CN204575227U - 一种电感式应力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种电感式应力传感器。该传感器包括支撑壳体，与支撑壳体外部相连接的应力承受体，以及位于支撑壳体内部的磁体与电感线圈；磁体与承压部分的内壁相连接；工作状态时，磁体为电感线圈提供磁场，外界应力作用在应力承受体上，承压部分受到压应力而发生形变，引起磁体相对于电感线圈发生位移，电感线圈受到的磁场改变，线圈阻抗随之改变，线圈两端输出该阻抗。该传感器结构简单、灵敏度高、成本低，可用于高速公路计重收费系统、工业自动化称量系统等高应力监测，也可用于微应力应变监测。

Description

一种电感式应力传感器

技术领域

本实用新型涉及应力检测领域，尤其是涉及一种电感式应力传感器。

背景技术

应力传感器是工业中常用的传感器之一，具有重要的工业应用价值，已经被广泛应用于水利水电、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。传统的应力传感器以机械结构型器件为主，利用弹性元件的弹性形变或液柱压力差反馈施加的压力，其缺点是尺寸大、体积重且不能提供电量输出，不利于系统集成。随着科技的发展，新材料和新的物理效应不断应用到应力传感器中，使应力传感器取得了长足发展。按照工作原理来划分，应力传感器可以分为压阻式、电容式、压电式、光纤式和电感式等。

压阻式应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。目前应用的压阻式应力传感器主要是硅基压力传感器，具有测量精度高、重复性好、稳定性好、测试压力范围较宽、输出信号强、体积小、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。电容式应力传感器利用电容量随压力改变而变化的原理进行工作，具有结构简单、测量精度高、稳定性好、功耗低、线性度好、体积小以及利于集成等优点。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。压电式应力传感器是根据压电效应制成的压力传感器，具有测量精度高、测试压力范围宽、使用温度范围宽、体积小、利于集成等优点。但是，压电式应力传感器对测量温度很敏感，通常需要利用内部测温系统进行校准或者需要采用恒温系统；此外，压电式应力传感器主要用于加速度和角速度的测量，一般不用于静压测量。光纤式应力传感器是利用外界应力改变时，在光纤中的传播的光的光强、相位或者偏振性能随外界应力的改变而变化的原理进行工作，但是该传感器需要复杂的光路处理设备，价格昂贵。

电感式应力传感器是基于电感线圈制备的应力传感器。利用电感线圈的阻抗效应，当磁体相对于电感线圈发生位移时，电感线圈感受到的磁场就会发生改变，由此导致线圈阻抗发生变化。电感式应力传感器具有灵敏度高、线性度好、温度稳定性好、输出功率大、使用寿命长的优点，因此日益被人们所关注。目前，结构简单、灵敏度高、性能稳定的电感式应力传感器是科技工作者的研究热点，具有良好的应用前景。

实用新型内容

本实用新型的技术目的提供一种电感式应力传感器，该传感器具有结构简单、灵敏度高、性能稳定等优点。

为了实现上述技术目的，本实用新型所采用的技术方案为：一种电感式应力传感器，包括支撑壳体，与支撑壳体外部相连接的应力承受体，以及位于支撑壳体内部的磁体与电感线圈；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；

支撑壳体中，与应力承受体相连接的部分为承压部分，压力承受体位于承压部分的外壁，磁体连接在承压部分的内壁，或者磁体通过连接体与承压部分的内壁相连接；

工作状态时，磁体为电感线圈提供磁场，外界应力作用在应力承受体上，承压部分受到压应力而发生形变，引起磁体相对于电感线圈发生位移，电感线圈受到的磁场改变，线圈阻抗随之改变，线圈两端为阻抗输出端，输出该阻抗。

所述的磁体具有磁性，磁体材料不限，包括有机磁性体、金属磁性体、氧化物磁性体、非晶磁性体等。

所述的磁芯为磁材料体系，包括但不限于磁性金属、磁性合金、非晶磁性材料等。作为优选，所述的磁芯选用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。

所述的支撑壳体采用可以是不锈钢、Al、Cu、塑料等。为了避免外界磁场对支撑壳体内部的磁场产生，作为优选，所述的支撑壳体材料采用软磁材料制成，或者支撑壳体外围设置软磁材料层，用以对外界磁场进行磁屏蔽。

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。

作为优选，所述电感线圈位于固定支架上。所述支架结构不限，可以是固定在支撑壳体内部的固定架和/或固定杆。所述支架材料不限，包括塑料、金属和陶瓷等。

作为优选，所述的连接体是连接在承压部分内壁面的固定块或固定支架，所述固定块或固定支架的结构不限，磁体与该固定块或固定支架相固定连接。所述固定块或固定支架的材料不限，包括塑料、金属和陶瓷等。

所述磁体的数目不限。

由于应力承受体位置的形变最大，作为一种优选的实现方式，所述的磁体位于应力承受体位置的正下方，有利于提高传感灵敏度。作为另一种优选的实现方式，所述的磁体通过固定块连接承压部分；该固定块固定连接在承压部分内壁，磁体与该固定块相固定连接，并且磁体位于应力承受体位置的正下方。

线圈沿长度方向的两端部位置是磁芯磁导率敏感的方向，作为一种优选的实现方式，磁体分布在线圈沿长度方向的一端，有利于提高传感灵敏度；更优选地，所述的磁体位于线圈沿长度方向的轴线上。作为另一种优选的实现方式，所述的磁体通过固定块连接承压部分；该固定块固定连接在承压部分内壁面，磁体与该固定块相固定连接，并且磁体分布在线圈沿长度方向的一端，更优选地，磁体位于线圈沿长度方向的轴线上。

作为另一种实现方式，所述的磁体为两个独立磁体，每个磁体通过固定支架连接承压部分；该固定支架固定连接在承压部分内壁，该固定支架包括两个支架臂，一个磁体固定连接在其中一个支架臂上，另一个磁体固定连接在另一个支架臂上。进一步优选，两个磁体分别位于线圈沿长度方向的两端部位置区域，即，其中一个磁体靠近线圈一端，另一个磁体靠近线圈另一端，更优选地，两个磁体位于线圈沿长度方向的轴线上。

综上所述，本实用新型提供了一种电感式应力传感器，通过结构的设计，将外界应力作用在应力承受体上产生压应力，应力承受体将该压应力传递至支撑壳体的承压部分，承压部分发生形变，引起磁体相对于电感线圈发生位移，电感线圈受到的磁场改变，线圈阻抗随之改变，线圈两端输出该阻抗，从而实现应力检测。该传感器具有结构简单、灵敏度高、易安装、易维护、成本低等优点。本实用新型的电感式应力传感器可应用在不同的技术领域，例如，用于高速公路计重收费系统中的轴重秤；工业自动化检测系统中的料罐秤、仓储秤、料斗秤；车载物品称重等高应力监测系统，也可用于微应力监测，例如微米级位移的测量、微应力和应变测量等领域。另外，通过线圈的非接触的磁耦合，该应力传感器可以实现无线探测。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中的电感式应力传感器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2中的电感式应力传感器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例3中的电感式应力传感器的结构示意图；

图4是本实用新型实施例4中的电感式应力传感器的结构示意图；

图5是本实用新型实施例5中的电感式应力传感器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

图1至图5中的附图标记为：壳体1、底座2、穿孔3、应力承受体4、磁体5、空心筒6、磁芯7、固定柱8、固定磁体立柱9、固定支架10、固定架11。

实施例1：

本实施例中，电感式应力传感器结构如图1所示，包括支撑壳体，与支撑壳体外部相连接的应力承受体4，以及位于支撑壳体内部的磁体5与电感线圈。

支撑壳体由底座2与壳体1组成。

电感线圈由磁芯7与空心线圈组成，磁芯7穿过空心线圈内部。空心线圈是漆包线绕行在空心筒6外围而形成的。电感线圈通过固定柱8固定在底座2，并且电感线圈水平放置，即线圈的长度方向平行于水平面。

支撑壳体中，与应力承受体4相连接的部分为承压部分，应力承受体4位于承压部分的外壁面，磁体5固定连接在承压部分的内壁面，并且位于应力承受体4的正下方。

壳体1的侧壁设置穿孔3，漆包线两端从穿孔3穿出，与阻抗分析仪相连接。

磁芯7选用FeCoSiB磁芯，为带材，带宽0.5毫米，带厚30微米。

壳体1采用不锈钢制成，且其外围镀有软磁的坡莫合金。

工作状态时，磁体5为电感线圈提供磁场，外界应力作用在应力承受体4上，承压部分受到压应力而发生形变，引起磁体5相对于电感线圈发生位移，电感线圈受到的磁场改变，线圈阻抗随之改变，线圈两端为阻抗输出端，输出该阻抗，实现外加应力的监测。

实施例2：

本实施例中，电感式应力传感器结构如图2所示，该结构与实施例1中的电感式应力传感器结构基本相同，所不同的是磁体5通过固定立柱9连接承压部分；该固定立柱9固定连接在承压部分内壁面，磁体与该固定立柱9相固定连接，并且磁体位于应力承受体位置的正下方。

实施例3：

本实施例中，电感式应力传感器结构如图3所示，该结构与实施例2中的电感式应力传感器结构基本相同，所不同的是磁体5分布在线圈沿长度方向的轴线上。

实施例4：

本实施例中，电感式应力传感器结构如图4所示，该结构与实施例3中的电感式应力传感器结构基本相同，所不同的是磁体5为两个独立磁体，每个磁体通过固定支架10连接承压部分。该固定支架10固定连接在承压部分内壁面，该固定支架包括两个支架臂，一个磁体固定连接在其中一个支架臂上，另一个磁体固定连接在另一个支架臂上。一个磁体靠近线圈一端，另一个磁体靠近线圈另一端，并且两个磁体位于线圈沿长度方向的轴线上。

实施例5：

本实施例中，电感式应力传感器结构如图5所示，该结构与实施例1中的电感式应力传感器结构基本相同，所不同的是电感线圈通过固定架11固定在底座2，并且电感线圈竖直放置，即线圈的长度方向垂直水平面。

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 (11)

1.一种电感式应力传感器，其特征是：包括支撑壳体，与支撑壳体外部相连接的应力承受体，以及位于支撑壳体内部的磁体与电感线圈；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；

支撑壳体中，与应力承受体相连接的部分为承压部分，压力承受体位于承压部分的外壁面，磁体连接在承压部分的内壁，或者磁体通过连接体与承压部分的内壁相连接；

工作状态时，磁体为电感线圈提供磁场，外界应力作用在应力承受体上，承压部分受到压应力而发生形变，引起磁体相对于电感线圈发生位移，电感线圈受到的磁场改变，线圈阻抗随之改变，线圈两端输出该阻抗。

2.如权利要求1所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的空心线圈是漆包线绕行在空心筒外围而形成的。

3.如权利要求1所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的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，并且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。

4.如权利要求1所述的电感式应力传感器，其特征是：所述电感线圈位于固定支架上。

5.如权利要求1所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的连接体是连接在承压部分内壁的固定块或固定支架。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的磁体位于应力承受体的正下方。

7.如权利要求1至5中任一权利要求所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的磁体分布在线圈沿长度方向的一端。

8.如权利要求1至5中任一权利要求所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的磁体位于线圈沿长度方向的轴线上。

9.如权利要求1至5中任一权利要求所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的磁体为两个独立磁体，每个磁体通过固定支架连接承压部分；所述的固定支架固定连接在承压部分内壁，所述的固定支架包括两个支架臂，一个磁体固定连接在其中一个支架臂上，另一个磁体固定连接在另一个支架臂上。

10.如权利要求9所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的两个磁体分别位于线圈沿长度方向的两端部位置区域。

11.如权利要求10所述的电感式应力传感器，其特征是：所述的两个磁体位于线圈沿长度方向的轴线上。