CN204575226U - 一种用于探测微弱应力的传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于探测微弱应力的传感器。该应力传感器包括支撑壳体以及位于支撑壳体内部的电感线圈；支撑壳体包括柔性支撑面，柔性支撑面上方连接柔性突起，柔性支撑面下方连接为电感线圈提供磁场的磁场单元；工作状态时，外界微弱应力作用在柔性突起上，柔性突起产生压应力带动柔性支撑面发生形变，引起磁场单元作用于电感线圈中的磁通量变化，线圈阻抗随之改变，线圈两端输出该阻抗，从而能够实现对外界微弱应力应变的探测，例如脉搏的起伏、气流的冲撞或者声音音量振动等所产生的应力。该应力传感器具有结构简单，成本低，灵敏度高的优点，具有良好的应用前景。

Description

一种用于探测微弱应力的传感器

技术领域

本实用新型涉及微弱应力探测技术，在微弱脉搏检测、噪音检测以及流量检测等领域具有良好的应用前景。

背景技术

压力传感器是工业中常用的传感器之一，广泛应用于工业自动控制领域，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、机床等众多行业。

随着柔性电子学及可穿戴设备的发展，应力传感器越来越受到人们的关注。传统的压力传感器可以分为压阻式、电容式、压电式等几大类。

压电式压力传感器是根据压电效应制成的传感器，具有结构简单、重复性好、精度较高、灵敏度好、动态范围宽、机械性能优良等优点，但是存在信号采集电路复杂、成本高等不足。

压阻式压力传感器利用金属或者半导体的电阻随外界压力的变化而变化的原理进行工作。目前应用的压阻式压力传感器主要是硅基压力传感器，具有应用广泛、动态范围宽、利于集成等优点。但是，硅基压力传感器的使用温度一般低于125℃，不能在高温下使用，并且所测量的压力下限一般为1000Pa，不能测量超微压力。

电容式压力传感器利用电容量随压力改变而变化的原理实现外界压力的检测，具有结构简单、功耗低、线性度好、体积小等优点。但是，电容式应力传感器易受到连接导线中的寄生电容影响，因此对测量电路要求较高。

上述应力传感器在工业中均有较为广泛的应用，但是适合测量微弱应力或微弱应变的传感器却不常见，例如用于探测脉搏产生等。

实用新型内容

针对上述技术现状，本实用新型旨在提供一种用于探测微弱应力的传感器。

为了实现上述技术目的，本实用新型在本实用新型中所提供的技术方案是：一种用于探测微弱应力的传感器，包括支撑壳体，以及位于支撑壳体内部的电感线圈；所述的电感线圈包括磁芯与空心线圈，磁芯穿过空心线圈内部；

所述的支撑壳体包括柔性支撑面，柔性支撑面上方连接柔性突起，柔性支撑面下方连接磁场单元，用于为电感线圈提供磁场；

工作状态时，外界微弱应力作用在柔性突起上，柔性突起产生压应力带动柔性支撑面发生形变，引起磁场单元作用于电感线圈中的磁通量变化，线圈阻抗随之改变，线圈两端为阻抗输出端，线圈两端输出该阻抗。

外界微弱应力的来源不限，可以是脉搏的起伏、气流的冲撞、声音音量引起的振动等。

所述的柔性支撑面材料不限，可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶等柔性材料。

所述的柔性突起材料不限，可以是PDMS、橡胶等柔性材料。

当柔性支撑面材料的柔性较大时，有利于柔性支撑面发生较大形变，从而提高应力传感灵敏度。因此，作为优选，所述的柔性支撑面材料的柔性大于柔性突起材料的柔性。

所述的磁场单元用于为电感线圈提供磁场，其材料不限，包括柔性材料与非柔性材料。作为优选，所述的磁场单元为柔性材料。作为一种优选的实现方式，所述的磁场单元由柔性材料PDMS与分布在PDMS中的磁粉组成。所述的磁粉包括但不限于永磁粉，例如铁氧体等。

所述的磁芯为磁性材料，包括但不限于磁性金属、磁性合金、非晶磁性材料等。

非晶磁致伸缩材料是非晶磁性材料中的一种。非晶磁致伸缩材料具有良好的巨磁阻抗以及巨应力阻抗效应，与巨应力阻抗效应相比，巨磁阻抗效应更为明显，即微弱的磁场变化将会导致非晶磁致伸缩材料的阻抗发生变化。因此，本实用新型中，磁芯选用非晶磁致伸缩材料有利于提高应力传感灵敏度。

所述的非晶磁致伸缩材料可以是铁基非晶软磁材料或者钴基非晶软磁材料，包括但不限于FeSiB、FeCuNbSiB、FeNiSiB、FeCoSiB、GdFeCo、CoSiB等。

所述的空心线圈结构不限，可以是漆包线绕行在空心筒外围而形成。

在柔性支撑面中，位于柔性突起正下方的位置的形变最大，因此，作为优选，所述的磁场单元位于柔性突起的正下方，有利于提高传感灵敏度。

所述的支撑壳体的形状不限，可以是中空柱体(或称为鼓形)，其横截面形状不限，包括圆形、矩形、多边形等，也可以是中空锥体，其横截面形状不限，包括圆形、矩形、多边形等。

所述的突起面形状不限，包括球面、椭圆面、圆柱面等。

所述的阻抗输出端与阻抗分析仪相连接，或者阻抗输出端与电阻构成惠斯通电桥结构，并且阻抗输出端为惠斯通电桥的一个桥臂，惠斯通电桥的输出与电压表或电流表或阻抗分析仪相连接。

本实用新型还提供了一种制备上述应力传感器的方法，其中，所述的支撑壳体材料为PDMS、柔性突起材料为PDMS、磁场单元由PDMS与分布在PDMS中的磁粉组成，包括如下步骤：

(1)制备磁场单元 

PDMS主剂与固化剂组成PDMS混合液，将PDMS混合液与磁粉混合均匀，在60～120℃中烘干，然后取出在磁场中磁化。

步骤(1)中，作为优选，所述的PDMS混合液中，PDMS主剂与固化剂的质量比为10：1～2：1。

步骤(1)中，作为优选，所述的PDMS混合液与磁粉的质量比为10：1～2：1。

步骤(1)中，作为优选，所述的磁场强度为1～2特斯拉。

步骤(1)中，作为优选，所述的烘干时间为0.5～4小时。

(2)制备支撑壳体 

支撑壳体由壳体底座以及壳体上部分组成，所述的壳体上部分包括除壳体底座外的壳体其余部分，即包括柔性支撑面。

(2-1)制备壳体上部分

采用模具制备所述的壳体上部分，壳体上部分的模具，由上模具与下模具组成；将PDMS主剂与固化剂混合均匀后灌注在下模具中，然后将磁场单元放置在下模具底部中央位置，再扣合上模具，经烘干后，得到集成磁场单元的壳体上部分8。

步骤(2-1)中，作为优选，PDMS主剂与固化剂的质量比为15：1～5：1。

步骤(2-1)中，作为优选，所述的烘干温度为60～120℃。

步骤(2-1)中，作为优选，所述的烘干时间为0.5～3小时。

(2-2)制备壳体底座 

采用模具制备所述的壳体底座；将PDMS主剂与固化剂混合均匀后灌注在壳体底座模具中，然后将电感线圈置于壳体底座模具的底部中央位置，再倒扣步骤(2-1)制得的集成磁场单元的壳体上部分，经烘干后，得到集成磁场单元与电感线圈的支撑壳体。

步骤(2-2)中，作为优选，PDMS主剂与固化剂的质量比为10：1～3：1。

步骤(2-2)中，作为优选，所述的烘干温度为60～100℃。

步骤(2-2)中，作为优选，所述的烘干时间为0.5～3小时。

(3)制备突起

采用模具制备所述的突起，将PDMS主剂与固化剂混合均匀后置于突起模具中，烘干后取出脱模，得到突起。

步骤(3)中，作为优选，PDMS主剂与固化剂的质量比为10：1～2：1。

步骤(3)中，作为优选，所述的烘干温度为60～120℃；

步骤(3)中，作为优选，所述的烘干时间为0.5～4小时；

(4)将步骤(3)制得的突起置于柔性支撑面的上表面，连接位置处涂覆PDMS主剂与固化剂的混合液，然后烘干，突起粘接在柔性支撑面上。

步骤(4)中，作为优选，PDMS主剂与固化剂的质量比为10：1～2：1；

步骤(4)中，作为优选，所述的烘干温度为60～120℃。

综上所述，本实用新型采用柔性支撑体、柔性突起，磁场单元以及电感线圈，通过结构设计，将外界微弱应力作用在柔性突起上，柔性突起产生压应力带动柔性支撑面发生形变，引起磁场单元作用于电感线圈中的磁通量变化，线圈阻抗随之改变，通过线圈两端输出该阻抗，从而实现了对外界微弱应力应变的探测。该压力传感器结构简单，成本低，灵敏度高，尤其是当电感线圈中的磁芯为具有巨磁阻抗材料时，由微弱压力信号产生的微弱磁场变化会导致明显的线圈阻抗变化，从而能够进一步提高检测灵敏度。另外，该压力传感器生物兼容性好，并且具有 无线探测兼容性，因此适用于探测各种微弱应力或微弱应变，例如用于探测脉搏产生的应力，气流产生的应力，以及声音产生的应力等，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型实施例中用于检测微弱应力的传感器的结构示意图；

图2是用于制备图1中柔性支撑体下部分的下模具结构示意图；

图3是用于制备图1中柔性支撑体下部分的上模具结构示意图；

图4是利用图1所示压力传感器探测脉搏的结果图。

具体实施方案

下面结合附图与实施例，进一步阐明本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围。

图1至3中的附图标记为：柔性支撑面1、电感线圈2、壳体侧壁3、磁场单元4、突起5、位置6、位置7、集成磁场单元的壳体上部分8。

本实施例中，如图1所示，用于探测微弱应力的传感器包括支撑壳体，以及位于支撑壳体内部的电感线圈2组成。

电感线圈2包括磁芯与空心线圈，磁芯穿过空心线圈内部。磁芯为钴基非晶软磁材料。线圈是铜线绕行100匝而制成。

支撑壳体呈中空圆柱状，又称“鼓状”结构。圆柱顶面为柔性支撑面1。柔性支撑面1上方连接柔性突起5，柔性支撑面下方连接磁场单元4，磁场单元4用于为电感线圈2提供磁场。柔性突起面呈椭圆面。

柔性支撑面材料为PDMS。柔性突起材料为PDMS。磁场单元由PDMS与分布在PDMS中的磁粉组成。

线圈两端与阻抗分析仪相连接，或者线圈两端与电阻构成惠斯通电桥结构，且线圈两端为惠斯通电桥的一个桥臂，惠斯通电桥的输出与电压表或电流表或阻抗分析仪相连接。

上述应力传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)制备磁场单元 

PDMS主剂呈液态，由PDMS主剂与固化剂按质量比为10：1混合组成PDMS混合液，将PDMS混合液与磁粉按质量比为2：1混合均匀，在120℃中烘干1小时后取出，然后在2特斯拉磁场中磁化，得到磁场单元；

(2)制备支撑壳体 

支撑壳体由壳体底座以及壳体上部分组成，所述的壳体上部分包括除壳体底座外的壳体其余部分，即包括柔性支撑面1与壳体侧壁3；

(2-1)制备壳体上部分

采用模具制备所述的壳体上部分，壳体上部分的模具结构示意图如图2所示，由上模具与下模具组成；将PDMS主剂与固化剂按照质量比为10：1混合均匀后灌注在下模具中，然后将步骤(1)制得的磁场单元放置在下模具底部中央位置，如图2中位置6所示，再扣合上模具，在120℃烘干3小时，得到集成磁场单元的壳体上部分8。

(2-2)制备壳体底座 

采用模具制备所述的壳体底座，壳体底座模具结构示意图如图3所示；将PDMS主剂与固化剂按照质量比为10：1混合均匀后灌注在壳体底座模具中，然后将电感线圈置于壳体底座模具的底部中央位置，如图3所示的位置7，再扣合上步骤(2-1)制得的集成磁场单元的壳体上部分8，经70℃烘干3小时后，得到集成磁场单元与电感线圈的支撑壳体。

(3)制备突起

将PDMS主剂与固化剂按照质量比为5：1混合均匀后灌注于半椭圆形模具中，在60～120℃中烘干0.5～4小时后取出，得到突起。

(4)将步骤(3)制得的突起放置在步骤(2)制得的柔性支撑体的支撑面上位于磁场单元正上方，连接位置处涂覆由PDMS主剂与固化剂混合形成的PDMS混合液，然后烘干，突起粘接在支撑体的支撑面上。

工作状态时，外界微弱应力作用在柔性突起5上，柔性突起5产生压应力带动柔性支撑面1发生形变，该柔性支撑面1的形变引起磁场单元4作用于电感线圈2中的磁通量变化，线圈阻抗随之改变，线圈两端为阻抗输出端，线圈两端输出该阻抗，从而实现了外界微弱应力的探测。

其中，外界微弱应力的来源不限，可以是脉搏的起伏、气流的冲撞、声音音量引起的振动等。

利用该应力传感器探测某人体脉搏起伏产生的应力，即将柔性突起接触人体脉搏，所得的探测结果图如图4所示，从图中可以得知该被探测者的心率周期以及脉搏强弱信息。

以上所述的实施例对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的具体实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于探测微弱应力的传感器，其特征是：包括支撑壳体，以及位于支撑壳体内部的电感线圈；所述的电感线圈包括磁芯与空心线圈，磁芯穿过空心线圈内部；

所述的支撑壳体包括柔性支撑面，柔性支撑面上方连接柔性突起，柔性支撑面下方连接用于为电感线圈提供磁场的磁场单元；

工作状态时，外界微弱应力作用在柔性突起上，柔性突起产生压应力带动柔性支撑面发生形变，引起磁场单元作用于电感线圈中的磁通量变化，线圈阻抗随之改变，线圈两端为阻抗输出端，线圈两端输出该阻抗。

2.如权利要求1所述的用于探测微弱应力的传感器，其特征是：所述的外界微弱应力来源于脉搏的起伏、气流的冲撞或者声音音量引起的振动。

3.如权利要求1所述的用于探测微弱应力的传感器，其特征是：所述的柔性支撑面材料的柔性大于柔性突起材料的柔性。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的用于探测微弱应力的传感器，其特征是：所述的磁场单元位于柔性突起的正下方。

5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的用于探测微弱应力的传感器，其特征是：所述的支撑壳体的形状是中空柱体，其横截面形状是圆形、矩形或者多边形；或者，所述的支撑壳体的形状是中空锥体，其横截面形状是圆形、矩形或者多边形。

6.如权利要求1至3中任一权利要求所述的用于探测微弱应力的传感器，其特征是：所述的突起面形状是球面、椭圆面或者圆柱面。

7.如权利要求1至3中任一权利要求所述的用于探测微弱应力的传感器，其特征是：所述的阻抗输出端与阻抗分析仪相连接，或者阻抗输出端与电阻构成惠斯通电桥结构，并且阻抗输出端为惠斯通电桥的一个桥臂，惠斯通电桥的输出与电压表或电流表或阻抗分析仪相连接。