CN114894350A - 一种高性能压电式应变传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，公开了一种高性能压电式应变传感器包括：作业桶，内部形成作业空间。压电元件，阵列式的固定设置在作业桶的内壁。电路板，埋置在作业桶的内部，并与压电元件连接，其用于接收压电元件接收压力后产生的电信号。连接杆，滑动贯穿作业桶的一端并伸入到作业桶的内部，连接杆用于固定连接外部部件。按压凸出，径向滑动设置在连接杆上，用于按压作业桶内壁上的压电元件。压力感应单元，其用于感应外接部件的轴向压力。计时模块，其用于获得当前时间点ti。信号转化单元，接收压力感应单元感应外接部件的轴向压力Fi和当前压电元件角度θi。本压电式应变传感器检测压力、转动速度和角度定位，检测能力强，且定位精确。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种高性能压电式应变传感器。
背景技术
压电式传感器是一种基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器、测量电路放大、变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为电的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。
现有的压电加速度传感器是通过在压电元件支架与传感器底座之间设置绝缘片来实现支架与底座之间的绝缘，在安装过程中，通过粘胶的方式来依次连接支架、绝缘片以及底座。智能感应单方向的压力，并不能根据实际生产中进行特定形式的检测，造成检测不变。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高性能压电式应变传感器，所述的高性能压电式应变传感器包括：
作业桶，内部形成作业空间；
压电元件，阵列式的固定设置在作业桶的内壁；
电路板，埋置在作业桶的内部，并与压电元件连接，其用于接收压电元件接收压力后产生的电信号；
连接杆，滑动贯穿作业桶的一端并伸入到作业桶的内部，连接杆用于固定连接外部部件；
按压凸出，径向滑动设置在连接杆上，用于按压作业桶内壁上的压电元件；
压力感应单元，其用于感应外接部件的轴向压力；
计时模块，其用于获得当前时间点ti；
信号转化单元，接收压力感应单元感应外接部件的轴向压力Fi和当前压电元件角度θi，计算获得当前转速为
感应外接部件方向角度θi’＝θi+θ0，其中，θ0为外接部件标定夹角。
优选的：所述作业桶包括基座、筒体和桶盖，基座固定连接在筒体的一端端部，桶盖连接在筒体的另一端，形成作业桶内部的作业空腔。
优选的：所述压电元件的内侧设置有保护层。
优选的：所述连接杆的连接端设置有连接部，外接部件通过连接部与连接杆固定连接。
优选的：所述连接部包括多棱柱和凸出条，多棱柱的端部外壁径向固定连接有凸出条，凸出条与外接部件内部卡槽吻合并嵌入。
优选的：所述按压凸出固定连接有内嵌杆，连接杆的外壁径向开设有移动槽，内嵌杆滑动嵌套在移动槽的内部。
优选的：所述移动槽是截面为凸字形的多棱槽结构，内嵌杆是截面为凸字形的多棱柱结构，内嵌杆滑动嵌套在移动槽的内部。
优选的：所述然压力感应单元包括弹簧和挡件，弹簧放置在作业桶的内部，挡件固定连接在连接杆上用于对弹簧进行限位，桶盖的端部固定安装有微型电机，作业桶的端部开设有滑动槽，滑动槽的内部滑动设置有滑动块，弹簧处于挡件和滑动块之间，微型电机的输出轴同轴固定连接有丝杆，丝杆配合嵌套在穿过滑动块；在微型电机的驱动下，滑动块在滑动槽的内部轴向滑动。
优选的：所述丝杆的端部为圆柱状结构，连接杆的内嵌端开设有轴向的内嵌孔，丝杆的端部滑动嵌套在内嵌孔的内部。
优选的：所述轴向压力Fi计算方法为：信号转化单元根据检测类型查找一个预先设置的类型-压力信息表，获得初始压力F0；信号转化单元计算压缩量
并控制微型电机驱动滑动块移动量为△x＝x1-x0，其中，x0为弹簧的原始压缩量；通过按压凸出触碰到轴向压电元件位移，获得压电元件的当前时间点ti的轴向位移xi，信号转化单元计算获得当前压力为Fi＝k(x1+xi)。
本发明的技术效果和优点：本压电式应变传感器可以检测压力、转动速度和角度定位，检测能力强，且定位精确。通过改变弹簧的压缩量可以改变检测的初始压力，从而可以适用多种检测类型，检测能力强，且实现了智能控制，控制性能高。
附图说明
图1为本发明提出的一种高性能压电式应变传感器的立体结构示意图。
图2为本发明提出的一种高性能压电式应变传感器的俯视结构示意图。
图3为图2中A-A截面的局部剖视结构示意图。
图4为图1中a的局部放大结构示意图。
图5为图3中b的局部放大结构示意图。
附图标记说明：作业桶1，基座2，筒体3，桶盖4，连接杆5，多棱柱6，凸出条7，挡件8，按压凸出9，弹簧10，电路板11，压电元件12，保护层13，内嵌孔14，丝杆15，滑动槽16，滑动块17，微型电机18，移动槽19，内嵌杆20。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
参考图1～图3，在本实施例中提出了一种高性能压电式应变传感器，用于检测外接部件的按压力度、转动方向和速度，所述的高性能压电式应变传感器包括：
作业桶1，内部形成作业空间，作业桶1可以是圆桶状结构，可以是由不锈钢和绝缘层、玻璃钢等刚性结构构成。作业桶1可以包括基座2、筒体3和桶盖4，基座2固定连接在筒体3的一端端部，桶盖4连接在筒体3的另一端，从而形成作业桶1内部的作业空腔。筒体3和基座2、桶盖4之间可以通过螺纹连接、卡接或者焊接，其中以螺纹连接为宜，螺纹连接稳定性好，且可以实现可拆卸连接，具体在此不做赘述。基座2和桶盖4的外部可以是六棱柱结构，便于拧动，具体在此不做赘述。
压电元件12，阵列式的固定设置在作业桶1的内壁，所述的阵列式包括圆周阵列设置，圆周阵列并呈轴向线性分布，从而可以均为布设在作业桶1的内部，通过压电元件12在同一水平高度的压电元件12可以确定外接部件的角度，通过轴向的压电元件12位置不同可以确定连接杆5的相对轴向位移，具体在此不做赘述。电路板11，埋置在作业桶1的内部，并与压电元件12连接，用于接收压电元件12接收压力后产生的电信号，压电元件12产生的电信号包括力的大小和压电元件12的编号或者位置，具体在此不做赘述。压电元件12的内侧设置有保护层13，保护层13为柔性结构，覆盖在压电元件12的内侧，可以对压电元件12进行保护，且不对内侧按压力不造成阻碍或者阻碍力度可知，具体在此不做赘述。
参考图4，连接杆5，滑动贯穿作业桶1的一端并伸入到作业桶1的内部，连接杆5用于固定连接外部部件，外部部件可以是转动杆，转动杆可以转动并受外力按压，转动杆可以连接外部检测设备，具体在此不做赘述。连接杆5的连接端可设置有连接部，外接部件通过连接部与连接杆5固定连接，连接部可以是螺纹连接或者卡接，还可以包括多棱柱6和凸出条7，多棱柱6可以是六棱柱结构，多棱柱6的端部外壁径向固定连接有凸出条7，通过多棱柱6避免了连接杆5和外接部件的非转动连接，通过凸出条7可以与外接部件内部卡槽吻合并嵌入，避免了外接部件脱离。
参考图5，按压凸出9，径向滑动设置在连接杆5上，用于按压作业桶1内壁上的压电元件12，按压凸出9的可以固定连接有内嵌杆20，连接杆5的外壁径向开设有移动槽19，内嵌杆20滑动嵌套在移动槽19的内部，当连接杆5转动时，按压凸出9受到离心力作用径向向外滑动，使内嵌杆20在移动槽19的内部滑动。移动槽19是截面为凸字形的多棱槽结构，内嵌杆20是截面为凸字形的多棱柱结构，内嵌杆20滑动嵌套在移动槽19的内部，从而避免了按压凸出9脱离，当然由于作业桶1内壁的限制，按压凸出9装入后不会脱离，具体在此不做赘述。
压力感应单元，用于感应外接部件的轴向压力，所述的压力感应单元可以是轴向设置的晶片等，此时的压电元件12可以为一圈设置，外接部件没有轴向位移。当然压力感应单元还可以为弹簧10和挡件8，弹簧10放置在作业桶1的内部，挡件8固定连接在连接杆5上用于对弹簧10进行限位；移动槽19可以开设在挡件8上，具体在此不做赘述。挡件8可以是圆盘状结构、径向均设的杆状结构，具体在此不做赘述。桶盖4的端部可以固定安装有微型电机18，作业桶1的端部开设有滑动槽16，滑动槽16的内部滑动设置有滑动块17，弹簧10处于挡件8和滑动块17之间，微型电机18的输出轴同轴固定连接有丝杆15，丝杆15配合嵌套在穿过滑动块17。在微型电机18的驱动下，滑动块17可以在滑动槽16的内部轴向滑动，从而可以压缩弹簧10。滑动槽16是多棱槽结构，滑动块17是多棱柱结构，从而限制滑动块17转动。丝杆15的端部为圆柱状结构，连接杆5的内嵌端开设有轴向的内嵌孔14，丝杆15的端部滑动嵌套在内嵌孔14的内部，通过丝杆15配合内嵌孔14，完成了对弹簧10的轴向导向，避免了弹簧10受压力弯曲。
计时模块，用于获得当前时间点ti，计时模块为现有技术，具体在此不做赘述。
信号转化单元，与压电元件12、微型电机18电连接，外接部件连接在连接杆5端部，外接部件受到轴向压力并转动。轴向压力使连接杆5在作业桶1的内部轴向位移，当不需要轴向位移的时候，压力感应单元采用晶片，具体在此不做赘述。信号转化单元根据检测类型查找一个预先设置的类型-压力信息表，从而获得初始压力F0，类型-压力信息表可以通过实验或者经验提前制得。信号转化单元计算压缩量
信号转化单元控制微型电机18驱动滑动块17移动量为△x＝x1-x0，其中，x0为弹簧10的原始压缩量，通过△x的正负号可以控制微型电机18正反驱动和驱动量，控制方便快捷。通过按压凸出9触碰到轴向压电元件12，获得压电元件12的当前时间点ti的轴向位移xi，以及当前压电元件12角度θi，信号转化单元计算获得当前压力为Fi＝k(x1+xi)，当前转速为
外接部件方向角度θi’＝θi+θ0，其中，θ0为外接部件标定夹角。本压电式应变传感器可以检测压力、转动速度和角度定位，检测能力强，且定位精确。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (10)
1.一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述的高性能压电式应变传感器包括：
作业桶，内部形成作业空间；
压电元件，阵列式的固定设置在作业桶的内壁；
电路板，埋置在作业桶的内部，并与压电元件连接，其用于接收压电元件接收压力后产生的电信号；
连接杆，滑动贯穿作业桶的一端并伸入到作业桶的内部，连接杆用于固定连接外部部件；
按压凸出，径向滑动设置在连接杆上，用于按压作业桶内壁上的压电元件；
压力感应单元，其用于感应外接部件的轴向压力；
计时模块，其用于获得当前时间点ti；
信号转化单元，接收压力感应单元感应外接部件的轴向压力Fi和当前压电元件角度θi，计算获得当前转速为
感应外接部件方向角度θi’＝θi+θ0，其中，θ0为外接部件标定夹角。
2.根据权利要求1所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述作业桶包括基座、筒体和桶盖，基座固定连接在筒体的一端端部，桶盖连接在筒体的另一端。
3.根据权利要求1所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述压电元件的内侧设置有保护层。
4.根据权利要求1所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述连接杆的连接端设置有连接部，外接部件通过连接部与连接杆固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述连接部包括多棱柱和凸出条，多棱柱的端部外壁径向固定连接有凸出条，凸出条与外接部件内部卡槽吻合并嵌入。
6.根据权利要求1所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述按压凸出固定连接有内嵌杆，连接杆的外壁径向开设有移动槽，内嵌杆滑动嵌套在移动槽的内部。
7.根据权利要求6所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述移动槽是截面为凸字形的多棱槽结构，内嵌杆是截面为凸字形的多棱柱结构，内嵌杆滑动嵌套在移动槽的内部。
8.根据权利要求1所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述然压力感应单元包括弹簧和挡件，弹簧放置在作业桶的内部，挡件固定连接在连接杆上用于对弹簧进行限位，桶盖的端部固定安装有微型电机，作业桶的端部开设有滑动槽，滑动槽的内部滑动设置有滑动块，弹簧处于挡件和滑动块之间，微型电机的输出轴同轴固定连接有丝杆，丝杆配合嵌套在穿过滑动块。
9.根据权利要求8所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述丝杆的端部为圆柱状结构，连接杆的内嵌端开设有轴向的内嵌孔，丝杆的端部滑动嵌套在内嵌孔的内部。
10.根据权利要求8所述的一种高性能压电式应变传感器，其特征在于，所述轴向压力Fi计算方法为：信号转化单元根据检测类型查找一个预先设置的类型-压力信息表，获得初始压力F0；信号转化单元计算压缩量
并控制微型电机驱动滑动块移动量为△x＝x1-x0，其中，x0为弹簧的原始压缩量；通过按压凸出触碰到轴向压电元件位移，获得压电元件的当前时间点ti的轴向位移xi，信号转化单元计算获得当前压力为Fi＝k(x1+xi)。
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