CN209280714U - 一种冻土传感器及传感器壳体 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种冻土传感器及传感器壳体，涉及土壤测量技术领域。冻土传感器包括外插管以及传感器，传感器包括圆柱状基壳，基壳的内部固定安装有检测电路板，传感器还包括柔性电路板，基壳的外周面构成包绕支撑面，柔性电路板的一边与检测电路板电连接，在包绕基壳的包绕支撑面一周后，另一边与柱状基壳固定，构成包绕支撑面的至少部分基壳连接有可带动该部分基壳在径向方向上发生浮动而在基壳插入外插管内后胀紧外插管管壁的胀紧结构。通过胀紧结构可带动该部分基壳沿径向方向发生浮动，当圆柱状基壳插入外插管内后胀紧外插管管壁，保证了柔性电路板能够紧贴外插管的内壁，圆柱状基壳进行径向收缩，从而便于向外插管内插入传感器。

Description

一种冻土传感器及传感器壳体

技术领域

本实用新型涉及土壤测量技术领域，具体涉及一种冻土传感器及传感器壳体。

背景技术

在地面气象观测中，正常土壤包括固态土、水以及空气，当土壤中的液态水凝固变成固态冰便形成了冻土，而且并非土壤中所有的液态水全部变成固定冰，随着温度的变化冻土中水的冻结深度会发生变化，因此难以实现对冻土的实时分层检测。

目前我国气象部门对冻土的检测方法基本是采用人工观测，即人工对冻土进行挖坑实现检测，但是在实际应用中存在劳动强度大，观测密度低等问题。如授权公告号为CN202649158U的中国实用新型专利公开了一种插管式土壤水分温度传感器，该传感器为插杆多层式结构，包括管状PVC保护套管，PVC保护套管中自下而上依次插设有防水堵头、传感器本体和防水帽，传感器本体与保护套管的形状、长度相对应，传感器本体侧面沿长度方向设有凹槽，凹槽内设有控制处理单元、频率采集单元及温度采集单元。传感器本体包括八层传感器节点，每个传感器节点由两个铜环电容、半导体温度传感器、频率温度采集电路板和片选电路板组成，两个铜环电容与频率温度采集电路板焊接连接，套装上筒式PVC骨架并固定在凹槽上，凹槽内的扁平线缆与片选电路板和控制处理电路板连接，根据土壤在冻结过程中介电常数的变化，可有效测量不同深度的土壤的水分含量和温度。

但是，由于传感器内通过铜环电容实现检测，存在重量大、成本高的问题,而且在实际运输和装配中，铜环电容易变形，导致最终的形状不是标准圆，影响检测结果的准确性。针对这样的问题，《现代电机技术》2015年1月15日第38卷第2期中名为“基于平面电容的冻土检测传感器”的文献公开了一种土壤水分传感器，整体采用插管式结构，传感器内部主要有电容两极板的布设，检测电路板的布设。电容两极板布设时尽量避开其他金属物，以避免对电容的电场造成干扰；检测电路布设时要尽可能把电路板直接与电容的两极板焊接，不要用导线，以免导线带来寄生电容。

为了更好地保护电容两极板的密封，在布设电极前，选用以聚酰亚胺或聚脂薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳可挠性的柔性印刷电路板，一般敷设0.02mm左右，电容两极板间隔11mm，电容极板宽度4mm，电容极板长度16cm，每2.5cm设置一对电容极板。把电容布设好后，柔性电路板上留有每个电容两极焊接的焊盘，直接把电容两极与检测电路板焊接，避免了导线的连接。传感器内部布设完成后，固定在PVC材质的内芯上，用橡胶材质填充材料进行填充，卷成圆柱形，然后套上热缩膜，再用热风机轻吹，保证紧缩密封。测量时，将PVC套管通过专用安装工具埋入土壤中，然后将传感器插入PVC套管中即可对土壤冻融状态进行实时检测。在实际装配中，为了保证传感器的检测效果，需要将柔性电路板紧贴插管内壁，但是这样安装太紧，难以将传感器装入插管中，装配难度大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种冻土传感器，以解决传感器在向外插管内插装时装配难度大的问题。同时本实用新型的目的还在于提供一种传感器壳体，以解决传感器在向外插管内插装时装配难度大的问题。

为实现上述目的，本实用新型的冻土传感器的技术方案是：

冻土传感器包括外插管以及安装在外插管内的传感器，传感器包括圆柱状基壳，圆柱状基壳的内部固定安装有检测电路板，传感器还包括柔性电路板，圆柱状基壳的外周面构成包绕支撑面，柔性电路板的一边与检测电路板电连接，在包绕圆柱状基壳的包绕支撑面一周后，另一边与圆柱状基壳固定，构成包绕支撑面的至少部分基壳连接有可带动该部分基壳在径向方向上发生浮动而在圆柱状基壳插入外插管内后胀紧外插管管壁的胀紧结构。

有益效果：安装时，将柔性电路板包裹在圆柱状基壳的包绕支撑面上，柔性电路板的一边与固定在圆柱状基壳内部的检测电路板电连接，在包绕圆柱状基壳的包绕支撑面一周后，另一边与圆柱状基壳固定，由于构成包绕支撑面的部分基壳连接有胀紧结构，通过胀紧结构可带动该部分基壳沿径向方向发生浮动，先下压该部分基壳使圆柱状基壳进行径向收缩，从而便于将传感器插入外插管中，防止在插入过程中柔性电路板与外插管内壁发生滑擦磨损，当圆柱状基壳插入外插管内后胀紧外插管管壁，保证了柔性电路板能够紧贴外插管的内壁，装配难度低。

进一步的，为了能够使圆柱状基壳在径向内收后自动复位而胀紧外插管，所述胀紧结构为弹性变形结构。

进一步的，为了简化结构，所述弹性变形结构由基壳的壳壁在圆周方向上设置的向内回折的回折结构形成，利用圆柱状基壳的回折结构弹性变形实现胀紧。

进一步的，所述回折结构有两个而使两个回折结构之间的壳壁能够在径向方向上直线浮动。设置两个回折结构保证了该部分基壳发生径向直线浮动，相比于收卷锁紧和放卷展开的形式，避免了部分基壳发生径向浮动时与柔性电路板之间发生相对滑移摩擦。

进一步的，为了保证圆柱状基壳内部具有足够供检测电路板安装的空间，两个回折结构的回折方向处于圆柱状基壳所在圆的同一个弦上。

进一步的，为了便于检测电路板的实际装配，便于加工生产，所述圆柱状基壳包括两瓣半圆形的分体结构，检测电路板扣装在两瓣分体结构内，两个回折结构处于用一个半圆形分体结构上。

进一步的，为了便于柔性电路板的末端与圆柱状基壳之间的固定连接，保证二者之间的连接强度，所述圆柱状基壳包括压条，圆柱状基壳上设有长度沿圆柱状基壳的轴线方向延伸的内凹压槽，通过压条过盈插装在内凹压槽中从而将柔性电路板的末端压紧在内凹压槽中。

进一步的，因在柔性电路板上连接有温度传感器，为了避免柔性电路板包绕在圆柱状基壳外周后造成部分凸起，影响后续向外插管中进行插装，所述柔性电路板的靠近末端边缘的位置设有沿外插管的轴线方向布置的多个温度传感器，圆柱状基壳上在靠近内凹压槽的位置设有沿外插管的轴线方向延伸的用于容纳温度传感器的沉台结构。

为实现上述目的，本实用新型的传感器壳体的技术方案是：

传感器壳体包括圆柱状基壳，圆柱状基壳的内部具有用于供检测电路板安装的容纳空间，圆柱状基壳的外周面构成用于供一边与检测电路板电连接，另一边与圆柱状基壳固定的柔性电路板包绕的包绕支撑面，构成包绕支撑面的至少部分基壳连接有可带动该部分基壳在径向方向上发生浮动而在基壳插入外插管内后胀紧外插管管壁的胀紧结构。

进一步的，为了能够使圆柱状基壳在径向内收后自动复位而胀紧外插管，所述胀紧结构为弹性变形结构。

进一步的，为了简化结构，所述弹性变形结构由基壳的壳壁在圆周方向上设置的向内回折的回折结构形成，利用圆柱状基壳的回折结构弹性变形实现胀紧。

进一步的，所述回折结构有两个而使两个回折结构之间的壳壁能够在径向方向上直线浮动。设置两个回折结构保证了该部分基壳发生径向直线浮动，相比于收卷锁紧和放卷展开的形式，避免了部分基壳发生径向浮动时与柔性电路板之间发生相对滑移摩擦。

进一步的，为了保证圆柱状基壳内部具有足够供检测电路板安装的空间，两个回折结构的回折方向处于圆柱状基壳所在圆的同一个弦上。

进一步的，为了便于检测电路板的实际装配，便于加工生产，所述圆柱状基壳包括两瓣半圆形的分体结构，两瓣分体结构的内部形成供检测电路板扣装其中的容纳空间，两个回折结构处于用一个半圆形分体结构上。

进一步的，为了便于柔性电路板的末端与圆柱状基壳之间的固定连接，保证二者之间的连接强度，所述圆柱状基壳包括压条，圆柱状基壳上设有长度沿圆柱状基壳的轴线方向延伸的内凹压槽，通过压条过盈插装在内凹压槽中从而将柔性电路板的末端压紧在内凹压槽中。

进一步的，因在柔性电路板上连接有温度传感器，为了避免柔性电路板包绕在圆柱状基壳外周后造成部分凸起，影响后续向外插管中进行插装，圆柱状基壳上在靠近内凹压槽的位置设有沿外插管的轴线方向延伸的用于容纳温度传感器的沉台结构。

附图说明

图1为本实用新型的冻土传感器的具体实施例1中冻土传感器外形示意图；

图2为图1中A-A处的截面示意图；

图3为本实用新型的冻土传感器的具体实施例1中传感器的结构示意图；

图4为图3中B-B处的截面示意图；

图5为图3中C-C处的截面示意图；

图6为图3中D-D处的截面示意图；

图7为图5中下半壳体的局部示意图；

图8为图5中上半壳体的局部示意图；

图9为本实用新型的冻土传感器的具体实施例1中提手的立体示意图。

图中：1-外插管、2-传感器、20-柔性电路板、21-上半壳体、210-回折结构、211-插头、22-下半壳体、220-印制板容纳槽、221-插槽、222-内凹压槽、223-沉台、23-后印制板、24-前印制板、25-提手、250-提手把、251-提手座、26-压条、3-前端堵头、30-管座、300-引线接头、31-前端盖、32-螺母、33-橡胶垫、34-密封圈、4-后端堵头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步说明。

本实用新型的冻土传感器的具体实施例1，如图1、图2所示，冻土传感器包括外插管1、安装在外插管1中的传感器2以及密封装配在外插管1的前、后两端口位置的前端堵头3和后端堵头4，外插管1为PVC材质的直筒结构，具有良好的耐腐蚀性和防水性，后端堵头4包括锥头和外插管连接段，通过外插管连接段与外插管1的后端口位置密封连接，从而将外插管1的后端部密封，并且后端堵头4的锥头可起到引导冻土传感器向下达到土层中的设定深度。前端堵头3为分体结构，包括与外插管1同轴设置的管座30、连接在管座30上用于将管座30密封压紧在外插管1外壁上的螺母32以及螺纹密封连接在管座30前端口位置的前端盖31，管座30的后端口位置设有台阶形扩口，台阶形扩口的外周壁上设有与螺母32螺纹配合的外周螺纹，在管座30的台阶形扩口内外插管1外夹设有橡胶垫33，通过拧紧螺母32顶压橡胶垫33使橡胶垫33发生沿外插管1的轴向方向的挤压变形，由于橡胶垫33受挤压变形从而将管座30的台阶形扩口和外插管1之间的缝隙密封。管座30的外周壁上设有可供传感器2的数据电源线引出的引线接头300，管座30的前端口的外周壁上也设有外周螺纹，对应的，前端盖31的内周壁上设有内周螺纹，通过管座30的前端口的外周螺纹与前端盖31的内周螺纹之间螺纹配合，以及夹设在管座30的前端口端面上的密封圈34，实现前端盖31与管座30之间的密封连接。

在外插管1内插设有传感器2，传感器2包括传感器壳体、设置在传感器壳体中的前印制板24和后印制板23、包绕在传感器壳体的外周壁上柔性电路板20以及连接在传感器壳体的前端位置处的提手25，传感器壳体包括形状呈圆柱状的圆柱状基壳，并且圆柱状基壳与外插管1同轴设置，柔性电路板20与后印制板23之间电连接，后印制板23与前印制板24之间通信连接，后印制板23形成检测电路板。如图5、图6所示，圆柱状基壳为分体结构，包括两瓣截面为半圆形的上半壳体21和下半壳体22，上、下半壳体扣合而成完整的圆柱形外周壁，圆柱形外周壁形成包绕支撑面。上半壳体21的一侧边缘设有插头211，下半壳体22的对应侧边缘设有与插头211形状配合的插槽221，通过插头211与插槽221之间的卡接配合从而将上半壳体21与下半壳体22连接。在下半壳体22的内壁上靠近插槽221一侧设有印制板容纳槽220，下半壳体22的远离插槽221一侧设有内翻沿，内翻沿的上侧面形成印制板支撑面，印制板支撑面的长度沿圆柱状基壳的轴线方向延伸，印制板容纳槽220的下槽壁与印制板支撑面位于同一平面内，且二者所在平面平行于圆柱状基壳的直径位置。上半壳体21的远离插头211一侧边缘也设有内翻沿，通过上半壳体21的内翻沿将柔性电路板20压紧在下半壳体22的印制板支撑面上。

其中，后印制板23为长方形板状结构，后印制板23的长度沿圆柱状基壳的轴线方向延伸，后印制板23的一侧长边插装在下半壳体22的印制板容纳槽220中，后印制板23的靠近另一侧长边位置的下侧面与柔性电路板20焊接连接，柔性电路板20从上半壳体21的内翻沿和下半壳体22的内翻沿之间间隙向外引出，并包绕在上、下半壳体形成的圆柱形外周面上，在下半壳体22的外周壁的靠近其内翻沿位置处设有压条内凹压槽222，内凹压槽222的长度沿圆柱状基壳的轴线方向延伸，通过在内凹压槽222压条中过盈插入压条26从而将柔性电路板20夹紧固定。并且在下半壳体22的外周壁上靠近内凹压槽222位置处设有沉台223，沉台223的长度延伸方向平行于内凹压槽222的长度延伸方向，后印制板23上沿长度延伸方向间隔布设有多个LC振荡电路，本实施例中，为了提高检测数据的密度，相邻两LC震荡电路之间的间隔距离为2.5cm，在其他实施例中，可根据实际检测需求设置相邻两LC振荡电路的间隔距离，例如：2cm、3cm等。

前印制板24包括长方形的平板段以及悬伸出下半壳体22以外的插头端，平板段的一侧长边插装在下半壳体22的印制板容纳槽220中，在下半壳体22的印制板支撑面上对应前印制板24的位置开设有多个光孔，光孔沿圆柱状基壳的轴线方向间隔布置，在平板段的另一侧靠近长边位置且对应印制板支撑面上的光孔位置攻丝安装有螺钉，通过螺钉将前印制板24固定安装在下半壳体22上。在本实施例中，为了便于前印制板24的固定安装，如图3、图4所示，上半壳体21的长度小于下半壳体22的长度，在实际装配中，上半壳体21的下端与下半壳体22的后端对齐设置，从而在下半壳体22的前端靠近提手25位置处空缺出供人工旋拧螺钉的操作空间。

如图7所示，为了保证下半壳体22的结构强度，在下半壳体22的内周壁上设有长度沿圆柱状基壳的轴向方向延伸的加强筋，并且加强筋处于与前、后印制板平行的弦上，在加强筋的靠近前端位置处开设有螺纹孔，如图9所示，提手25包括提手把250和提手座251，提手座251上开设有螺纹孔，对应提手座251的螺纹孔和加强筋的螺纹孔通过沉头螺钉将提手25固定连接在下半壳体22的前端。如图8所示，上半壳体21包括两个设置在壳体周向方向的向内回折的回折结构210，两回折结构210的回折方向处于圆柱状基壳所在圆的同一弦上，回折结构包括上折边、下折边以及过渡段，上、下折边相互平行且长度沿圆柱状基壳的轴线方向延伸，过渡段连接在上、下折边的内侧位置。由于两回折结构的设置可使上半壳体21沿垂直于两回折结构210的回折方向所在弦的径向方向发生直线浮动变形，两回折结构210形成在圆柱状基壳插入外插管1内后胀紧外插管1管壁的胀紧结构。其他实施例中，为了简化结构，回折结构的数量可以仅有一个，或者，两回折结构的回折方向处于两相互平行的弦上，再或者，回折结构的回折方向处于任意两个弦上。并且上、下半壳体分别采用阻燃PVC材质制成，具有较好的韧性和耐腐蚀性，保证了上半壳体21通过自身的恢复变形能够将柔性电路板20弹性支撑在外插管1的内周壁上，结构简单，便于实际的安装操作。

实际装配时，先将后印制板23与柔性电路板20焊接连接，把后印制板23的未连接柔性电路板20的一侧安装在下半壳体22的印制板容纳槽220中，后印制板23的连接有柔性电路板20的一侧支撑在印制板支撑面上，将上半壳体21扣合在后印制板23的对应插槽221中，通过下半壳体22的内翻沿和上半壳体21的内翻沿将柔性电路板20压紧；然后将柔性电路板20引出并环绕在圆柱形基壳的外周面上，柔性电路板20的靠近末端边缘位置连接有多个温度传感器，并且温度传感器沿圆柱状基壳的轴线方向布置，安装时确保温度传感器进入沉台223中，避免引起柔性电路板20的外周面出现部分凸起，通过压条26将柔性电路板20的末端边缘压紧在下半壳体22的内凹压槽222中，并且压条26与下半壳体22的内凹压槽222之间过盈配合，确保柔性电路板20紧密包裹在圆柱形基壳的外周；再分别将提手25和前印制板24安装在下半壳体22的前端位置处，并使用扁平电缆把后印制板23与前印制板24通信连接，从而实现介电常数检测信号的传递和收集，并通过前印制板24对检测信号的处理分析，下压上半壳体21使上半壳体21发生径向收缩变形，由于径向尺寸发生相应变化，可便于将整个传感器2沿外插管1的轴向方向插入外插管1中，传感器2插入到位后通过上半壳体21的自身恢复变形，从而将柔性电路板20弹压在外插管1的内周壁上。

本实用新型的冻土传感器的具体实施例2，与具体实施例1的不同在于，传感器壳体包括圆柱状基壳，圆柱状基壳包括基壳主体和部分基壳，传感器壳体的部分基壳导向活动装配在基壳主体上，部分基壳和基壳主体之间设有可导向部分基壳进行沿圆柱状基壳的径向方向发生移动的导向结构，在部分基壳和基壳主体之间设有固定楔形块和活动楔形块，固定楔形块的一斜边固定在基壳主体的内侧壁上，活动楔形块的尖角朝向固定楔形块的尖角方向插入固定楔形块的另一斜边与部分基壳之间，通过活动楔形块沿圆柱状基壳的轴线方向插入，部分基壳沿径向向外顶压柔性电路板，使柔性电路板紧贴在外插管的内壁上。

本实用新型的冻土传感器的具体实施例3，与具体实施例1的不同在于，传感器壳体包括圆柱状基壳，圆柱状基壳包括基壳主体和部分基壳，传感器壳体的部分基壳导向活动装配在基壳主体上，部分基壳和基壳主体之间设有可导向部分基壳进行沿圆柱状基壳的径向方向发生移动的导向结构，在部分基壳和基壳主体的相对面之间设有用于弹压部分基壳进行导向活动的压簧，通过压簧的对部分基壳进行沿径向方向的弹性支撑作用力，在传感器插入外插管中后该部分基壳沿径向向外顶压柔性电路板，使柔性电路板紧贴在外插管的内壁上。

本实用新型的冻土传感器的具体实施例4，与具体实施例1的不同在于，传感器壳体为非封闭环状结构，传感器壳体的一侧边缘位置靠内且低于相背侧边缘位置，可通过收卷操作使传感器壳体发生径向收缩变形，在收卷后插入外插管中，然后放卷根据传感器壳体的自身恢复变形而径向扩张从而将柔性电路板弹压贴紧在外插管的内壁上。

本实用新型的冻土传感器的具体实施例5，与具体实施例1的不同在于，传感器的圆柱状壳体可以是一体结构，在圆柱状壳体的后端位置预留有供后印制板沿圆柱状壳体的轴线方向插入圆柱状壳体内部的插口，并且在圆柱状壳体侧面位置开设有沿圆柱状壳体的轴线方向延伸的开口槽，开口槽的宽度与柔性电路板的厚度适配，保证柔性电路板从圆柱状壳体的内部向外引出。

本实用新型的传感器壳体的具体实施例，与本实用新型的冻土传感器的具体实施方式中传感器壳体的各具体实施例相同，在此不再赘述。

Claims (9)

1.一种冻土传感器，包括外插管以及安装在外插管内的传感器，传感器包括圆柱状基壳，圆柱状基壳的内部固定安装有检测电路板，传感器还包括柔性电路板，圆柱状基壳的外周面构成包绕支撑面，柔性电路板的一边与检测电路板电连接，在包绕圆柱状基壳的包绕支撑面一周后，另一边与圆柱状基壳固定，其特征是，构成包绕支撑面的至少部分基壳连接有可带动该部分基壳在径向方向上发生浮动而在圆柱状基壳插入外插管内后胀紧外插管管壁的胀紧结构。

2.根据权利要求1所述的冻土传感器，其特征是，所述胀紧结构为弹性变形结构。

3.根据权利要求2所述的冻土传感器，其特征是，所述弹性变形结构由圆柱状基壳的壳壁在圆周方向上设置的向内回折的回折结构形成。

4.根据权利要求3所述的冻土传感器，其特征是，所述回折结构有两个而使两个回折结构之间的壳壁能够在径向方向上直线浮动。

5.根据权利要求4所述的冻土传感器，其特征是，两个回折结构的回折方向处于圆柱状基壳所在圆的同一个弦上。

6.根据权利要求4或5所述的冻土传感器，其特征是，所述圆柱状基壳包括两瓣半圆形的分体结构，检测电路板扣装在两瓣分体结构内，两个回折结构处于用一个半圆形分体结构上。

7.根据权利要求1所述的冻土传感器，其特征是，所述圆柱状基壳包括压条，圆柱状基壳上设有长度沿圆柱状基壳的轴线方向延伸的内凹压槽，通过压条过盈插装在内凹压槽中从而将柔性电路板的末端压紧在内凹压槽中。

8.根据权利要求1所述的冻土传感器，其特征是，所述柔性电路板的靠近末端边缘的位置设有沿外插管的轴线方向布置的多个温度传感器，圆柱状基壳上在靠近内凹压槽的位置设有沿外插管的轴线方向延伸的用于容纳温度传感器的沉台结构。

9.一种传感器壳体，包括圆柱状基壳，其特征在于，圆柱状基壳为权利要求1-8中任一项所述的冻土传感器中的圆柱状基壳。