CN220437630U - 一种电容式轴力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种电容式轴力传感器，传感器本体包括上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板，上受力块、下受力块和弹性体均为圆柱形结构，上受力块、弹性体和下受力块依次连接固定，上支撑块、下支撑块、上极板和下极板均为圆环形结构，且四者均空套在弹性体上，上支撑块和下支撑块分别与上受力块和下受力块固定连接，上极板和下极板分别与上支撑块和下支撑块固定连接，上极板和下极板之间相互平行并留有间隙，上极板和下极板上均连接有电极，两个电极与单片机连接。通过电容变化的监测，来实现对轴力的动态测量，降低了因环境因素对监测数据的影响，而且安装方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及轴力传感器技术领域，尤其涉及一种电容式轴力传感器。
背景技术
在基坑监测中，轴力传感器常用于测量和监测地基或结构物的承载能力以及土体的变形情况，轴力传感器可以安装在基坑支护结构如护壁、支撑桩等上，用于监测支护结构的受力情况。通过测量支护结构的轴向力变化，可以评估支护结构的稳定性，并判断是否需要调整或加固支护措施。轴力传感器在基坑监测中起到了重要的作用，能够提供实时、准确的数据，帮助工程人员评估地基和结构的稳定性，并采取必要的措施保障工程的安全进行。
目前在工程应用中，大多数情况下仍采用振弦式轴力传感器测量物体的受力情况。尽管振弦式轴力传感器在许多应用中具有许多优点，但也存在一些缺点，如监测精度可能相对较低，这是因为振弦式轴力传感器的测量原理是基于共振频率变化，而共振频率变化容易受到环境条件和外界干扰的影响(如机械震动、风吹等)，这些外界振动可能会引起传感器自身的共振或干扰信号，从而干扰或影响传感器的测量准确性。而且振弦式轴力传感器的安装相对较为复杂，需要准确地固定和调整传感器位置。不当的安装可能导致传感器读数不准确或完全无法使用。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的上述不足，本实用新型提供了一种电容式轴力传感器，通过弹性体等结构设置，将轴向力转化为电容变化，从而通过电容变化的监测，来实现对轴力的动态测量，降低了因环境因素对监测数据的影响，而且安装方便。
实现本实用新型上述目的所采用的技术方案为：
一种电容式轴力传感器，至少包括传感器本体和单片机，传感器本体和单片机连接，将采集的电容信号传至单片机中，所述传感器本体包括上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板，其中上受力块、下受力块和弹性体均为圆柱形结构，上受力块、弹性体和下受力块依次连接固定，所述上支撑块、下支撑块、上极板和下极板均为圆环形结构，且四者均空套在弹性体上，其中上支撑块和下支撑块分别与上受力块和下受力块固定连接，上极板和下极板分别与上支撑块和下支撑块固定连接，所述上极板和下极板之间相互平行并留有间隙，上极板和下极板上均连接有电极，两个电极与单片机连接。
所述上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板之间均同轴心设置。
所述上支撑块、下支撑块、上极板和下极板的圆环宽度均相等。
所述上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板之间通过焊接或栓接的方式进行连接。
所述上极板和下极板的电极与单片机之间连接有电容采集电路和ADC信号调理电路，从而采集电容信号，并将电容信号转变为数字信号传至单片机中。
所述单片机与RF通讯电路连接，对信号进行传输发送。
所述传感器本体、电容采集电路、ADC信号调理电路、单片机和RF通讯电路一起封装。
与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案有以下优点：
1、本实用新型中上受力块和下受力块用于与测量对象接触，感受测量对象的上下受力情况，弹性体感知受力并将受力转为变形，使上受力块和下受力块相互靠近或远离，从而导致上、下极板之间的间距发生变化，从而使得电容器的电容发生变化，通过对电容信号变化的监测，可以监测上、下极板之间的间距变化信号，通过电容采集电路采集电容信号，通过ADC信号调理电路将电容信号数字化，通过单片机对信号进行存储和处理，通过RF通讯电路进行数据通讯，从而实现对轴力的动态测量，可用于基坑的监测。
2、本实用新型提供的电容式轴力传感器能够采集动态数据，与振弦式轴力传感器相比，降低了因环境振动对轴力监测数据的影响。
3、本实用新型提供的电容式轴力传感器各部件之间均采用焊接或机械连接的方式进行固定，与无传统的应变式轴力传感器的胶粘接工艺，降低了因温度以及材料老化等因素导致的传感器徐变的问题，传感器使用寿命长。
4、本实用新型提供的电容式轴力传感器与振弦式轴力传感器相比，安装更加方便，只需要将传感器的上受力块和下受力块安装于两个测量面中即可，无需调整位置。
5、本实用新型提供的电容式轴力传感器采用数字化设计，设备校准后将参数存储到设备中，实现了数字化，应用过程中无需记录传感器的具体参数。而且传感器本体与各电路及单片机之间进行集成化设计，结构简单小巧，方便安装和携带。
附图说明
图1为本实用新型中电容式轴力传感器的正视图；
图2为本实用新型中电容式轴力传感器的结构框图；
图中：1-上受力块，2-下受力块，3-弹性体，4-上支撑块，5-下支撑块，6-上极板，7-下极板，8-电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做详细具体的说明。
本实用新型提供的电容式轴力传感器的结构如图1和图2所示，至少包括传感器本体，传感器本体包括上受力块1、下受力块2、弹性体3、上支撑块4、下支撑块5、上极板6和下极板7，其中上受力块、下受力块和弹性体均为圆柱形结构，上受力块、弹性体和下受力块依次连接固定，上受力块和下受力块用于和测量对象接触，感受测量对象的上下受力情况，弹性体感知受力并将受力转为变形。
所述上支撑块、下支撑块、上极板和下极板均为圆环形结构，且四者均空套在弹性体上，其中上支撑块和下支撑块分别与上受力块和下受力块固定连接，上极板和下极板分别与上支撑块和下支撑块固定连接，上支撑块、下支撑块、上极板和下极板的圆环宽度均相等，使上极板和下极板分别与上支撑块和下支撑块完全贴合固定。上极板和下极板之间相互平行并留有间隙，间隙距离根据实际安装工况进行确定。上极板和下极板形成电容器，当上受力块和下受力块受到压力挤压时，带动上极板和下极板相互靠近，改变上极板和下极板之间的距离。上极板和下极板上均连接有电极8，两个电极与单片机连接。
具体地，上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板之间均同轴心设置，使得传感器本体受力均匀，减少误差。
本实施例中上极板和下极板可以采用铜或者其它易加工的金属材料，上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板之间通过焊接或栓接等方式进行连接。上极板和下极板与电极采用焊接的方式进行连接。
上极板和下极板的电极与单片机之间连接有电容采集电路和ADC信号调理电路，从而采集电容信号，并将电容信号转变为数字信号传至单片机中进行存储和处理。单片机与RF通讯电路连接，RF通讯电路将采集到信号通过RF模组进行数据通讯，对信号进行传输发送。具体地，ADC信号调理电路采用24位，单片机采用32位cortex系列单片机，RF通讯电路选取NB-iot、LORA或者其他模组。
电容器的电容与极板面积和极板间距之间存在一定的关系，这个关系可以通过以下公式来描述：
其中，C代表电容，单位是法拉(F)；S代表极板面积，单位是平方米(m2)；d代表极板间距，单位是米(m)；k代表真空介电常数，其值约为8.85×10-12F/m。
从上述公式可以看出，电容正比于极板面积S，即极板面积越大，电容越大；而电容反比于极板间距d，即极板间距越小，电容越大。这是因为电容器的电容量取决于充电时储存电荷的能力，而极板面积增大可以提供更多的储存空间，而极板间距减小可以增加电场的强度，从而增加电容。
弹性体和力的关系是：
F＝k(x-x0)
式中，k是弹性模量，x是相当于弹性体当前位移数字，x0是弹性体原始数值。弹性体采用材料的弹性模量已知。
当荷载通过上受力块和下受力块加载在弹性体上，弹性体会产生弹性形变，弹性形变会导致上受力块和下受力块相互靠近或远离，从而导致上、下极板之间的间距发生变化，从而使得电容器的电容发生变化，通过对电容信号变化的监测，可以监测上、下极板之间的间距变化信号，从而实现对轴力的动态测量。电容采集电路、ADC信号调理电路和RF通讯电路均为现有常规技术，直接购买即可，在实际使用时，只需将通过荷载标定的受力和电容关系的参数存储到电路中即可。
本实施例中传感器本体、电容采集电路、ADC信号调理电路、单片机和RF通讯电路一起封装，电容式轴力传感器集成化设计，结构简单小巧，方便安装和携带。
Claims (7)
1.一种电容式轴力传感器，至少包括传感器本体和单片机，传感器本体和单片机连接，将采集的电容信号传至单片机中，其特征在于：所述传感器本体包括上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板，其中上受力块、下受力块和弹性体均为圆柱形结构，上受力块、弹性体和下受力块依次连接固定，所述上支撑块、下支撑块、上极板和下极板均为圆环形结构，且四者均空套在弹性体上，其中上支撑块和下支撑块分别与上受力块和下受力块固定连接，上极板和下极板分别与上支撑块和下支撑块固定连接，所述上极板和下极板之间相互平行并留有间隙，上极板和下极板上均连接有电极，两个电极与单片机连接。
2.根据权利要求1所述的电容式轴力传感器，其特征在于：所述上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板之间均同轴心设置。
3.根据权利要求1所述的电容式轴力传感器，其特征在于：所述上支撑块、下支撑块、上极板和下极板的圆环宽度均相等。
4.根据权利要求1所述的电容式轴力传感器，其特征在于：所述上受力块、下受力块、弹性体、上支撑块、下支撑块、上极板和下极板之间通过焊接或栓接的方式进行连接。
5.根据权利要求1所述的电容式轴力传感器，其特征在于：所述上极板和下极板的电极与单片机之间连接有电容采集电路和ADC信号调理电路，从而采集电容信号，并将电容信号转变为数字信号传至单片机中。
6.根据权利要求5所述的电容式轴力传感器，其特征在于：所述单片机与RF通讯电路连接，对信号进行传输发送。
7.根据权利要求6所述的电容式轴力传感器，其特征在于：所述传感器本体、电容采集电路、ADC信号调理电路、单片机和RF通讯电路一起封装。
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