供应±5伏的电压源。

本发明的嵌入式应力传感器主要工作流程。由于天线的特性参数 易受结构参数数等产生的影响，因此在灵敏度较高的天线受到应力 时，由于压力作用将导致天线的结构参数发生变化，通过测量天线的 特性参数(输入阻抗Z_in)来判断天线的结构参数发生变化大小，根 据结构变化的大小来判断应力的大小。

上述利用检测天线特性参数判断应力原理推导如下：

天线输入阻抗是反映天线电路特性的电参数，它定义为天线再其 输入端所呈现的阻抗。在天线中，它等于天线的输入电压U_in与输入 电流I_in之比，或者用输入功率来表示，则

当天线受到外力时时，外力作用使得天线结构发生了变化，根据 天线辐射的原理，在利用仪器测量时输入功率和输入电压U_in一定 时，输入电流I_in也将发生变化，假定电流变化为ΔI。则输入阻抗Z_in也将发生变化，变化后的阻抗设为

ΔZ＝ΔR+ΔX

其中ΔR电阻变化量，ΔX为电抗变化量，ΔP为功率变化量。

根据Z_in与应力F建立函数关系从而可以进行应力大小测量。 通过设计阻抗参数测量与应力转换组件，将相应的计算值输出。

本发明的有益的技术如下：

提供一种对外力的作用表现出迅速的响应，应变层材质柔韧性极 好以及信号输出稳定的嵌入式应力传感器；此应力传感器具有良好的 检测效果与工程应用价值。

附图说明

图1为嵌入式应力传感器装置的总体结构图；

图2为微型天线检测组件结构图；

图3为阻抗计算与应力转换组件结构示意图；

附图标记说明：1-微型天线检测组件，2-屏蔽外壳，3-阻抗计算 与应力转换组件，4-数据输出终端，5-基片层，6-S型微型天线，7- 信号输出，8-覆盖层。

具体实施方案：

如图1所示，一种嵌入式应力传感器通过测量天线的特性参数 (输入阻抗Z_in)来计算应力的大小。该传感器装置主要包括微型天 线检测组件1、传感器外壳(其为屏蔽外壳2)、阻抗测量与应力转 换组件3以及数据输出终端4。

具体实施步骤：

(1)微型天线检测组件设计

天线的介质基片作为天线的主体部分，其材料的性能参数对天线 影响很大，比如相对介电常数越小，介质损耗角正切值越大，天线品 质因数会降低，带宽会变大，但天线的尺寸会增加。同时，材料的成 本等因素也必须加以考虑。环氧树脂玻璃纤维材料作为当前主流的 PCB板加工材料，制作简单，成本低，因此选择环氧树脂玻璃纤维材 料作为介质基片的加工材料，边长为3厘米、厚度为0.1毫米的正方 形，结构如图2所示，包括信号输出7，其中S型微型天线6附在基 片层5上，S型微型天线材质为薄铜片并在其表面上粘合上由环氧树 脂玻璃纤维材料制成的覆盖层8，且其尺寸与基片层相同。

天线输入阻抗是反映天线电路特性的电参数，它定义为天线再其 输入端所呈现的阻抗。在天线中，它等于天线的输入电压U_in与输入 电流I_in之比，或者用输入功率来表示，则

当天线受到外力时时，外力作用使得天线结构发生了变化，根据 天线辐射的原理，在利用仪器测量时输入功率和输入电压U_in一定 时，输入电流I_in也将发生变化，假定电流变化为ΔI。则输入阻抗Z_in也 将发生变化，变化后的阻抗设为

ΔZ＝ΔR+ΔX

其中ΔR电阻变化量，ΔX为电抗变化量，ΔP为功率变化量。

然后根据Z_in与应力F建立函数关系从而可以进行应力大小测量。

(2)三维应力检测结构设计

为了检测不同方向上发生力的作用，因此将三个微型天线检测组 件分别贴在传感器内壁的三个方向上，从而实现x轴、y轴、z轴三 维应力检测，其具体布置如图1中所示。此外，图1中的屏蔽外壳2 部分的外壳采用0.2mm厚的不锈钢材料，并且在浇筑时，加入了洋白铜材料的屏蔽网，均匀的分布在外壳中间。该屏蔽网络利用屏蔽效 应，将外界电场、磁场或电磁场等会对微型天线检测组件产生干扰的 信号进行良好的屏蔽，从而降低外界因素对检测结果的影响。

(3)阻抗参数计算与应力转换组件

阻抗参数测量与应力转换组件由核心AD5933芯片和相应外围电路 构成，外围电路包括信号放大与应力转换电路、电源供应电路(电源 供应主要供应±5伏的电压源)。阻抗参数测量与应力转换组件结构 如下图3所示：

阻抗参数测量与应力转化原理：AD5933给S型微带天线输出一 个电压信号，最终对AD5933输入一个电流信号，AD5933再进行阻抗 参数计算，根据应力与阻抗参数的经验数据可以拟合得到以下计算公 式：

F＝αZ

式中F为应力值，单位N，α为转化拟合系数，一般为1.896，Z为阻 抗参数值。

(4)数据输出终端

数据输出终端为图2中4所示，其主要由输出BNC接口与双芯电缆 线组成，将数据输出值后台终端进行显示。

Claims (7)

1.一种嵌入式应力传感器，其特征在于，包括微型天线检测组件、传感器外壳、阻抗测量与应力转换组件以及数据输出终端。

2.根据权利要求1所述的嵌入式应力传感器，其特征在于，所述微型天线检测组件为S型微型天线。

3.根据权利要求2所述的嵌入式应力传感器，其特征在于，所述微型天线检测组件选择环氧树脂玻璃纤维材料作为介质基片的加工材料，边长为3厘米、厚度为0.1毫米的正方形，其中S型微型天线附在基片层上。

4.根据权利要求3所述的嵌入式应力传感器，其特征在于，所述S型微型天线材质为薄铜片并在其表面上粘合上由环氧树脂玻璃纤维材料制成的覆盖层，且其尺寸与基片层相同。

5.根据权利要求1所述的嵌入式应力传感器，其特征在于，阻抗参数测量与应力转换组件由核心AD5933芯片和相应外围电路构成.

6.根据权利要求5所述的嵌入式应力传感器，其特征在于，所述外围电路包括信号放大与应力转换电路、电源供应电路。

7.根据权利要求6所述的嵌入式应力传感器，其特征在于，所述电源供应电路主要供应±5伏的电压源。