[发明专利]大载荷压、拉力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于力应变材料的传感系统，尤其涉及一种在大载荷工作环境下可以同时进行压力和拉力检测的一体化集成传感器系统。

背景技术

传感器领域发展迅速，产生了如压变、压阻和压电等多种传感器。特别是近些年来压电传感器发展迅速。压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和高钛酸铅等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷即“压电效应”。由于压电传感器是基于这种压电材料的力-电强耦合效应而制成，通过直接获取电信号的强度来感知受到机械负载的强度，所以这类传感器传感灵敏度高，信号获取方便，传感器结构紧凑简捷，使用方便，目前在众多领域得以广泛应用。但是，由于压电材料属于脆性材料，其抗压和抗拉强度都较低，所以利用其制成的压电传感器往往不能承受大载荷。如目前市场上的一款压电式传感器：CZ-YB系列压电式压力传感器，其承载能力只能为几十千帕，所以压电材料自身强度的缺陷限制了压电传感器的应用。并且，由于压电材料其拉、压电特性不同，采用单一压电材料制成的压力和拉力一体化传感器，存在传感信号不一致，拉压力测量范围偏差较大的缺陷，使制造一体化拉压传感器存在困难。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种大载荷压、拉力传感器，其结构尺寸小，拉、压强度高，安装简单便利。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括弹性框架，弹性框架上设有空穴，空穴的侧面设有贯通口，设置在弹性框架上的紧固件贯穿贯通口；空穴内设有压电体，压电体的一端与紧固件固接，另一端与贯通口相对的空穴内壁接触。

该发明中所包含的弹性框架为一中心镂空(设置空穴)结构体，镂空周围的框架部分由于其具有受力弯曲的结构可以根据所承载的压力或拉力产生相应的弹性变形。该弹性框架上下两端侧壁上还有便于与外部施力机构方便连接的螺纹。

空穴优选为椭球形或圆球形或相对的两端封闭另两端镂空的框架，当然也可以设置成其它形状，只要能放置进压电体且能够在外力作用下压缩压电体即可。空穴至少设置一个，每个空穴上设置一个贯通口，不同的空穴交替在空穴的上端或下端或左端或右端设置贯通口。机构中通常在弹性框架的上下两端皆设置压电体，其中上端的压电体置于弹性框架上的镂空的空穴中，上端压电体的受力方向与外部施加的拉或压力方向一致；其中下端压电体置于弹性框架上的镂空的空穴中，下端压电体的受力方向与外部施加的拉或压力方向垂直。

紧固件为紧固螺栓，紧固螺栓用于将上端压电体和下端压电体方便地装配在弹性框架的相应位置，并且用于调整装配间隙而方便紧固压电体于框架上，还可以用于对压电体施加预紧力。

根据“泊松效应”，当弹性框架压力足够大时，弹性框架体上的空穴结构体会被挤压变形，使弹性框架上对应空穴部分的结构体在压力方向被压缩，同时其在垂直压力方向上向外扩张。此时，置于空穴内的上端压电体会承受压力，而置于空穴内的下端压电体将会被放松而不承受压力(或初始预紧力会减少)。此时，上端压电体受到压力而产生压电信号，并且该压电信号的大小与所受的压力大小呈对应关系，从而可以实现检测压力的功效。

同理，当弹性框架拉力足够大时，弹性框架体上的空穴结构体会被拉伸变形，使弹性框架上对应空穴部分的结构体在拉力方向被伸长，同时在垂直拉力方向上被收紧。此时，置于空穴内的下端压电体会承受压力，而置于空穴内的上端压电体将会被放松而不承受压力(或初始预紧力会减少)。此时，下端压电体受到压力而产生压电信号，并且该压电信号的大小与所受的拉力大小呈对应关系，从而可以实现检测拉力的功效。

弹性框架中间位置设置凹槽，便于拉力或压力的动作。压电体为力-电形式传感材料体或力-光形式传感材料体或力-磁形式传感材料体。

根据以上分析，本发明传感器可以通过对上压电体和下压电体交互作用，而感知施加于弹性框架上的压力或拉力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.同时实现了压力和拉力检测，机构简单、紧凑；

2.机构刚性好，可以采用承载压力或拉力有限的压电或其它强度较低的传感材料检测大负载或超大负载的压力或拉力；体积可以较小；

3.压力和拉力检测均采用了在压电体上施加的压力信号而实现，使本发明对于压力和拉力检测具有稳定性和一致性；

4.部件装配和安装方便，部件的加工、设计尺寸和装配误差可以方便地通过安装螺栓进行调节；传感器整体与外部被测件可通过螺纹方便连接。