CN210128786U - 膜式压力传感器及压力检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种膜式压力传感器及压力检测系统，涉及传感器技术领域，包括：传感器膜，所述传感器膜的表面设置有多个压力敏感单元，多个所述压力敏感单元用于检测作用在所述传感器膜上的应力；以及保护膜，包覆于所述传感器膜的外部。本申请通过于薄膜式传感器的传感器膜的外部包覆保护膜，一定程度上解决了现有技术中膜式压力传感器无法对传感器膜进行保护导致传感器膜破损的技术问题。

Description

膜式压力传感器及压力检测系统

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，尤其是涉及膜式压力传感器及压力检测系统。

背景技术

目前膜式压力传感器主要用于各连续介质和砂土介质中应力的量测，膜式压力传感器超薄，其厚度通常仅为0.1mm，且其柔性好，传感器测点众多。

但若膜式压力传感器用于碎石材料底部集中应力的量测，由于该传感器膜较薄，具有较多棱角的碎石可能会刺破该传感器；此外，传感器膜与地面和碎石摩擦使得其表面产生剪应力，大大干扰了正压力的测量。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供了一种膜式压力传感器及压力检测系统，目的在于一定程度上解决现有膜式压力传感器无法对传感器膜进行保护导致传感器膜破损的技术问题。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

第一方面，本申请实施例提供了一种膜式传感器，包括：

传感器膜，所述传感器膜的表面设置有多个压力敏感单元，多个所述压力敏感单元用于检测作用在所述传感器膜上的应力；以及

保护膜，包覆于所述传感器膜的外部。

优选地，所述膜式压力传感器还包括第一除摩擦膜，所述第一除摩擦膜设置于所述传感器膜的第一面与所述保护膜之间，用于消除作用于所述传感器膜的第一面的剪应力。

优选地，所述膜式压力传感器还包括第二除摩擦膜，所述第二除摩擦膜包覆于所述传感器膜的第二面，用于消除作用于所述传感器膜的第二面的剪应力。

优选地，所述膜式压力传感器还包括数据输出线，所述数据输出线与各个所述压力敏感单元电连接，使得各个所述压力敏感单元能够经由所述数据输出线输出应力信号。

优选地，所述保护膜、所述第一除摩擦膜和所述第二除摩擦膜也包覆于所述数据输出线的外部。

优选地，所述保护膜由橡胶形成。

优选地，所述第一除摩擦膜和所述第二除摩擦膜由聚四氟乙烯形成。

优选地，所述传感器膜以聚酯材料形成。

优选地，多个所述压力敏感单元以矩阵的形式排列设置于所述传感器膜。

第二方面，本申请实施例还提供一种压力检测系统，包括以上所述的膜式压力传感器。

本申请通过于薄膜式传感器的传感器膜的外部包覆保护膜，一定程度上解决了现有技术中膜式压力传感器无法对传感器膜进行保护导致传感器膜破损的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了膜式压力传感器的装配图的示意图；

图2示出了膜式压力传感器的传感器膜处的截面的示意图；

图3示出了有保护膜和无保护膜两种情况下传感器膜输出的应力值与DO值(电信号)的关系的示意图。

附图标记：

1-传感器膜；11-压力敏感单元；2-保护膜；3-第一除摩擦膜；4-第二除摩擦膜；5-数据输出线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在整个说明书中，当元件(诸如，层、区域或基板)被描述为“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件、“结合到”另一元件、“在”另一元件“之上”或“覆盖”另一元件时，其可直接“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件、“结合到”另一元件、“在”另一元件“之上”或“覆盖”另一元件，或者可存在介于它们之间的一个或更多个其他元件。相比之下，当元件被描述为“直接在”另一元件“上”、“直接连接到”另一元件、“直接结合到”另一元件、“直接在”另一元件“之上”或“直接覆盖”另一元件时，可不存在介于它们之间的其他元件。

如在此所使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项中的任何一项和任何两项或更多项的任何组合。

为了易于描述，在这里可使用诸如“在……之上”、“上部”、“在……之下”和“下部”的空间关系术语，以描述如附图所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间关系术语意图除了包含在附图中所描绘的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为相对于另一元件位于“之上”或“上部”的元件随后将相对于另一元件位于“之下”或“下部”。因此，术语“在……之上”根据装置的空间方位而包括“在……之上”和“在……之下”两种方位。所述装置还可以以其他方式定位(例如，旋转90度或处于其他方位)，并将对在这里使用的空间关系术语做出相应的解释。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并非用于限制本公开。除非上下文另外清楚地指明，否则单数的形式也意图包括复数的形式。术语“包括”、“包含”和“具有”列举存在的所陈述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

由于制造技术和/或公差，可出现附图中所示的形状的变化。因此，这里所描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括在制造期间出现的形状上的改变。

这里所描述的示例的特征可按照在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的各种方式进行组合。此外，尽管这里所描述的示例具有各种各样的构造，但是如在理解本申请的公开内容之后将显而易见的，其他构造是可能。

参照图1至图3，本实施例提供的膜式压力传感器包括：传感器膜、保护膜、第一除摩擦膜、第二除摩擦膜和数据输出线。以下将具体描述上述部件的连接关系及动作。

本实施例中，传感器膜1可以由聚酯材料形成，并且其表面可以设置有多个压力敏感单元11，用于检测作用在传感器膜1上的应力。在本实施例中，多个压力敏感单元11可以以矩阵的形式排列设置于所述传感器膜1，也就是说，多个压力敏感单元11均布在传感器膜1的正方形区域内。

其中，压力敏感单元11能够将其受到的应力转换为电信号，即通过与各个压力敏感单元11的电连接的数据输出线5，将上述电信号输出。

此外，在本实施例中，传感器膜1可以采用现有技术中型号为Tekscan5250的传感器膜，其厚度为0.1mm，压力敏感单元11组成44×44的矩阵形式(24.59cm×24.59cm)。

根据以上所描述的特征，以下将描述传感器膜1的工作原理：

将传感器膜1放置于水平地面，将传感器膜1连同部分数据输出线5埋设于待测土石材料的下方，在这种情况下，传感器膜1上方的待测土石材料与传感器膜1直接接触并对其施加一定的压力，如此，传感器膜1上的压力敏感单元11将其受到的应力转换为电信号，通过数据传输线输出，该电信号即为图3中横坐标的DO值。

根据上述传感器膜1的工作原理可以得知，压力敏感单元11有多个，使得多个压力敏感单元11都能够独立输出其所在位置的应力数据；并且压力敏感单元11的呈矩阵的形式均匀分布，使得测量结果同样均匀并具有一定连续性。因此能够反映待测土石材料底部真实的离散型集中应力特性，不会忽视某些局部重要的接触应力信息。

但由于传感器膜1与待测土石材料直接接触，在传感器膜1上方埋设待测土石材料的加载过程中以及埋设完毕的测量过程中，很容易出现待测土石材料刺破传感器膜1的情况。

此外，由于传感器膜1在埋设其上方的待测土石材料的作用下，会与其下方的水平地面和上方埋设的待测土石材料之间产生一定的静摩擦力，从而导致传感器膜1受到剪应力，即导致压力敏感单元11输出的应力数据包含剪应力和正应力，使传感器膜1无法准确测得并输出待测土石材料的正应力。

因此，基于以上所描述的技术特征，以下将继续描述本申请对传感器膜1设置的保护措施以及消除剪应力的措施。

本实施例中，于传感器膜1的外部，即其上面(第一面)，和(下面)分别包覆有第一除摩擦膜3和第二除摩擦膜4，并且，可以于第一除摩擦膜3和第二除摩擦膜4的外部包覆保护膜2。

其中，第一除摩擦膜3和第二除摩擦膜4均可以由聚四氟乙烯形成，利用聚四氟乙烯光滑的特性，大大降低传感器膜1与两除摩擦膜之间的摩擦因数，从而降低了测量过程中传感器膜1受到的静摩擦力，也就降低了其受到的剪应力，从而一定程度上保证了测量结果的精确性。

此外，由于在传感器膜1的外部包覆除摩擦膜，将在一定程度上减小传感器膜1的形变量，从而导致传感器膜1上的压力敏感单元11测得并输出的应力值会小于待测土石材料施加于传感器膜1的实际应力值，即产生了一定的测量误差。

为了使上述由两除摩擦膜引起的测量误差尽可能较小，本实施例中，优选地，第一除摩擦膜3和第二除摩擦膜4的厚度可以为0.1mm。

此外，由于传感器膜1只有上面与待测土石材料直接接触，而其下面与水平地面相接触，并且，在传感器膜1的外部包覆保护膜2时会产生上述包覆两除摩擦膜时产生的测量误差，因此本实施例中，为避免包覆上下两层保护膜2从而增大测量误差，可以只于第一除摩擦膜3的外部包覆保护膜2。

本实施例中，保护膜2的可以由橡胶形成，其厚度，优选地为2.5mm，可以测得其邵氏硬度为A55，选用这种参数的橡胶形成的保护膜2，传感器膜1测得的应力值相对于实际应力值仅减小了约10％～15％。以下将具体描述保护膜2的优选厚度的获得过程。

在获得保护膜2优选厚度的过程中，可以采用表面尺寸以及厚度与传感器膜1相同的聚酯薄膜作为测试薄膜代替传感器膜1，也就是说，此过程中的聚酯薄膜上未设置有压力敏感单元11，因此其造价相对低廉，有利于多次测试。

将橡胶形成的保护膜2包覆于测试薄膜的上面，待测土石材料以铁路碎石道床底部为例，将包覆有保护膜2的测试薄膜置于铁路碎石道床底部，对铁轨进行加载至测试膜被刺破，记录铁轨的最大加载载荷。

换用更厚的保护膜2重复上述过程多次，并且也分别记录每次的载荷。

以上过程中的保护膜2的一组厚度可以为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm，将上述记录载荷，与一已知的实际工程测量的铁路碎石道床底部的载荷值σ(载荷值σ大于大多数实际工程测量的铁路碎石道床底部所得的应力值)进行比较，对最大加载载荷无法达到载荷值σ的保护膜2进行去除，选择2.5mm、3mm和3.5mm的保护膜2做进一步测试。

准备三片完全相同传感器膜1，通过标定的方式确定传感器膜1受到的实际应力值与其输出的DO值之间的换算关系，以此，得出在上述三个最大加载载荷下输出的实际应力值，然后将上述三种不同厚度的保护膜2分别包覆于完全相同三片传感器膜1。

将三组包覆有保护膜2的传感器膜1置于铁路碎石道床底部，分别对铁轨进行加载至上述保护膜2各自的最大加载载荷，并且分别记录输出的三个测量应力值。

分别计算三个测量应力值相对于三个实际应力值减少的百分比，可以得出厚度为2.5mm，对应邵氏硬度为A55的保护膜2，在保证可以测量大多数实际工程中待测土石材料的载荷，并且对真实应力值降低比例最小。

需要说明的是，由于上述测试过程中，采用的测试用的保护膜2的一组厚度的精确度有限，因此，最佳保护膜2的最终选定的结果，仍然可以通过更精确的测试修正。

例如，由于2mm厚度的保护膜2的加载无法达到载荷值σ，而2.5mm的保护膜2的加载则可以达到载荷值σ，因此，并不能排除，在2～2.5mm之间不存在加载可能达到载荷值σ的厚度，因此，可继续以更为精确的厚度继续测试，测试用保护膜2的一组厚度可以为2.05mm、2.10mm、2.15mm、2.20mm、2.25mm、2.30mm、2.35mm、2.40mm、2.45mm，并重复上述测试过程。并且，保护膜2的厚度可以根据需要继续在测试获得的区间内划分为更小的精确度，由此得出的最佳厚度也更为精确。

此外，不限于此，上述测试中的载荷值σ是针对于铁路碎石道床底部的实际测量，在其他待测土石材料的场景中，载荷值σ可以为符合测量场景的其他值，并以此得出的该测量场景下的保护膜2的最佳厚度。

本实施例，还提供一种压力检测系统，包括如上所述的膜式压力传感器。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是在本申请的创新构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种膜式压力传感器，其特征在于，包括：

传感器膜，所述传感器膜的表面设置有多个压力敏感单元，多个所述压力敏感单元用于检测作用在所述传感器膜上的应力；以及

保护膜，包覆于所述传感器膜的外部。

2.根据权利要求1所述的膜式压力传感器，其特征在于，所述膜式压力传感器还包括第一除摩擦膜，所述第一除摩擦膜设置于所述传感器膜的第一面与所述保护膜之间，用于消除作用于所述传感器膜的第一面的剪应力。

3.根据权利要求2所述的膜式压力传感器，其特征在于，所述膜式压力传感器还包括第二除摩擦膜，所述第二除摩擦膜包覆于所述传感器膜的第二面，用于消除作用于所述传感器膜的第二面的剪应力。

4.根据权利要求3所述的膜式压力传感器，其特征在于，所述膜式压力传感器还包括数据输出线，所述数据输出线与各个所述压力敏感单元电连接，使得各个所述压力敏感单元能够经由所述数据输出线输出应力信号。

5.根据权利要求4所述的膜式压力传感器，其特征在于，所述保护膜、所述第一除摩擦膜和所述第二除摩擦膜也包覆于所述数据输出线的外部。

6.根据权利要求1所述的膜式压力传感器，其特征在于，所述保护膜由橡胶形成。

7.根据权利要求3所述的膜式压力传感器，其特征在于，所述第一除摩擦膜和所述第二除摩擦膜均由聚四氟乙烯形成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的膜式压力传感器，其特征在于，所述传感器膜由聚酯材料形成。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的膜式压力传感器，其特征在于，多个所述压力敏感单元以矩阵的形式排列设置于所述传感器膜。

10.一种压力检测系统，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的膜式压力传感器。

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