CN220366929U - 一种应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种应力传感器。其中，该应力传感器包括壳体，壳体包括至少一个凹槽；至少一个应力传感器，应力传感器一一对应设置在凹槽内部；应力传感器包括压块、与压块的底端固定连接的永磁体、与永磁体的底端固定连接的弹性元件、与弹性元件的底端固定连接的不锈钢环形元件和霍尔元件，其中，霍尔元件设置在不锈钢环形元件的中心，并且不锈钢环形元件和霍尔元件与凹槽的底部接触。采用上述方案的本实用新型可以提高应力传感器使用时的便利性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种应力传感器。
背景技术
物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。采用应力传感器可以测量物体的应力，目前的应力传感器有压电式应力传感器、电容式应力传感器、电阻应变式应力传感器、光栅光纤应力传感器等。其中，
压电式应力传感器是基于压电材料的压电效应制作的传感器，由于压电式应力传感器的输出为微弱的电荷量，低频响应特性较差，所以必须外加电压放大器，且电压和外接的电缆种类和长度有关，所以实际使用不方便。
电容式应力传感器由于极易受到外界信号的干扰和存在自身寄生电容等缺陷，非线性问题始终不能有效的解决，同时电容式应力测定原理相对于压力的感应更偏向于通过位移进行获取。
电阻应变式应力传感器是一种将应变片粘贴在被测试试件上或者具有弹性的传感器上，因此，粘合剂的物理性能将直接影响应变计的特性，容易产生测量误差。
光纤光栅式应力传感器强度较低，易折易损，不能承受恶劣环境，必须进行温度补偿，传感器和调解设备不便于现场调试。
综上，目前的应力传感器使用时的便利性较低。
实用新型内容
本实用新型提供了一种应力传感器，主要目的在于提高应力传感器使用时的便利性。
根据本实用新型的一方面，提供了一种应力传感器，包括：
壳体，所述壳体包括至少一个凹槽；
至少一个应力传感模块，所述应力传感模块一一对应设置在所述凹槽内部；
所述应力传感模块包括压块、与所述压块的底端固定连接的永磁体、与所述永磁体的底端固定连接的弹性元件、与所述弹性元件的底端固定连接的不锈钢环形元件和霍尔元件，其中，所述霍尔元件设置在所述不锈钢环形元件的中心，并且所述不锈钢环形元件和所述霍尔元件与所述凹槽的底部接触。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，所述压块为圆柱形压块，所述永磁体为圆柱形永磁体，所述弹性元件为圆柱形弹性元件，所述不锈钢环形元件为不锈钢圆环，并且所述圆柱形永磁体、所述圆柱形弹性元件、所述圆柱形弹性元件和所述不锈钢圆环的半径相同。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，所述压块采用的材料为碳钢。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，所述永磁体采用的材料为铁氧体磁性材料。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，所述弹性元件采用的材料为高弹橡胶。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，所述壳体采用的材料为碳钢，并且所述壳体对应的相对磁导率范围为200至300。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，当所述弹性元件没有发生形变时，所述应力传感模块的高度大于所述凹槽的高度。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，所述应力传感器为岩体应力传感器。
综上，本实用新型实施例一个或多个实施例中，应力传感器包括：壳体，壳体包括至少一个凹槽；至少一个应力传感器，应力传感器一一对应设置在凹槽内部；应力传感器包括压块、与压块的底端固定连接的永磁体、与永磁体的底端固定连接的弹性元件、与弹性元件的底端固定连接的不锈钢环形元件和霍尔元件，其中，霍尔元件设置在不锈钢环形元件的中心，并且不锈钢环形元件和霍尔元件与凹槽的底部接触。因此，相较传统的压磁应力计，内部无需设置磁致伸缩材料，无需设置电磁线圈。并且，采用永磁体提供长期稳定的磁场，原理简单。另外，该应力传感器结构简单，尺寸小，各零件装配简单，简单实用，造价低廉。同时，该应力传感器非常灵敏，利用电磁感应原理，传感器精度高。其次，传感器采用良好的隔磁设计，抗干扰能力强。
本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本实用新型实施例所提供的一种应力传感器的截面示意图；
图2为本实用新型实施例所提供的一种应力传感模块的俯视示意图；
图3为本实用新型实施例所提供的一种霍尔元件的原理示意图；
图4为本实用新型实施例所提供的一种应力传感模块的姿态变化示意图；
图5为本实用新型实施例所提供的一种空间磁场强度计算的模型示意图。
附图标记说明：压块-1；永磁体-2；弹性元件-3；不锈钢环形元件-4；霍尔元件-5；壳体-6。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。相反，本实用新型的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
受工程开挖影响，采动围岩体应力重新分布，导致岩体的力学性质产生变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电磁、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，并具有声、光、电、磁、热等物理效应，从而可为煤岩体的应力测定提供多种方法与手段。
随着现代经济的高速发展，现今能源、矿山、交通、国防、水利、城市地下空间等工程均依托于地下空间的开发与利用，在不同深度岩体内建设与开发利用地下工程及地下空间，并获取深地资源已得到越来越多重视，但地下工程建设过程中围岩失稳、冲击、岩爆、突水等灾害频发，使得与之相关的岩石力学理论、应力监测与测定技术提出了诸多问题与挑战，全面获取地下工程扰动岩体的应力演化数据将不可避免的促进岩石力学的发展，从而促进地下空间与资源的建设与获取能力。
深地高应力、高地温、高渗透压力、强扰动及强时效性等复杂赋存环境，岩体内结构面发育且差异性大，进一步要求岩石力学及应力测定研究亟需突破当前的发展瓶颈，从而构建完整的深地科学基础理论与认知体系，完成行业关键共性基础理论与技术原理及相关产品的攻关，以实现深地岩石力学理论、应力监测技术与工程实践的有益结合与促进。因此，岩体应力探测理论与技术的发展具有重大意义。
因此，针对深部地下工程岩体的赋存环境特征，需要岩体应力测量装置准确测定深部地下工程岩体的应力及应力变化规律，以显著提高对深部地下工程应力演化规律的认识。然而，现有的应力传感器使用时的便利性较低，因此，亟需开发一种更符合工程实际的岩体应力测量装置，以改变当前应力测量方法多样，但受地质条件及装备限制，程序复杂、步骤繁琐、测量成功率低的难题。
下面结合具体的实施例对本实用新型进行详细说明。
图1为本实用新型实施例所提供的一种应力传感器的截面示意图。
如图1所示，该应力传感器，包括：
壳体6，壳体6包括至少一个凹槽；
至少一个应力传感模块，应力传感模块一一对应设置在凹槽内部；
应力传感器包括压块1、与压块1的底端固定连接的永磁体2、与永磁体2的底端固定连接的弹性元件3、与弹性元件3的底端固定连接的不锈钢环形元件4和霍尔元件5，其中，霍尔元件5设置在不锈钢环形元件4的中心，并且不锈钢环形元件4和霍尔元件5与凹槽的底部接触。
根据一些实施例，图1中仅示出一个凹槽和一个应力传感模块，根据探测需求，应力传感器内可以布置有至少一个应力传感模块。各个应力传感模块的坐标可以分别设置为A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)、C(x3,y3,z3)、…、n(xn,yn,zn)，从而可以通过应力传感器获得岩体多向应力。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，图2为本实用新型实施例所提供的一种应力传感模块的俯视示意图。如图2所示，压块为圆柱形压块，永磁体为圆柱形永磁体，弹性元件为圆柱形弹性元件，不锈钢环形元件为不锈钢圆环，并且圆柱形永磁体、圆柱形弹性元件、圆柱形弹性元件和不锈钢圆环的半径相同。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，压块1采用的材料可以为碳钢。
根据一些实施例，压块1采用的材料可以为Q235碳钢。
在一些实施例中，Q235碳钢构成的压块1为近似刚体，无压缩变形。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，永磁体2采用的材料可以为铁氧体磁性材料。
根据一些实施例，铁氧体磁性材料构成的永磁体2也为近似刚体，无压缩变形。
在一些实施例中，永磁体2是均匀磁化的，其采用的永磁材料的相对磁导率近似等于1。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，弹性元件3采用的材料可以为高弹橡胶。
根据一些实施例，高弹橡胶构成的弹性元件3可以压缩变形。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，不锈钢环形元件4采用的材料可以为304不锈钢。
根据一些实施例，304不锈钢构成的不锈钢环形元件4也为近似刚体，无压缩变形；并且，其相对磁导率近似为1，与空气接近，既起到了承载作用，又和霍尔元件5周围空间磁导率一致，因此，可以尽量增大穿过霍尔元件5的磁感线数量。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，霍尔元件5例如可以为封装后的霍尔元件，可以用来探测永磁体2周围的空间磁场变化。
根据一些实施例，霍尔效应是电磁效应的一种，将通入电流I的导体薄片或者导体电板，放置于磁感应强度为B的外磁场中，且方向相互垂直，于是导体薄片在电磁场的作用下产生洛伦兹力，并在它们作用下，导体薄片中的自由电子做定向运动，从而在垂向于磁场和电流的方向上生成一个电动势UH，这个电势差也被称为霍尔电势差，如图3所示。
因此，借助霍尔元件可以探测外磁场的磁感应强度B的变化。根据霍尔元件的输出电压U与磁感应强度B的关系，可计算得出不同时刻应力传感模块对应的磁感应强度B，如公式(1)所示：
其中，RH为霍尔系数，可在室内测定并保持不变；b为霍尔元件厚度；U0为霍尔传感器的基础电压。
在一些实施例中，该霍尔元件5例如可以为线性霍尔元件，采用线性霍尔元件测量磁通密度具有成本低、结构和原理简单、与微电子易于兼容等优点。除了具有以上特点外，还具有集恒流源、霍尔片与线性放大器等信号处理于一体的特点。它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，壳体6采用的材料为碳钢。
根据一些实施例，壳体6采用的材料例如可以为Q235碳钢。Q235碳钢构成的壳体6也为近似刚体，无压缩变形。
在一些实施例中，壳体6对应的相对磁导率范围为200至300，因此，可以起到很好的隔磁效果，可以有效隔绝周围环境磁场对应力传感器的影响。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，如图1所示，当弹性元件3没有发生形变时，应力传感模块的高度大于凹槽的高度。
可选地，在本实用新型的一个实施例中，应力传感器为岩体应力传感器。
根据一些实施例，当使用岩体应力传感器探测岩体的应力时，探测步骤及原理如下：
步骤1：在现场目标监测区内任意选取一测点，并打设钻孔至预定深度，埋入岩体应力传感器，令岩体应力传感器与钻孔孔壁自耦合；
步骤2：在地应力和开采扰动作用下，岩体应力传感器周围岩应力发生变化，使得与钻孔周围岩体紧密接触的应力传感模块受载，即压块1与钻孔周围岩体紧密接触并受载；
根据一些实施例，图4为本实用新型实施例所提供的一种应力传感模块的姿态变化示意图。如图4所示，压块1压缩受力后，向整个应力传感模块传递载荷，整个应力传感模块产生压缩变形，其中变形量主要由弹性元件3提供，其中，弹性元件3的压缩变形量为△Z。
步骤3：永磁体2在周围空间内产生磁场，不同空间位置磁场强度不同。由于弹性元件3的变形，永磁体2的位置变化了△Z，导致永磁体2周围的空间磁场强度发生变化。但是由于霍尔元件5的位置是固定的，永磁体2与霍尔元件5之间的相对位置发生变化，导致霍尔元件5处的磁场强度由B0变化为B1。
步骤4：压块1受力为F，截面积为S，S为常数。则应力σ＝F/S为所需要监测的目标应力。根据弹性元件3的受力平衡关系，可以得到△Z＝F/K，其中，K为弹性元件3的弹性系数，K为常数。在初始不受力条件下，永磁体2与霍尔元件5的中心距为Z0，Z0为常数。受力F后，永磁体2与霍尔元件5的中心距变为Z1＝Z0-△S，因此，可以通过公式(2)确定目标应力：
根据一些实施例，图5为本实用新型实施例所提供的一种空间磁场强度计算的模型示意图。如图5所示，计算中采用柱坐标系(ρ，Z，θ)，Z轴与永磁体2的对称轴重合，坐标原点在永磁体2的中心。因此，磁感应强度沿柱坐标的Z方向的分量BZ的计算公式如下：
其中，a代表永磁体2的外圆柱面半径；Z代表计算点P的坐标Z的值；L代表永磁体2的厚度的一半；μ0代表真空磁导率，等于4×10-7H/m，代表永磁体的饱和磁化强度，其值与永磁体2的几何形状、牌号等因素有关。
在Z方向上，随着远离永磁体2，磁场的磁感应强度单调递减。因此目标应力σ与磁感应强度B和霍尔元件5的位置Z1、霍尔元件5的输出电压U具有一一对照关系。因此，通过公式(3)计算得到Z1后可以得到目标应力σ。
步骤5：在室内标定霍尔元件5的霍尔系数RH、霍尔元件厚度b、霍尔元件5的基础电压U0、初始磁场强度B0及初始电流I，并确定初始条件下永磁体2与霍尔元件5的中心距为Z0。并将相关参数和上述公式(1)至(3)置入微型计算机内，通过微型计算机可以快速实时显示出不同时刻测量位置的目标应力σ，并可根据测量时长获取不同时间段内目标应力σ的变化规律，从而可以为分析现场岩体的受载特性及变形破坏特征提供可靠基础数据。
综上，本实用新型实施例提供的应力传感器，相较传统的压磁应力计，内部无需设置磁致伸缩材料，无需设置电磁线圈。并且，采用永磁体提供长期稳定的磁场，原理简单。另外，该应力传感器结构简单，尺寸小，各零件装配简单，简单实用，造价低廉。同时，该应力传感器非常灵敏，利用电磁感应原理，传感器精度高。其次，传感器采用良好的隔磁设计，抗干扰能力强。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种应力传感器，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体包括至少一个凹槽；
至少一个应力传感模块，所述应力传感模块一一对应设置在所述凹槽内部；
所述应力传感模块包括压块、与所述压块的底端固定连接的永磁体、与所述永磁体的底端固定连接的弹性元件、与所述弹性元件的底端固定连接的不锈钢环形元件和霍尔元件，其中，所述霍尔元件设置在所述不锈钢环形元件的中心，并且所述不锈钢环形元件和所述霍尔元件与所述凹槽的底部接触。
2.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述压块为圆柱形压块，所述永磁体为圆柱形永磁体，所述弹性元件为圆柱形弹性元件，所述不锈钢环形元件为不锈钢圆环，并且所述圆柱形永磁体、所述圆柱形弹性元件、所述圆柱形弹性元件和所述不锈钢圆环的半径相同。
3.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述压块采用的材料为碳钢。
4.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述永磁体采用的材料为铁氧体磁性材料。
5.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述弹性元件采用的材料为高弹橡胶。
6.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述壳体采用的材料为碳钢，并且所述壳体对应的相对磁导率范围为200至300。
7.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，当所述弹性元件没有发生形变时，所述应力传感模块的高度大于所述凹槽的高度。
8.根据权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述应力传感器为岩体应力传感器。
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-
2023
- 2023-06-01 CN CN202321383409.7U patent/CN220366929U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |