CN110530254A - 一种耐高水压应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高水压应变传感器，包括：伸缩杆、弹簧、应变悬臂梁、电阻应变片、壳体和伸缩杆导向槽；壳体的一侧开有通孔，壳体远离所述通孔的一侧的内壁上设置有所述伸缩杆导向槽；其中，所述通孔与所述伸缩杆同轴；伸缩杆的一端穿过所述通孔伸入伸缩杆导向槽内；伸缩杆伸入伸缩杆导向槽内的一端通过销钉与弹簧的一端连接；弹簧的另一端通过连接块与应变悬臂梁的一端连接；其中，连接后的弹簧垂直悬挂、与伸缩杆平行；应变悬臂梁的另一端连接壳体的侧壁，连接后的应变悬臂梁水平设置、与弹簧垂直；应变悬臂梁表面贴有至少一片电阻应变片。本发明实现了在深水高压、低温的恶劣环境下对阻尼材料的变形测量。
Description
技术领域
本发明属于工程测试技术领域，尤其涉及一种耐高水压应变传感器。
背景技术
目前各国海军之所以越来越青睐在潜艇上安装声学覆盖层，就在于声学覆盖层有着不同寻常的降噪和消声本领。声学覆盖层是一种随着声学覆盖层技术的不断发展和该项技术在实践中的广泛应用，人们对其功效产生越来越大的兴趣，改变了最初认为它仅能吸收对方声呐波的片面观念。
目前经初步证实，声学覆盖层的功用至少有三个：1)能够吸收对方主动雷达发出的声呐波，即利用声学覆盖层材料的阻尼作用和瓦内空腔或填充物的作用，使对方发射出的声波波形发生变化，将声能转换为热能消耗掉，从而使折射回去的声波能量大为降低，达到急剧减少主动声呐探测的目的。据报道，俄罗斯满载排水量2.65万吨的“台风”级潜艇由于敷设了150毫米厚的声学覆盖层，因而使美国MK－48和MK－46型鱼雷的主动声呐探测距离减少到原来的1/3。由此可见它的战术效能非同一般。2)能够隔离潜艇内部噪声向艇外辐射。噪声是潜艇水下行动的一个大忌。尤其核潜艇的吨位大、块头大、噪声大，更是容易被对方在极远的距离上探测发现。声学覆盖层能部分缓解这方面的矛盾。潜艇包上一层层的声学覆盖层，就相当于用一件棉袄包裹一台收音机一样，声音明显减弱。在这种情况下，艇内的噪声向外辐射自然受到很大的抑制。不过，实践也证明：一种声学覆盖层难以同时具备良好的吸声和隔声性能，而且低频吸、隔声性能难以满足实践使用的需要。3)能够抑制艇体的振动。潜艇在活动和作战使用时，其动力装置和机械设备产生的振动是不可避免的，也是始终存在的。
因此，如何最大限度地减少振动，便成为了潜艇设计师矢志不渝追求的目标和时刻梦想攻克的难关。目前很多潜艇都将艇上的动力装置及其机械设备安装在筏形基座上，而且该基座与潜艇体保持柔性连接。这些措施采取后，仍有相当大的振动波要传到潜艇的内壁，而紧贴艇体的声学覆盖层自然起到了吸收振动的作用，使振动得到最大限度的减弱和缓解。由此可见，测量声学覆盖层在深水恶劣情况下变形量的大小在对更有效的检测声学覆盖层的减振性能，以及对进一步改善声学覆盖层性能有着积极的意义。
目前，一般物体的变形量测量主要采用位移传感器实现。位移传感器又称为线性传感器，目前来说，国内外的传感器主要有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，电阻式位移传感器几类。然而，在市面上能够找到的传感器防水性都不怎么令人满意，最高的防护等级也只是达到IP65，不能在水下高压环境下工作。
例如，电阻式位移传感器是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器，优点是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等；但是，一般市面上购买的应变式位移传感器不具备耐水压的性能。又例如，由武汉莹佳科技公司开发的能够耐水压的静磁栅位移传感器，可以适应－40℃至+100℃工作温度范围，连续高粉尘、泥浆、水下及高撞击、强振动工作环境。但是，其最大耐水压也只能到达6.0MPa，精度0.5mm，远远满足不了声学覆盖层在深水承受10.0MPa的测量要求。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种耐高水压应变传感器，旨在实现在深水高压、低温的恶劣环境下对阻尼材料的变形测量。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种耐高水压应变传感器，包括：伸缩杆、弹簧、应变悬臂梁、电阻应变片、壳体和伸缩杆导向槽；
壳体的一侧开有通孔，壳体远离所述通孔的一侧的内壁上设置有所述伸缩杆导向槽；其中，所述通孔与所述伸缩杆同轴；
伸缩杆的一端穿过所述通孔伸入伸缩杆导向槽内；
伸缩杆伸入伸缩杆导向槽内的一端通过销钉与弹簧的一端连接；
弹簧的另一端通过连接块与应变悬臂梁的一端连接；其中，连接后的弹簧垂直悬挂、与伸缩杆平行；
应变悬臂梁的另一端连接壳体的侧壁，连接后的应变悬臂梁水平设置、与弹簧垂直；
应变悬臂梁表面贴有至少一片电阻应变片。
在上述耐高水压应变传感器中，还包括：填充剂；其中，填充剂填充在壳体内，以包裹应变悬臂梁和电阻应变片。
在上述耐高水压应变传感器中，填充剂为：炮油与703胶混合调制成的防水性稠状物。
在上述耐高水压应变传感器中，还包括：外部采集电路；其中，所述至少一片电阻应变片与所述外部采集电路连接。
在上述耐高水压应变传感器中，当电阻应变片为两片时，两片电阻应变片按照半桥方式与所述外部采集电路连接。
在上述耐高水压应变传感器中，当电阻应变片为四片时，四片电阻应变片按照全桥方式与所述外部采集电路连接。
在上述耐高水压应变传感器中，伸缩杆为T型杆，可在伸缩杆导向槽内做伸缩运动。
在上述耐高水压应变传感器中，还包括：基座；其中，基座设置在壳体的内侧一对角处，应变悬臂梁通过所述基座与壳体的侧壁固定连接。
在上述耐高水压应变传感器中，通孔的直径不小于伸缩杆的外径，以便海水通过该所述通孔进入壳体的内部，保证壳体内外水压平衡。
在上述耐高水压应变传感器中，
所述的耐高水压应变传感器的各部件均采用金属材料加工制成；
应变悬臂梁采用应变梯形梁；
电阻应变片贴设在应变悬臂梁的上下两个表面上。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种耐高水压应变传感器，具有能够在深水高压环境下防尘、防湿气、防水侵入等优点，可用于深水下的阻尼材料(如，声学覆盖层等)的变形测量。试件在水压作用下发生变形，伸缩杆则跟随试件的变形一起运动，进而将引起弹簧的变形，弹簧的变形又将引起应变悬臂梁的弹性变形，通过测量应变悬臂梁的应变改变量来换算出试件的变形量，测试方法简单，容易操作，贴近工程实现。
(2)本发明公开了一种耐高水压应变传感器，壳体上开设有一通孔，海水可通过该通孔进入壳体内部，保证壳体内外水压平衡，不受深水压力约束。
(3)本发明公开了一种耐高水压应变传感器，采用纯机械结构，相对于一般传感器，本发明所述的耐高水压应变传感器在恶劣环境下采集的数据可靠性更高。
(4)本发明公开了一种耐高水压应变传感器，采用炮油与703胶混合调制成的防水性稠状物充当防腐蚀罩衣，避免了应变悬臂梁及电阻应变片的水腐蚀，提高了该耐高水压应变传感器的工作可靠性和使用寿命。
(5)本发明公开了一种耐高水压应变传感器，可采用半桥或全桥的方式连接外部采集电路，可以实现温度自补偿，以及，实现消除拉应变，只测试弯曲应变的目的。
附图说明
图1是本发明实施例中一种耐高水压应变传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种电阻应变片布局的正视图；
图3是本发明实施例中一种电阻应变片布局的俯视图；
图4是本发明实施例中一种电阻应变片的半桥方式连接示意图；
图5是本发明实施例中又一种电阻应变片布局的正视图；
图6是本发明实施例中又一种电阻应变片布局的俯视图；
图7是本发明实施例中一种电阻应变片的全桥方式连接示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例1
如图1，在本实施例中，该耐高水压应变传感器，可以包括：伸缩杆1、弹簧2、应变悬臂梁3、电阻应变片4、壳体5和伸缩杆导向槽7。其中，壳体的一侧开有通孔8，壳体远离所述通孔8的一侧的内壁上设置有所述伸缩杆导向槽7；其中，所述通孔8与所述伸缩杆1同轴；伸缩杆1的一端穿过所述通孔8伸入伸缩杆导向槽7内；伸缩杆1伸入伸缩杆导向槽7内的一端通过销钉9与弹簧2的一端连接；弹簧2的另一端通过连接块10与应变悬臂梁3的一端连接；其中，连接后的弹簧2垂直悬挂、与伸缩杆1平行；应变悬臂梁3的另一端连接壳体5的侧壁，连接后的应变悬臂梁3水平设置、与弹簧2垂直；应变悬臂梁3表面贴有至少一片电阻应变片4。
可见，本发明实施例公开的一种耐高水压应变传感器，具有能够在深水高压环境下防尘、防湿气、防水侵入等优点，可用于深水下的阻尼材料(如，声学覆盖层等)的变形测量。
实施例2
在本实施例中，为了防止深水对所述耐高水压应变传感器的侵蚀，还设置了填充剂6。如图1，该填充剂6填充在壳体5内，用于包裹应变悬臂梁3和电阻应变片4。优选的，该填充剂6可以但不仅限于采用：炮油与703胶混合调制成的防水性稠状物。
进一步优选的，在本实施例中，该耐高水压应变传感器，还可以包括：外部采集电路。其中，所述至少一片电阻应变片4与所述外部采集电路连接，以实现在深水高压、低温的恶劣环境下对声学覆盖层进行变形测量，贴近工程应用。
进一步优选的，在本实施例中，该耐高水压应变传感器，还可以包括：基座11。其中，基座11设置在壳体5的内侧一对角处，应变悬臂梁3通过所述基座11与壳体5的侧壁固定连接。
实施例3
在本实施例中，电阻应变片4的数量及设置方式可以结合不同的应用场景和使用需求动态设置，本实施例对此不作限制。
一优选的，电阻应变片可以但不仅限于为两片，两片电阻应变片按照半桥方式与所述外部采集电路连接。具体连接方式如图2～4所示，两片电阻应变片(电阻应变片Ⅰ401、电阻应变片Ⅱ402)采用半桥方式、分别设置在应变悬臂梁的上下两个表面上。其中，采用半桥方式与外部采集电路连接至少具有如下优点：可实现温度自补偿，同时，能够实现消除拉应变，只测试弯曲应变的目的。
一优选的，电阻应变片可以但不仅限于为四片，四片电阻应变片按照全桥方式与所述外部采集电路连接。具体连接方式如图5～7所示，两片电阻应变片为一组(电阻应变片403Ⅲ与电阻应变片404Ⅳ，电阻应变片405Ⅴ与电阻应变片406Ⅵ)，两组电阻应变片采用全桥方式、分别设置在应变悬臂梁的上下两个表面上。其中，采用全桥方式与外部采集电路连接至少具有如下优点：a)耐高水压应变传感器的灵敏系数为半桥方式的两倍；b)当连接导线受到外界扰动时，可有效减少外界干扰对耐高水压应变传感器的读数影响。
实施例4
结合上述实施例，本实施例对耐高水压应变传感器各部件的参数进行简单介绍。
在本实施例中，耐高水压应变传感器各部件(如，伸缩杆1、弹簧2、应变悬臂梁3、电阻应变片4、壳体5、连接块10和基座11等)均可采用金属材料(如，铝、铜等)加工制成。
优选的，伸缩杆可选用为T型金属杆，可在伸缩杆导向槽内做伸缩运动。
优选的，应变悬臂梁可采用应变梯形梁。
优选的，通孔的直径不小于伸缩杆的外径，以便海水通过该所述通孔进入壳体的内部，保证壳体内外水压平衡。
优选的，伸缩杆伸出壳体的部分长度可以但不仅限于为30mm；壳体可以但不仅限于为一个长74mm、宽40mm、高15mm、厚5mm的空心长方体盒子；伸缩杆导向槽的长度可以但不仅限于为25mm。
基于上述尺寸参数设置的耐高水压应变传感器在工程应用上已取得成功，实现了在深水高压、低温的恶劣环境下对阻尼材料的变形的精确测量。
实施例5
在上述实施例的基础上，本发明对该耐高水压应变传感器的工作原理进行简单说明。
试验前：伸缩杆通过弹簧的拉力以及自身顶端的肩部约束在伸缩杆导向槽内。将炮油与703胶混合调制成的防水性稠状物填充在壳体内，包裹应变悬臂梁和电阻应变片。
试验时：(1)耐高水压应变传感器通过螺纹连接安装在相应的测量架上。(2)对耐高水压应变传感器的伸缩杆进行预压缩，将伸缩杆顶在测点处。(3)试件在水压作用下发生变形，与试件连接的伸缩杆跟随试件的变形一起运动，进而引起耐高水压应变传感器内弹簧的变形，弹簧的变形又将引起应变悬臂梁的弹性变形。在线弹性范围内，伸缩杆的位移和应变悬臂梁的应变改变量是成比例的。因而，可以通过测量应变悬臂梁的应变改变量来换算出试件的变形量。根据一设计实例，伸缩杆每次压缩或者伸长1mm时候，对应产生200个微应变。
综上所述，本发明公开了一种耐高水压应变传感器，试件在水压作用下发生变形，伸缩杆则跟随试件的变形一起运动，进而将引起弹簧的变形，弹簧的变形又将引起应变悬臂梁的弹性变形，通过测量应变悬臂梁的应变改变量来换算出试件的变形量，具有能够在深水高压环境下防尘、防湿气、防水侵入等优点，可用于深水下的阻尼材料的变形测量，且，测试方法简单，容易操作，贴近工程实现。其次，壳体上开设有一通孔，海水可通过该通孔进入壳体内部，保证壳体内外水压平衡，不受深水压力约束。进一步的，该耐高水压应变传感器采用纯机械结构，相对于一般传感器在恶劣环境下采集的数据可靠性更高。再次，采用炮油与703胶混合调制成的防水性稠状物充当防腐蚀罩衣，避免了应变悬臂梁及电阻应变片的水腐蚀，提高了该耐高水压应变传感器的工作可靠性和使用寿命。此外，可采用半桥或全桥的方式连接外部采集电路，可实现温度自补偿，以及，实现消除拉应变，只测试弯曲应变的目的。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种耐高水压应变传感器，其特征在于，包括：伸缩杆(1)、弹簧(2)、应变悬臂梁(3)、电阻应变片(4)、壳体(5)和伸缩杆导向槽(7)；
壳体的一侧开有通孔(8)，壳体远离所述通孔(8)的一侧的内壁上设置有所述伸缩杆导向槽(7)；其中，所述通孔(8)与所述伸缩杆(1)同轴；
伸缩杆(1)的一端穿过所述通孔(8)伸入伸缩杆导向槽(7)内；
伸缩杆(1)伸入伸缩杆导向槽(7)内的一端通过销钉(9)与弹簧(2)的一端连接；
弹簧(2)的另一端通过连接块(10)与应变悬臂梁(3)的一端连接；其中，连接后的弹簧(2)垂直悬挂、与伸缩杆(1)平行；
应变悬臂梁(3)的另一端连接壳体(5)的侧壁，连接后的应变悬臂梁(3)水平设置、与弹簧(2)垂直；
应变悬臂梁(3)表面贴有至少一片电阻应变片(4)。
2.根据权利要求1所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，还包括：填充剂(6)；其中，填充剂(6)填充在壳体(5)内，以包裹应变悬臂梁(3)和电阻应变片(4)。
3.根据权利要求2所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，填充剂(6)为：炮油与703胶混合调制成的防水性稠状物。
4.根据权利要求1所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，还包括：外部采集电路；其中，所述至少一片电阻应变片(4)与所述外部采集电路连接。
5.根据权利要求4所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，当电阻应变片为两片时，两片电阻应变片按照半桥方式与所述外部采集电路连接。
6.根据权利要求4所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，当电阻应变片为四片时，四片电阻应变片按照全桥方式与所述外部采集电路连接。
7.根据权利要求1所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，伸缩杆为T型杆，可在伸缩杆导向槽内做伸缩运动。
8.根据权利要求1所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，还包括：基座(11)；其中，基座(11)设置在壳体(5)的内侧一对角处，应变悬臂梁(3)通过所述基座(11)与壳体(5)的侧壁固定连接。
9.根据权利要求1所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，通孔(8)的直径不小于伸缩杆(1)的外径，以便海水通过该所述通孔(8)进入壳体(5)的内部，保证壳体(5)内外水压平衡。
10.根据权利要求1所述的耐高水压应变传感器，其特征在于，
所述的耐高水压应变传感器的各部件均采用金属材料加工制成；
应变悬臂梁(3)采用应变梯形梁；
电阻应变片贴设在应变悬臂梁(3)的上下两个表面上。
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