CN110530568B - 一种封装集成式应力监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封装集成式应力监测传感器，涉及应力监测领域，该传感器主要由测量应变片、基底板、单向应变片、校准电阻和校准开关、微型连接器组成，测量应变片、单向应变片和校准电阻按照惠斯通桥路设计，惠斯通桥路输出的电压信号传输至应力监测系统；该传感器的测量应变片可以实现无损安装，且测量应变片和基底板、单向应变片和校准电阻的封装一体式结构对被测壳体不产生附加结构应力，测量精度高、稳定性好，可实现温度补偿作用，具有在线校准功能，能够配合被测设备长期使用。

Description

一种封装集成式应力监测传感器

技术领域

本发明涉及到应力监测领域，尤其是一种封装集成式应力监测传感器。

背景技术

载人舱球壳是载人潜水器的核心部分，在潜水器下潜过程中承受巨大的海水压力，其结构的安全性十分关键，载人舱球壳一般采用钛合金材料制造。由于载人舱球壳的重要性，需要在使用过程中对其结构状态进行长期连续监测。

当前，普通测量应力的方法有粘贴电阻应变片法和专用应力传感器法。其中，粘贴电阻应变片法应用最多，由于应变片体积尺寸小，几乎没有重量，能够适用于动、静载应力测量，能够最真实地反映结构的受力情况，对于高应力区域有非常强的适用性，缺点是长期使用稳定性相对较差，一般只适用于短期测量，对于长期测量需要采取特殊的保护工艺和处理措施，现场操作施工难以保证质量。专用应力传感器法是通过金属弹性体实现间接测量的，其优点是整体性能好，传感性能稳定；缺点是尺寸大，需要通过焊接安装。由于载人舱球壳表面禁止焊接，球壳开孔等位置应力梯度变化大，又要在水下长期监测载人舱球壳应力情况，因此以上两种测量应力方法对于潜水器载人舱球壳应力的测量显然是无法实现的。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种封装集成式应力监测传感器，本发明的技术方案如下：

一种封装集成式应力监测传感器包括测量应变片、基底板、单向应变片、校准电阻、校准开关和微型连接器；基底板的材料与载人舱球壳的材料相同，各个单向应变片的性能参数均与测量应变片的性能参数相同；测量应变片设置在载人舱球壳的待监测位置，基底板设置在载人舱内部，各个单向应变片和各个校准电阻均设置在基底板上，测量应变片连接到基底板，测量应变片与校准电阻以及三个单向应变片电连接形成惠斯通桥路结构，测量应变片与校准电阻串联形成其中一个桥臂，三个单向应变片分别形成另外三个桥臂；每个校准开关分别并联在一个校准电阻的两端且两个校准开关分别引出至基底板的外部；惠斯通桥路结构的输入端和输出端分别通过连接线连接至微型连接器，微型连接器用于连接载人舱的应力监测系统。

其进一步的技术方案为，基底板上固定有配桥电路板，配桥电路板内部预先布设有配桥电路，配桥电路板针对配桥电路提供的正输入端、负输入端、正输出端和负输出端分别通过连接线连接至微型连接器；配桥电路板还针对配桥电路提供焊盘，通过配桥电路板内部布设的配桥电路，正输入端分别与第一焊盘和第二焊盘电连接，负输入端分别与第四焊盘和第五焊盘电连接，正输出端分别和第六焊盘和第七焊盘电连接，负输出端分别和第八焊盘和第九焊盘电连接，配桥电路板还提供第三焊盘；校准电阻的两端分别连接配桥电路板的第一焊盘与第三焊盘，测量应变片分别连接配桥电路板的第三焊盘和第八焊盘，三个单向应变片分别连接在配桥电路板的第二焊盘和第七焊盘之间、第六焊盘和第四焊盘之间以及第五焊盘和第九焊盘之间。

其进一步的技术方案为，封装集成式应力监测传感器还包括导线尾夹，导线尾夹固定在基底板上并固定微型连接器与惠斯通桥路结构之间的各个连接线。

其进一步的技术方案为，测量应变片为单向测量应变片、双向测量应变片和三向测量应变片的任意一种，测量应变片中的每个应变片分别与校准电阻以及三个单向应变片电连接形成一个惠斯通桥路结构。

其进一步的技术方案为，每个校准电阻采用阻值为1Ω、精度为0.05％的精密贴片式电阻。

其进一步的技术方案为，基底板、单向应变片和校准电阻封装成一体。

本发明的有益技术效果是：

本发明公开了一种封装集成式应力监测传感器，应用于载人潜水器球壳应力监测的传感器，根据测量要求可以更换测量应变片的类型，测量应变片、单向应变片和校准电阻形成惠斯通桥路，且惠斯通桥路和其温度补偿作用实现了高精度稳定测量，校准电阻和校准开关配合应力监测系统解决了在线校准的难题，该封装集成式应力监测传感器实现了无损安装，降低现场施工难度，保证应力监测效果，且对被测壳体不产生附加结构应力，采用微型连接器作为信号输出，以便于产品化使用，其基底板、单向应变片和校准电阻的封装集成方式，能够使该传感器在深海压力温度环境下长期使用。

附图说明

图1是本申请中的封装集成式应力监测传感器的结构示意图。

图2是本申请中的封装集成式应力监测传感器的配桥电路板的示意图。

图3是本申请中的封装集成式应力监测传感器的基底板及其AA剖面示意图。

图4是本申请公开的封装集成式应力监测传感器的使用流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

请参考图1-3，封装集成式应力监测传感器包括测量应变片1、基底板2、单向应变片、校准电阻、校准开关和微型连接器3。其中，基底板2的材料与载人舱球壳的材料相同，比如基底板2与载人舱球壳的材料都使用钛合金。各个单向应变片的性能参数均与测量应变片1的性能参数相同。测量应变片1设置在载人舱球壳内部待监测位置，基底板2设置在测量应变片附近位置，实现了传感器的集成一体化。各个单向应变片和各个校准电阻均设置在基底板2上，测量应变片1连接到基底板2，测量应变片1与校准电阻以及三个单向应变片电连接形成惠斯通桥路结构，其中，测量应变片1与校准电阻串联形成其中一个桥臂，三个单向应变片分别形成另外三个桥臂。每个校准开关分别并联在一个校准电阻的两端且两个校准开关分别引出至基底板2的外部。由于基底板2与载人舱球壳都使用钛合金材料，且两者同处于载人舱内也即处于同一温度环境中，所以性能参数相同的双向测量应变片1和各个单向应变片由温度引起的应变相同，惠斯通桥路结构的输出不会因受到温度变化的影响而产生温度应变，从而可以起到温度补偿作用且实现高精度稳定测量。为了使在线校准功能的精度提高和实现封装一体化，每个校准电阻采用阻值为1Ω、精度为0.05％的精密贴片式电阻。惠斯通桥路结构的输入端和输出端分别通过连接线连接至微型连接器3，微型连接器3用于连接载人舱的应力监测系统。封装集成式应力监测传感器还包括导线尾夹15，导线尾夹15固定在基底板2上并固定微型连接器3与惠斯通桥路结构之间的各个连接线。

其中，测量应变片1为单向测量应变片、双向测量应变片和三向测量应变片的任意一种，当测量应变片1为双向测量应变片或三向测量应变片时，测量应变片1实际包括多个应变片，通常为应变花结构，则测量应变片中的每个应变片分别与校准电阻以及三个单向应变片电连接形成一个惠斯通桥路结构。

比如本申请以双向测量应变片为例，如图1所示，本申请的封装集成式应力监测传感器包括双向测量应变片1、基底板2、六个单向应变片、两个校准电阻、两个校准开关和微型连接器3。双向测量应变片1是带引线的应变片，具有双向应力测量功能，直径不大于10mm，双向测量应变片1的纵向测量应变片和横向测量应变片分别连接到基底板2，纵向测量应变片与校准电阻4以及单向应变片5、单向应变片6、单向应变片7电连接形成惠斯通桥路结构，纵向测量应变片与校准电阻4串联形成其中一个桥臂，单向应变片5、单向应变片6、单向应变片7分别形成另外三个桥臂，校准开关8并联在校准电阻4的两端且校准开关8引出至基底板2的外部，此惠斯通桥路结构测量载人舱球壳的纵向应力，即载人舱球壳经向应力。横向测量应变片与校准电阻9以及单向应变片10、单向应变片11、单向应变片12电连接形成另一惠斯通桥路结构，横向测量应变片与校准电阻9串联形成其中一个桥臂，单向应变片10、单向应变片11、单向应变片12分别形成另外三个桥臂；校准开关13并联在校准电阻9的两端且校准开关13引出至基底板2的外部，此惠斯通桥路结构测量载人舱球壳的横向应力，即载人舱球壳纬向应力。带尾线的微型连接器3用于连接线的引出，尾线为8芯线，两个惠斯通桥路结构的四个输入端和四个输出端分别通过配桥电路板14上的信号线引出接线端连接至微型连接器3，微型连接器3的另一端用于连接载人舱的应力监测系统。

如图2所示，为了配合和方便惠斯通桥路结构及其接线，封装集成式应力监测传感器还包括配桥电路板14，配桥电路板14固定于基底板2上，配桥电路板14内部预先布设有用于形成惠斯通桥路结构的配桥电路，配桥电路板14针对配桥电路提供用于连接微型连接器3的输入端、输出端以及用于连接应变片的焊盘。以采用双向测量应变片1为例，则配桥电路板14内部预先布设有纵向配桥电路和横向配桥电路，配桥电路板14针对纵向配桥电路提供正输出端S1+、负输出端S1-、正输入端V1+、负输入端V1-以及焊盘I、H、J、F、M、E、G、K、L，通过配桥电路板14内部布设的纵向配桥电路，正输出端S1+分别与第一焊盘I和第二焊盘H电连接，负输出端S1-分别与焊盘F和焊盘M电连接，正输入端V1+分别和焊盘E和焊盘G电连接，负输入端V1-分别和焊盘K和焊盘L电连接。在应用时，校准电阻4的两端分别连接配桥电路板14的焊盘I与焊盘J，纵向测量应变片分别连接配桥电路板的焊盘J和焊盘K，三个单向应变片分别连接在配桥电路板的焊盘H和焊盘G之间、焊盘E和焊盘F之间以及焊盘M和焊盘L之间,由此形成惠斯通桥路结构。配桥电路板14针对横向配桥电路提供正输出端S2+、负输出端S2-、正输入端V2+、负输入端V2-以及焊盘A、B、C、D、N、O、P、Q、R。类似的，通过配桥电路板14内部布设的横向配桥电路，正输出端S2+分别与焊盘P和焊盘O电连接，负输出端S2-分别与焊盘C和焊盘B电连接，正输入端V2+分别和焊盘D和焊盘N电连接，负输入端V2-分别和焊盘A和焊盘R电连接，另外提供焊盘Q，在应用时，校准电阻9的两端分别连接配桥电路板14的焊盘R和焊盘Q，横向测量应变片分别连接焊盘Q和焊盘P，三个单向应变片分别连接在配桥电路板的焊盘A和焊盘B之间、焊盘N和焊盘O之间以及焊盘C和焊盘D之间，由此形成惠斯通桥路结构。为了保证应力监测效果且便于产品化使用，将基底板2、六个单向应变片、两个校准电阻和配桥电路板14封装成一体。

如图3所示，为了使基底板2对被测壳体不产生附加结构应力，基底板2设计为矩形薄板，其厚度不大于3.5mm。如AA剖面图所示，为了与其他结构装配方便，基底板2上表面上方设置有导线沉槽16，该导线沉槽16用于放置微型连接器3的尾线束。上表面中心位置设置有矩形沉槽17，该矩形沉槽用于安装配桥电路板14。为了整齐布线接线，纵向配桥电路和横向配桥电路的电路结构在配桥电路板14内部并列布置，配桥电路板14在纵向配桥电路和横向配桥电路之间的区域设计为镂空结构，每个配桥电路的对应四个桥臂的焊盘分别位于不同方向。单向应变片5和单向应变片7对称粘贴在对应配桥电路板14的纵向配桥电路所在区域的上下两侧，单向应变片6粘贴在配桥电路板14的镂空结构中；单向应变片10和单向应变片12对称粘贴在对应配桥电路板14的横向配桥电路所在区域的上下两侧，单向应变片11粘贴在配桥电路板14的镂空结构中。

请结合图1-3，以测量应变片使用双向测量应变片为例，本申请的封装集成式应力监测传感器的组装步骤如下：

(1)应变片的安装：在基底板2的上表面按照图3所示依次粘贴六个单向应变片。

(2)配桥电路板14的安装：将配桥电路板14放入基底板2的矩形沉槽17中，配桥电路板14与基底板2之间通过胶水粘贴固定；将双向测量应变片1的纵向测量应变片和横向测量应变片的导线分别引到基底板2上。

(3)应变片的接线：将双向测量应变片1、六个单向应变片按照图2所示进行接线。

(4)校准电阻的接线：将校准电阻按照图2所示进行接线。

(5)校准开关的接线：校准开关8的并联连接线分别接在焊盘I与焊盘J，校准开关13的并联连接线分别接在焊盘R与焊盘Q。

(6)微型连接器3的接线：将微型连接器3的8芯尾线束的沿基底板2的导线沉槽16放置，其8根线芯按编号分别与配桥电路板14的V1+、V1-、S1+、S1-、V2+、V2-、S1+、S1-接线端连接。

(7)导线尾夹的安装：用导线固定尾夹15固定微型连接器3的尾线束。

(8)将制作好的封装集成式应力监测传感器放入45℃的温控箱内烘干24小时。

(9)烘干完成后，在安装了配桥电路板14和六个单向应变片的基底板2的表面涂覆透明硅胶，放入45℃的温控箱内烘干8小时。

(10)采用芯片塑料封装工艺对集成好的基底板2的上表面进行封装保护。

本发明还公开了一种封装集成式应力监测传感器的使用流程，请参考图4，该使用流程包括如下几个步骤：

步骤一，在载人舱球壳表面选定需要测量应力的测点位置。

步骤二，将双向测量应变片1通过胶水粘贴在测点位置上，将基底板2部分放置于测点位置附近，并通过密封保护工艺固定保护。

步骤三，将封装集成式应力监测传感器通过微型连接器3接入载人舱球壳的应力监测系统。

步骤四，载人舱球壳在非下潜状态下，操作员先对应力监测系统执行一次平衡操作，然后将校准开关拨至校准档位位置，即断开状态，此时校准电阻接入惠斯通桥路，对应力监测系统执行10次测量操作，取10次测量值的均值作为封装集成式应力监测传感器的校准基准值，录入应力监测系统；

步骤五，操作员将校准开关拨至非校准档位位置，即闭合状态，执行一次平衡操作，封装集成式应力监测传感器即可持续监测载人舱球壳的结构应力。

步骤六，操作员定期对封装集成式应力监测传感器进行校准操作：在非下潜状态下，操作员首先执行一次平衡操作，将校准开关拨至校准档位位置，对应力监测系统执行10次测量操作，将10次测量值的均值作为被校准值，将被校准值与校准基准值进行比较，如果两者误差在规定的允许范围，则说明封装集成式应力监测传感器的精度准确，无需执行校准操作，可以继续监测载人舱球壳的结构应力，即跳入步骤五；如果两者不相同，则说明封装集成式应力监测传感器的精度不准确，需要执行校准操作，进入步骤七。

步骤七，操作员执行校准操作，将被校准值录入应力监测系统，由系统的校准模块计算得到校准参数，将应力监测系统的应力测量参数修改为校准参数，从而实现封装集成式应力监测传感器的在线校准，校准操作完成后跳入步骤五。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种封装集成式应力监测传感器，其特征在于，所述封装集成式应力监测传感器包括测量应变片、基底板、单向应变片、校准电阻、校准开关和微型连接器；所述基底板的材料与载人舱球壳的材料相同，各个所述单向应变片的性能参数均与所述测量应变片的性能参数相同；所述测量应变片设置在载人舱球壳的待监测位置，所述基底板设置在载人舱内部，各个所述单向应变片和各个所述校准电阻均设置在所述基底板上，所述基底板、单向应变片和校准电阻封装成一体；所述测量应变片连接到所述基底板，所述测量应变片与所述校准电阻以及三个所述单向应变片电连接形成惠斯通桥路结构，所述测量应变片与所述校准电阻串联形成其中一个桥臂，三个所述单向应变片分别形成另外三个桥臂；每个所述校准开关分别并联在一个所述校准电阻的两端且两个所述校准开关分别引出至所述基底板的外部；所述惠斯通桥路结构的输入端和输出端分别通过连接线连接至所述微型连接器，所述微型连接器用于连接所述载人舱的应力监测系统；

所述基底板上固定有配桥电路板，所述配桥电路板内部预先布设有配桥电路，所述配桥电路板针对所述配桥电路提供的正输入端、负输入端、正输出端和负输出端分别通过连接线连接至所述微型连接器；所述配桥电路板还针对所述配桥电路提供焊盘，通过所述配桥电路板内部布设的所述配桥电路，所述正输入端分别与第一焊盘和第二焊盘电连接，所述负输入端分别与第四焊盘和第五焊盘电连接，所述正输出端分别和第六焊盘和第七焊盘电连接，所述负输出端分别和第八焊盘和第九焊盘电连接，所述配桥电路板还提供第三焊盘；所述校准电阻的两端分别连接所述配桥电路板的所述第一焊盘与所述第三焊盘，所述测量应变片分别连接所述配桥电路板的所述第三焊盘和所述第八焊盘，三个所述单向应变片分别连接在所述配桥电路板的所述第二焊盘和所述第七焊盘之间、所述第六焊盘和第四焊盘之间以及所述第五焊盘和所述第九焊盘之间。

2.根据权利要求1所述的封装集成式应力监测传感器，其特征在于，所述封装集成式应力监测传感器还包括导线尾夹，所述导线尾夹固定在所述基底板上并固定所述微型连接器与所述惠斯通桥路结构之间的各个连接线。

3.根据权利要求1或2所述的封装集成式应力监测传感器，其特征在于，所述测量应变片为单向测量应变片、双向测量应变片和三向测量应变片的任意一种，所述测量应变片中的每个应变片分别与校准电阻以及三个所述单向应变片电连接形成一个惠斯通桥路结构。

4.根据权利要求1或2所述的封装集成式应力监测传感器，其特征在于，每个所述校准电阻采用阻值为1Ω、精度为0.05％的精密贴片式电阻。

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