CN111397787A - 一种三维压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力传感器技术领域，具体的说是一种三维压力传感器，包括壳体，所述壳体顶端设有开口，所述壳体为圆柱状结构，所述壳体内腔底部固定有一号压力传感器，所述一号压力传感器顶端球连接有探测杆，所述探测杆用于接收压力，所述一号压力传感器用于测量Z方向的压力，所述壳体的内侧壁上沿其周向等距离铰接有两个以上的伸缩杆，所述伸缩杆为空腔结构，所述壳体底端固定有矩形盒，所述矩形盒内固定有圆筒，所述伸缩杆上连接有气管；本发明通过一号压力传感器和二号压力传感器对不确定方向的压力进行分解、分析和测量，最终将得到的信号汇总，得到最终的压力，提高了压力传感器的适用范围，也提高了压力传感器的测量精度。

Description

一种三维压力传感器

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体的说是一种三维压力传感器。

背景技术

压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

现有技术中也出现了一些关于三维压力传感器的技术方案，如申请号为2016105377520的一项中国专利，该专利公开了一种三维压力传感器，通过利用嵌套在平面梁上的弹簧刚度，可以减小梁变形的耦合效应，同时通过弹簧的变形增大应变片的变形量，提高采集数据的信号强度；在结构上，充分考虑测量多轴间的耦合效应，进而增强了信号的采集强度，提高测量精度高，适合运用于工程和实验中，但是只能对单个方向的力进行测量，不能对不均匀的外力进行测量，从而影响到压力传感器的适用范围，据此，本发明提出了一种三维压力传感器。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提出的一种三维压力传感器，通过一号压力传感器和二号压力传感器对不确定方向的压力进行分解、分析和测量，最终将得到的信号汇总，得到最终的压力，提高了压力传感器的适用范围，也提高了压力传感器的测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种三维压力传感器，包括壳体，所述壳体顶端设有开口，所述壳体为圆柱状结构，所述壳体内腔底部固定有一号压力传感器，所述一号压力传感器顶端球连接有探测杆，所述探测杆用于接收压力，所述一号压力传感器用于测量Z方向的压力，所述壳体的内侧壁上沿其周向等距离铰接有两个以上的伸缩杆，所述伸缩杆为空腔结构，所述壳体底端固定有矩形盒，所述矩形盒内固定有圆筒，所述伸缩杆上连接有气管，所述气管远离伸缩杆的一端与圆筒内腔连通，所述圆筒底端固定有气缸，所述圆筒内腔与气缸的内腔通过气管连通，所述伸缩杆用于向气缸中输入气体，所述壳体底端固定有二号压力传感器，所述二号压力传感器用于测量X方向和Y方向的压力，所述气缸的输出端固定在二号压力传感器上，所述壳体底端设有数据传输口和电源接口，所述数据传输口与一号压力传感器、二号压力传感器电性连接，所述壳体内腔中设有控制器，控制器用于控制三维压力传感器工作；工作时，现有压力传感器只能对单个方向的压力进行测量，也有对三个方向的力进行测量，但是需要通过几个单独的压力传感器来完成，在对同一受力点上的不确定方向的受力无法进行测量，从而造成压力传感器的适用范围有限，本发明对这一问题进行了改进；通过设置有探测杆，使得压力作用在探测杆上；压力作用在探测杆上后使得探测杆产生转动，从而使得探测杆对一号压力传感器产生挤压；同时，探测杆在转动的同时挤压转动方向的一个或多个伸缩杆，使得伸缩杆中的气体进入到圆筒中，进入到圆筒中的气体进入到气缸中，从而使得气缸的输出轴端伸长；气缸的输出轴端与二号压力传感器接触，气缸的输出轴对二号压力传感器产生挤压，使得二号压力传感器产生信号；一号压力传感器和二号压力传感器将受到的信号输送至控制器，控制器对信号进行接受和处理后通过数据传输口输出到终端；本发明通过一号压力传感器和二号压力传感器对不确定方向的压力进行分解、分析和测量，最终将得到的信号汇总，得到最终的压力，提高了压力传感器的适用范围，也提高了压力传感器的测量精度；在撤回压力后，气缸中的气体返回到各个伸缩杆中，使得伸缩杆带动探测杆回到初始位置；因伸缩杆以及气缸在收缩时具有摩擦，以及探测杆与伸缩杆之间的摩擦等因素会对测量的结果产生影响，需要对本发明进行不同压力值、不同方向加压的多次试验，建立数据库，使得实际测量时可以对误差因素进行补偿和消除。

优选的，所述壳体内腔底部沿其周向等距离固定有两个以上的电磁铁和导轨，所述导轨顶端设有弧形的滑槽，滑槽的内侧壁上设有斜槽，斜槽内活动安装有两个以上的滑块，滑槽内活动安装有滑板，所述滑块固定在滑板的侧壁上，滑槽内固定有限位板，所述限位板与相邻滑板之间固定有复位弹簧，所述滑板为铁质材料制成，所述滑板顶端固定有直杆，所述直杆顶端固定有转环，所述转环与伸缩杆的侧壁贴合，所述转环用于调节伸缩杆的角度；工作时，探测杆在偏转的过程中与伸缩杆的接触点发生变化，从而使得伸缩杆与探测杆之间不是垂直状态，进而影响到测量的精度；通过设置有电磁铁，在探测杆产生偏转后，使得二号压力传感器接受到数据，同时控制器从数据库中调取数据，使得电磁铁产生对应的吸力；电磁铁工作时对滑板产生吸引，使得滑板在滑槽内滑动；因设置有滑块，滑板在滑动的过程中沿着斜槽的轨迹上升；上升的滑板带动直杆上升，使得转环上升，从而使得与转环接触的伸缩杆产生转动；伸缩杆的转动角度因转环的上升幅度来决定，而转环的上升幅度因探测杆的偏转幅度来决定；在伸缩杆产生转动后使得伸缩杆的端部与探测杆之间处于垂直状态，从而使得伸缩杆的伸缩与探测杆的偏转程度呈比例关系，进而保证了本发明的测量精度。

优选的，所述转环顶端设有环形槽，环形槽内设有两个以上的圆球，环形槽内活动安装有圆环；工作时，转环上升的同时会产生转动，使得转环与伸缩杆之间产生较大的摩擦，从而对滑板的移动距离产生影响；滑板移动受阻会影响到伸缩杆的转动，从而影响到本发明的测量精度；通过设置有圆球，在转环转动的过程中使得圆球在环形槽内转动，圆球转动的过程中使得圆环保持静止，从而使得圆环始终与伸缩杆接触；圆环不动使得伸缩杆与转环之间的接触摩擦变成圆球的滚动摩擦，使得伸缩杆的转动位置更加精确，从而使得本发明在的测量精度得到保证；另外，滑块的移动阻力减小也降低了电磁铁的工作负担，使得电磁铁的使用寿命得到保证。

优选的，所述圆环顶端设有限位槽，限位槽与伸缩杆外形一致，所述圆环底端设有卡槽；工作时，圆环在上升的过程中其底部的圆球不断的产生转动，使得圆环同样可能产生转动；通过在圆环顶端设有限位槽，使得限位槽与伸缩杆接触，在伸缩杆转动的过程中始终在限位槽内，避免了圆环的转动；同时，伸缩杆转动的过程中与圆环的点接触会使得伸缩杆表面产生划痕，从而影响到两者之间的滑动；限位槽的设置使得两者之间的接触变成线接触，从而使得圆环对伸缩杆的局部压强降低，避免了伸缩杆的表面破坏，从而保证了两者的相对运动；圆环底端设置的卡槽使得圆环与圆球可以更好的接触，避免圆环产生出现跑偏以及单边翘起的问题，从而保证了圆环的正常使用。

优选的，所述圆环与伸缩杆接触点为伸缩杆远离其转动中心的一端，所述伸缩杆远离其转动中心的一端为圆球状结构，所述伸缩杆采用玻璃材料制成；工作时，圆环与伸缩杆接触点为伸缩杆远离其转动中心的一端使得圆环的上升对伸缩杆的抬举作用更加轻易，从而降低了电磁铁的工作负担；将伸缩杆远离其转动中心的一端设为圆球状结构使得伸缩杆与探测杆之间的接触面积减小，从而降低了伸缩杆在探测杆表面移动时的摩擦力，进而提高了本发明的测量精度；伸缩杆采用玻璃材料制成使得伸缩杆的表面光滑，从而使得伸缩杆在于探测杆以及圆环接触时的摩擦系数减小，进而降低了测量误差。

优选的，所述斜槽的长度值与其高度值的比为3:1，所述斜槽用于带动滑板上升；工作时，斜槽的形状直接影响到滑板的上升速度和幅度，将斜槽的长度值与其高度值的比设为3:1，使得滑板在上升的过程中具有较小的提升幅度和速度，从而使得滑板移动一定的距离后才可使得滑板产生较小的上升幅度；因伸缩杆的转动角度变化较慢，滑板的上升应当同步慢，所以滑板的水平移动距离值较大便于电磁铁对滑板位置进行调节，同时也减少了伸缩杆的转动角度误差，从而进一步的降低了滑板的位置误差带来的测量误差，进而保证了测量的精度。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所述的一种三维压力传感器，通过一号压力传感器和二号压力传感器对不确定方向的压力进行分解、分析和测量，最终将得到的信号汇总，得到最终的压力，提高了压力传感器的适用范围，也提高了压力传感器的测量精度。

2.本发明所述的一种三维压力传感器，通过圆环的设置来对伸缩杆的位置进行调节，从而使得伸缩杆与探测杆始终处于垂直状态，从而保证了测量的精度，同时，圆环的转动设置使得滑板的移动更加顺畅，进一步的保证了测量的精度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的三维图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是滑板与斜槽的位置关系示意图；

图4是图3中A处的局部放大图；

图5是二号压力传感器与气缸的位置关系示意图；

图6是圆球与圆环的位置关系示意图；

图中：壳体1、一号压力传感器2、探测杆3、伸缩杆4、矩形盒5、圆筒6、气缸7、二号压力传感器8、数据传输口9、电源接口10、电磁铁11、导轨12、滑槽13、斜槽14、滑块15、滑板16、限位板17、复位弹簧18、直杆19、转环20、圆球21、圆环22、环形槽23、限位槽24。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图6所示，本发明所述的一种三维压力传感器，包括壳体1，所述壳体1顶端设有开口，所述壳体1为圆柱状结构，所述壳体1内腔底部固定有一号压力传感器2，所述一号压力传感器2顶端球连接有探测杆3，所述探测杆3用于接收压力，所述一号压力传感器2用于测量Z方向的压力，所述壳体1的内侧壁上沿其周向等距离铰接有两个以上的伸缩杆4，所述伸缩杆4为空腔结构，所述壳体1底端固定有矩形盒5，所述矩形盒5内固定有圆筒6，所述伸缩杆4上连接有气管，所述气管远离伸缩杆4的一端与圆筒6内腔连通，所述圆筒6底端固定有气缸7，所述圆筒6内腔与气缸7的内腔通过气管连通，所述伸缩杆4用于向气缸7中输入气体，所述壳体1底端固定有二号压力传感器8，所述二号压力传感器8用于测量X方向和Y方向的压力，所述气缸7的输出端固定在二号压力传感器8上，所述壳体1底端设有数据传输口9和电源接口10，所述数据传输口9与一号压力传感器2、二号压力传感器8电性连接，所述壳体1内腔中设有控制器，控制器用于控制三维压力传感器工作；工作时，现有压力传感器只能对单个方向的压力进行测量，也有对三个方向的力进行测量，但是需要通过几个单独的压力传感器来完成，在对同一受力点上的不确定方向的受力无法进行测量，从而造成压力传感器的适用范围有限，本发明对这一问题进行了改进；通过设置有探测杆3，使得压力作用在探测杆3上；压力作用在探测杆3上后使得探测杆3产生转动，从而使得探测杆3对一号压力传感器2产生挤压；同时，探测杆3在转动的同时挤压转动方向的一个或多个伸缩杆4，使得伸缩杆4中的气体进入到圆筒6中，进入到圆筒6中的气体进入到气缸7中，从而使得气缸7的输出轴端伸长；气缸7的输出轴端与二号压力传感器8接触，气缸7的输出轴对二号压力传感器8产生挤压，使得二号压力传感器8产生信号；一号压力传感器2和二号压力传感器8将受到的信号输送至控制器，控制器对信号进行接受和处理后通过数据传输口9输出到终端；本发明通过一号压力传感器2和二号压力传感器8对不确定方向的压力进行分解、分析和测量，最终将得到的信号汇总，得到最终的压力，提高了压力传感器的适用范围，也提高了压力传感器的测量精度；在撤回压力后，气缸7中的气体返回到各个伸缩杆4中，使得伸缩杆4带动探测杆3回到初始位置；因伸缩杆4以及气缸7在收缩时具有摩擦，以及探测杆3与伸缩杆4之间的摩擦等因素会对测量的结果产生影响，需要对本发明进行不同压力值、不同方向加压的多次试验，建立数据库，使得实际测量时可以对误差因素进行补偿和消除。

作为本发明的一种具体实施方式，所述壳体1内腔底部沿其周向等距离固定有两个以上的电磁铁11和导轨12，所述导轨12顶端设有弧形的滑槽13，滑槽13的内侧壁上设有斜槽14，斜槽14内活动安装有两个以上的滑块15，滑槽13内活动安装有滑板16，所述滑块15固定在滑板16的侧壁上，滑槽13内固定有限位板17，所述限位板17与相邻滑板16之间固定有复位弹簧18，所述滑板16为铁质材料制成，所述滑板16顶端固定有直杆19，所述直杆19顶端固定有转环20，所述转环20与伸缩杆4的侧壁贴合，所述转环20用于调节伸缩杆4的角度；工作时，探测杆3在偏转的过程中与伸缩杆4的接触点发生变化，从而使得伸缩杆4与探测杆3之间不是垂直状态，进而影响到测量的精度；通过设置有电磁铁11，在探测杆3产生偏转后，使得二号压力传感器8接受到数据，同时控制器从数据库中调取数据，使得电磁铁11产生对应的吸力；电磁铁11工作时对滑板16产生吸引，使得滑板16在滑槽13内滑动；因设置有滑块15，滑板16在滑动的过程中沿着斜槽14的轨迹上升；上升的滑板16带动直杆19上升，使得转环20上升，从而使得与转环20接触的伸缩杆4产生转动；伸缩杆4的转动角度因转环20的上升幅度来决定，而转环20的上升幅度因探测杆3的偏转幅度来决定；在伸缩杆4产生转动后使得伸缩杆4的端部与探测杆3之间处于垂直状态，从而使得伸缩杆4的伸缩与探测杆3的偏转程度呈比例关系，进而保证了本发明的测量精度。

作为本发明的一种具体实施方式，所述转环20顶端设有环形槽23，环形槽23内设有两个以上的圆球21，环形槽23内活动安装有圆环22；工作时，转环20上升的同时会产生转动，使得转环20与伸缩杆4之间产生较大的摩擦，从而对滑板16的移动距离产生影响；滑板16移动受阻会影响到伸缩杆4的转动，从而影响到本发明的测量精度；通过设置有圆球21，在转环20转动的过程中使得圆球21在环形槽23内转动，圆球21转动的过程中使得圆环22保持静止，从而使得圆环22始终与伸缩杆4接触；圆环22不动使得伸缩杆4与转环20之间的接触摩擦变成圆球21的滚动摩擦，使得伸缩杆4的转动位置更加精确，从而使得本发明在的测量精度得到保证；另外，滑块15的移动阻力减小也降低了电磁铁11的工作负担，使得电磁铁11的使用寿命得到保证。

作为本发明的一种具体实施方式，所述圆环22顶端设有限位槽24，限位槽24与伸缩杆4外形一致，所述圆环22底端设有卡槽；工作时，圆环22在上升的过程中其底部的圆球21不断的产生转动，使得圆环22同样可能产生转动；通过在圆环22顶端设有限位槽24，使得限位槽24与伸缩杆4接触，在伸缩杆4转动的过程中始终在限位槽24内，避免了圆环22的转动；同时，伸缩杆4转动的过程中与圆环22的点接触会使得伸缩杆4表面产生划痕，从而影响到两者之间的滑动；限位槽24的设置使得两者之间的接触变成线接触，从而使得圆环22对伸缩杆4的局部压强降低，避免了伸缩杆4的表面破坏，从而保证了两者的相对运动；圆环22底端设置的卡槽使得圆环22与圆球21可以更好的接触，避免圆环22产生出现跑偏以及单边翘起的问题，从而保证了圆环22的正常使用。

作为本发明的一种具体实施方式，所述圆环22与伸缩杆4接触点为伸缩杆4远离其转动中心的一端，所述伸缩杆4远离其转动中心的一端为圆球21状结构，所述伸缩杆4采用玻璃材料制成；工作时，圆环22与伸缩杆4接触点为伸缩杆4远离其转动中心的一端使得圆环22的上升对伸缩杆4的抬举作用更加轻易，从而降低了电磁铁11的工作负担；将伸缩杆4远离其转动中心的一端设为圆球21状结构使得伸缩杆4与探测杆3之间的接触面积减小，从而降低了伸缩杆4在探测杆3表面移动时的摩擦力，进而提高了本发明的测量精度；伸缩杆4采用玻璃材料制成使得伸缩杆4的表面光滑，从而使得伸缩杆4在于探测杆3以及圆环22接触时的摩擦系数减小，进而降低了测量误差。

作为本发明的一种具体实施方式，所述斜槽14的长度值与其高度值的比为3:1，所述斜槽14用于带动滑板16上升；工作时，斜槽14的形状直接影响到滑板16的上升速度和幅度，将斜槽14的长度值与其高度值的比设为3:1，使得滑板16在上升的过程中具有较小的提升幅度和速度，从而使得滑板16移动一定的距离后才可使得滑板16产生较小的上升幅度；因伸缩杆4的转动角度变化较慢，滑板16的上升应当同步慢，所以滑板16的水平移动距离值较大便于电磁铁11对滑板16位置进行调节，同时也减少了伸缩杆4的转动角度误差，从而进一步的降低了滑板16的位置误差带来的测量误差，进而保证了测量的精度。

工作时，现有压力传感器只能对单个方向的压力进行测量，也有对三个方向的力进行测量，但是需要通过几个单独的压力传感器来完成，在对同一受力点上的不确定方向的受力无法进行测量，从而造成压力传感器的适用范围有限，本发明对这一问题进行了改进；通过设置有探测杆3，使得压力作用在探测杆3上；压力作用在探测杆3上后使得探测杆3产生转动，从而使得探测杆3对一号压力传感器2产生挤压；同时，探测杆3在转动的同时挤压转动方向的一个或多个伸缩杆4，使得伸缩杆4中的气体进入到圆筒6中，进入到圆筒6中的气体进入到气缸7中，从而使得气缸7的输出轴端伸长；气缸7的输出轴端与二号压力传感器8接触，气缸7的输出轴对二号压力传感器8产生挤压，使得二号压力传感器8产生信号；一号压力传感器2和二号压力传感器8将受到的信号输送至控制器，控制器对信号进行接受和处理后通过数据传输口9输出到终端；本发明通过一号压力传感器2和二号压力传感器8对不确定方向的压力进行分解、分析和测量，最终将得到的信号汇总，得到最终的压力，提高了压力传感器的适用范围，也提高了压力传感器的测量精度；在撤回压力后，气缸7中的气体返回到各个伸缩杆4中，使得伸缩杆4带动探测杆3回到初始位置；因伸缩杆4以及气缸7在收缩时具有摩擦，以及探测杆3与伸缩杆4之间的摩擦等因素会对测量的结果产生影响，需要对本发明进行不同压力值、不同方向加压的多次试验，建立数据库，使得实际测量时可以对误差因素进行补偿和消除。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种三维压力传感器，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)顶端设有开口，所述壳体(1)为圆柱状结构，所述壳体(1)内腔底部固定有一号压力传感器(2)，所述一号压力传感器(2)顶端球连接有探测杆(3)，所述探测杆(3)用于接收压力，所述一号压力传感器(2)用于测量Z方向的压力，所述壳体(1)的内侧壁上沿其周向等距离铰接有两个以上的伸缩杆(4)，所述伸缩杆(4)为空腔结构，所述壳体(1)底端固定有矩形盒(5)，所述矩形盒(5)内固定有圆筒(6)，所述伸缩杆(4)上连接有气管，所述气管远离伸缩杆(4)的一端与圆筒(6)内腔连通，所述圆筒(6)底端固定有气缸(7)，所述圆筒(6)内腔与气缸(7)的内腔通过气管连通，所述伸缩杆(4)用于向气缸(7)中输入气体，所述壳体(1)底端固定有二号压力传感器(8)，所述二号压力传感器(8)用于测量X方向和Y方向的压力，所述气缸(7)的输出端固定在二号压力传感器(8)上，所述壳体(1)底端设有数据传输口(9)和电源接口(10)，所述数据传输口(9)与一号压力传感器(2)、二号压力传感器(8)电性连接，所述壳体(1)内腔中设有控制器，控制器用于控制三维压力传感器工作。

2.根据权利要求1所述的一种三维压力传感器，其特征在于：所述壳体(1)内腔底部沿其周向等距离固定有两个以上的电磁铁(11)和导轨(12)，所述导轨(12)顶端设有弧形的滑槽(13)，滑槽(13)的内侧壁上设有斜槽(14)，斜槽(14)内活动安装有两个以上的滑块(15)，滑槽(13)内活动安装有滑板(16)，所述滑块(15)固定在滑板(16)的侧壁上，滑槽(13)内固定有限位板(17)，所述限位板(17)与相邻滑板(16)之间固定有复位弹簧(18)，所述滑板(16)为铁质材料制成，所述滑板(16)顶端固定有直杆(19)，所述直杆(19)顶端固定有转环(20)，所述转环(20)与伸缩杆(4)的侧壁贴合，所述转环(20)用于调节伸缩杆(4)的角度。

3.根据权利要求2所述的一种三维压力传感器，其特征在于：所述转环(20)顶端设有环形槽(23)，环形槽(23)内设有两个以上的圆球(21)，环形槽(23)内活动安装有圆环(22)。

4.根据权利要求3所述的一种三维压力传感器，其特征在于：所述圆环(22)顶端设有限位槽(24)，限位槽(24)与伸缩杆(4)外形一致，所述圆环(22)底端设有卡槽，所述圆环(22)的直径值小于转环(20)的直径值。

5.根据权利要求4所述的一种三维压力传感器，其特征在于：所述圆环(22)与伸缩杆(4)接触点为伸缩杆(4)远离其转动中心的一端，所述伸缩杆(4)远离其转动中心的一端为圆球(21)状结构，所述伸缩杆(4)采用玻璃材料制成。

6.根据权利要求2所述的一种三维压力传感器，其特征在于：所述斜槽(14)的长度值与其高度值的比为3:1，所述斜槽(14)用于带动滑板(16)上升。

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