CN207894366U - 应变传感器和应变检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了应变传感器和应变检测系统，应变传感器包括：透波衬底薄膜以及设置于透波衬底薄膜表面上的多个平面导电结构，每个平面导电结构包括：第一至第四平面电感，各个平面电感的第一端相连于连接节点，第一和第三平面电感在第一方向上排布，第二和第四平面电感在第二方向上排布；第一至第四电极，分别与第一至第四平面电感的第二端对应相连，其中，在透薄衬底薄膜表面上，在第一方向上相邻的第一电极和第四电极间隔且相对地设置，在第二方向上相邻的第二电极和第三电极间隔且相对地设置。本实用新型通过在至少两个方向上设置多个不需要外接电源的平面导电结构实现了应变传感器与检测模块之间的无线连接以及多方向上的应变检测。

Description

应变传感器和应变检测系统

技术领域

本实用新型涉及传感器及应力应变检测技术领域，更具体地，涉及一种应变传感器及应变检测系统。

背景技术

在航天航空、海洋装备、地面行进装备、大型建筑等领域中，需要对结构的表面和内部应变进行应变监测，一般采用力学测试的手段来获得待测结构表面或内部的应变信息来达到应变监测的目的。

通过应变监测可有效地监测待测结构内部的应变情况；推动科学研究中对材料力学性质的研究；工程中通过获取结构内部的应变信息可以有效识别结构所受载荷及结构损伤。

现有技术中，大部分技术如应变片测量等只能测量物体表面应变，对于物体内部的应变测量目前主要使用光纤光栅技术，然而光纤光栅布线复杂、维护困难、成本高；同时，现有技术只能测量单一方向上的应变，而无法对多个方向上的物体表面和/或物体内部的应变进行测量和分析。目前尚未提出有效的解决方案来解决这些问题。

实用新型内容

针对相关技术中布线复杂、维护困难、成本高、并且只能实现单一方向上的应变检测的问题，本实用新型提出一种应变传感器及应变检测系统，能够在多方向上实现对应变信息的无源无线检测。

根据本实用新型的一方面，提供了一种应变传感器，其特征在于，所述应变传感器包括透波衬底薄膜以及设置于所述透波衬底薄膜表面上的多个平面导电结构，所述多个导电结构按照第一方向和第二方向形成阵列，每个所述平面导电结构包括：第一至第四平面电感，各个所述平面电感的第一端相连于连接节点，所述第一和第三平面电感在所述第一方向上排布，所述第二和第四平面电感在所述第二方向上排布；第一至第四电极，分别与所述第一至第四平面电感的第二端对应相连，其中，在所述透薄衬底薄膜表面上，在所述第一方向上相邻的所述第一电极和所述第三电极间隔且相对地设置，在所述第二方向上相邻的所述第二电极和所述第四电极间隔且相对地设置。

优选地，所述第一方向与所述第二方向在所述透薄衬底薄膜的表面所在平面内垂直。

优选地，每个所述电极包括：多个平行的叉指部；以及侧边部，用于在所述多个叉指部的一侧将所述多个叉指部相连，在所述透薄衬底薄膜表面上，相邻的两个所述电极的所述叉指部间隔设置以形成叉指电容。

优选地，每个所述平面电感的第二端与对应的所述电极的所述侧边部相连。

优选地，各所述平面电感为整体轮廓呈三角形的S型电感。

优选地，各个所述平面电感的整体轮廓呈等腰直角三角形，各所述平面电感的第二端对应于所述等腰直角三角形的直角。

优选地，每个所述平面导电结构还包括连接结构，所述连接结构包括：沿所述第一方向延伸的第一连线，用于将所述第一平面电感的第一端和所述第三平面电感的第一端相连；沿所述第二方向延伸的第二连线，用于将所述第二平面电感的第一端和所述第四平面电感的第一端相连，其中，所述第一连线和所述第二连线相交于所述连接节点。

根据本实用新型的另一方面，还提供了一种应变检测系统，其特征在于，包括：上述任一项应变传感器；以及用于检测应变传感器在多个方向的谐振频率以得到待测结构的应变信息的检测模块，所述检测模块与所述应变传感器为无线连接。

优选地，所述应变传感器贴附于待测结构的表面或嵌入待测结构的内部。

优选地，所述检测模块包括：用于生成并发送极化方向与所述第一方向和/或所述第二方向相同的电磁波信号的发射天线；用于接收经过所述应变传感器谐振响应而生成的电磁波响应信号的接收天线；以及

根据所述电磁波响应信号得到所述应变传感器的谐振频率和所述应变信息的计算模块。

本实用新型的有益效果是，本实用新型通过使用具有透波性能的透波衬底薄膜，能够使应变传感器嵌入至待测结构的内部，通过设置不需要外接电源的、且能够在两个方向上检测形变的多个平面导电结构，可以根据平面导电结构的谐振频率随待测结构的应变而发生的变化并利用检测模块提供的极化的电磁波对各方向上的应变进行检测，从而实现了应变传感器与检测模块之间的无线连接以及多方向上的应变检测，因此不需要通过引线连接外部检测系统，从而避免了系统因布线复杂而导致的体积庞大、维护困难、成本较高等问题。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出本实用新型实施例的应变传感器的结构示意图。

图2是图1中平面导电结构的放大示意图。

图3示出本实用新型实施例的应变检测系统的部分结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。

图1示出本实用新型实施例的应变传感器的结构示意图。

如图1所示，根据本实用新型实施例的应变传感器1000，包括：透波衬底薄膜100；以及设置于透波衬底薄膜100的感应面上的多个平面导电结构200，各平面导电结构200按照第一方向和第二方向形成阵列。

在本申请中，第一方向为图1中的竖直方向；第二方向为图2中的水平方向。

平面导电结构200由导电性能良好的金属制成，在本实施例中，制作平面导电结构200的材料为铜，然而本实用新型实施例不限于此，本领域技术人员可以根据实际要求选择其他导电材料。

当待测结构由于应力作用在第一方向上发生形变时，形变位置处对应的平面导电结构200的谐振频率会随之发生相应的变化，通过对该谐振频率进行检测可以得到待测结构在第一方向上的应变；当待测结构由于应力作用在第二方向上发生形变时，形变位置处对应的平面导电结构200的谐振频率会随之发生相应的变化，通过对该谐振频率进行检测可以得到待测结构在第二方向上的应变。各个平面导电结构200不需要外接电源，从而实现了对应变的无源检测。同时，通过利用谐振频率来检测待测结构在两个方向上的应变，检测模块能够通过电磁波与本实用新型的应变传感器发生相互作用，实现了应变传感器与检测模块之间的无线连接；进而结合透波衬底薄膜的应用，本实用新型的应变传感器能够嵌入待测结构的内部，实现了对至少两个方向上的应变的无源、无线检测。

优选地，第一方向和第二方向在透波衬底薄膜100的感应面内垂直。其中，第一方向例如为图1所示的纵向方向，相应地，第二方向为图1所述的横向方向。

在一个实施例中，透波衬底薄膜为柔性透波衬底薄膜；具体的，柔性透波衬底薄膜的材料可以是：聚乙烯、聚丙烯、或聚酰亚胺。柔性透波衬底薄膜的材料并不限于上述三种柔性透波衬底薄膜的材料，柔性透波衬底薄膜的材料还可以是具有透波性能的其他材料。

在一个实施例中，透波衬底薄膜为刚性透波衬底薄膜；刚性透波衬底薄膜的材料等级优选为FR-4。刚性透波衬底薄膜的材料还可以是具有透波性能的其他材料。

图2是图1中平面导电结构的放大示意图。

如图2所示，每个平面导电结构200(图中具有斜线填充图案的区域)包括第一至第四平面电感211至214、第一至第四电极221至224以及连接结构230。

平面电感211至214的第一端相连于连接节点Q，平面电感211和平面电感213在第一方向上排布，平面电感212和平面电感214在第二方向上排布。

电极221至224分别与平面电感211至214的第二端对应相连。在本实施例中，电极的第二端均为一段金属线。在透波衬底薄膜表面上，在第一方向上分属两个单元上的相邻的电极221和电极223，间隔且相对地设置以形成电容；在第二方向上分属两个单元上的相邻的电极222和电极224，间隔且相对地设置以形成电容。即，两个相邻的导电结构中，相邻的两边的两个梳妆电极间隔式插接，形成电容结构，两个梳状电极上的梳齿可以等间隔的设置。

在每个平面导电结构200中，连接结构230包括沿第一方向延伸的第一连线和沿第二方向延伸的第二连线，形成一个十字形的结构。第一连线用于将平面电感211的第一端和平面电感213的第一端相连，第二连线用于将平面电感212的第一端和平面电感214的第一端相连。第一连线和第二连线相交于连接节点Q。优选地，在每个连接结构230中，连接节点Q位于第一连线和第二连线的中点，且第二连线与相应的第一连线等长。

在每个平面导电结构中200，平面电感211至214均为整体轮廓呈三角形的“S”型平面电感，拐角处例如为折线型拐角。平面电感211的第一端通过连接结构230的第一连线与平面电感213的第一端相连于连接节点Q，平面电感212的第一端通过连接结构230的第二连线与平面电感214的第一端相连于连接节点Q。

在一些优选的实施例中，各个平面电感的整体轮廓呈形状相同的等腰直角三角形，其中长边对应各平面电感的第一端、直角对应各平面电感的第二端。

在每个平面导电结构200中，每个电极221至224包括有多个平行的叉指部以及在各叉指部的一侧将各叉指部相连的侧边部。在透薄衬底薄膜表面上，相邻的两个电极的叉指部间隔设置以形成叉指电容。

需要说明的是，各个平面导电结构200中的平面电感和电极的形状和布局可根据实际需求进行选择，并可以设计为能够实现谐振功能的多种形状和尺寸。本实用新型不对各电极和平面电感的尺寸做出具体限定。

图3示出本实用新型实施例的应变检测系统的部分结构示意图。

如图3所示，根据本实用新型的实施例的应变检测系统包括：上述应变传感器1000；以及用于检测应变传感器的谐振频率以得到待测结构的应变信息的检测模块2000，检测模块2000与应变传感器1000为无线连接。其中，应变传感器1000可以贴附于待测结构3000的表面或嵌入待测结构的内部。

当由于应力作用透波衬底薄膜在第一方向和/或第二方向发生形变时，应变传感器1000中与形变位置对应的平面导电结构的谐振频率会随之发生相应的变化，通过对该两个方向上的谐振频率进行检测可以得到待测结构在第一方向和第二方向上的应变，由于各个平面导电结构200不需要外接电源，因此在两个方向上实现了对应变的无源检测。

在一个实施例中，上述检测模块2000包括：用于生成并发送分别与第一方向和第二方向(还可以为两种以上的方向)对应的极化电磁波信号的发射天线2100；用于接收经过应变传感器在第一方向和第二方向上的谐振响应而生成的电磁波响应信号的接收天线2200；以及根据电磁波响应信号得到应变传感器1000在第一方向和第二方向上的谐振频率和应变信息的计算模块(未示出)。从而在两个方向上实现对谐振频率的无线检测，进而能够在两个方向上实现对待测结构应变信息的无源和无线检测。

具体地，计算模块可以通过分析电磁波响应信号的回波损耗曲线(S11)分析得出第一方向上的谐振频率和第二方向上的谐振频率。例如当极化电磁波信号具有沿第一方向的极化方向时，得到S11曲线的吸收峰所对应的频率即为第一方向上的谐振频率，该谐振频率随第一方向上的应变变化对应；当极化电磁波信号具有沿第二方向的极化方向时，得到的S11曲线的吸收峰所对应的频率即为第二方向上的谐振频率，该谐振频率与第二方向上的应变变化对应，从而计算模块能够根据各方向上的谐振频率计算得出待测结构在各方向上的应变信息。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，通过使用具有透波性能的透波衬底薄膜，能够使应变传感器嵌入至待测结构的内部，并且通过设置不需要外接电源的、且能在两个方向上检测形变的多个平面导电结构，可以根据平面导电结构的谐振频率随待测结构的应变而发生的变化并利用检测模块提供的极化的电磁波对各方向上的应变进行检测，从而实现了应变传感器与检测模块之间的无线连接以及多方向上的应变检测，因此不需要通过引线连接外部检测系统，从而避免了系统因布线复杂而导致的体积庞大、维护困难、成本较高等问题。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。

Claims (10)

1.一种应变传感器，其特征在于，所述应变传感器包括透波衬底薄膜以及设置于所述透波衬底薄膜表面上的多个平面导电结构，所述多个导电结构按照第一方向和第二方向形成阵列，每个所述平面导电结构包括：

第一至第四平面电感，各个所述平面电感的第一端相连于连接节点，所述第一和第三平面电感在所述第一方向上排布，所述第二和第四平面电感在所述第二方向上排布；

第一至第四电极，分别与所述第一至第四平面电感的第二端对应相连，

其中，在所述透波衬底薄膜表面上，在所述第一方向上相邻的两个导电结构上的第一电极和第三电极间隔且相对地设置，在所述第二方向上相邻的两个导电结构上的第二电极和第四电极间隔且相对地设置。

2.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向在所述透波衬底薄膜的表面所在平面内垂直。

3.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，每个所述电极包括：

多个平行的叉指部；以及

侧边部，用于在所述多个叉指部的一侧将所述多个叉指部相连，

在所述透波衬底薄膜表面上，相邻的两个所述电极的所述叉指部间隔设置以形成叉指电容。

4.根据权利要求3所述的应变传感器，其特征在于，每个所述平面电感的第二端与对应的所述电极的所述侧边部相连。

5.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，各所述平面电感为外部轮廓呈三角形的S型电感。

6.根据权利要求5所述的应变传感器，其特征在于，各个所述平面电感的整体轮廓呈等腰直角三角形，各所述平面电感的第二端对应于所述等腰直角三角形的直角。

7.根据权利要求1所述的应变传感器，其特征在于，每个所述平面导电结构还包括连接结构，所述连接结构包括：

沿所述第一方向延伸的第一连线，用于将所述第一平面电感的第一端和所述第三平面电感的第一端相连；

沿所述第二方向延伸的第二连线，用于将所述第二平面电感的第一端和所述第四平面电感的第一端相连，

其中，所述第一连线和所述第二连线相交于所述连接节点。

8.一种应变检测系统，其特征在于，包括：

上述权利要求1-7任一项所述的应变传感器；以及

用于检测应变传感器在多个方向的谐振频率以得到待测结构的应变信息的检测模块，所述检测模块与所述应变传感器为无线连接。

9.根据权利要求8所述的应变检测系统，其特征在于，

所述应变传感器贴附于待测结构的表面或嵌入待测结构的内部。

10.根据权利要求9所述的应变检测系统，其特征在于，所述检测模块包括：

用于生成并发送极化方向与所述第一方向和/或所述第二方向相同的电磁波信号的发射天线；

用于接收经过所述应变传感器谐振响应而生成的电磁波响应信号的接收天线；以及

根据所述电磁波响应信号得到所述应变传感器的谐振频率和所述应变信息的计算模块。