CN112924074A - 一种扇形差动电容式垫片型压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扇形差动电容式垫片型压力传感器，包括上壳、支撑结构和下壳以及扇形差动电容器，支撑结构的中央位置设有用以安装所监测螺栓的螺栓通孔，扇形差动电容器连接信号接头，下壳内嵌套有环形绝缘体，使用时，将本发明套在高强度螺栓紧固件中，将信号接头与交流测量电路相连，当紧固件处于螺栓正常的预紧力作用下，电容量处于正常值，当传感器两端压力减小时，电容降低，若低于设定值则说明紧固件产生破坏、变形或发生了松动，可及时处理，保证工程安全，减小不必要的损失。

Description

一种扇形差动电容式垫片型压力传感器

技术领域

本发明涉及土木建筑工程、机械装配技术领域，尤其是涉及一种扇形差动电容式垫片型压力传感器。

背景技术

目前在土木建筑以及机械安装领域，高强度螺栓被广泛使用，具体工况中所需预紧力可达十几吨至二十几吨，载荷较大，而且在这些紧固连接处的安全性要求都比较高，必须及时准确地监测预紧力。而现有的螺栓监测传感器难以应用于高强度螺栓达十几吨的预紧力状况，且不容易做到实时监控。

发明内容

本发明的目的是针对上述安装情景下，没有能够同时达到载荷要求和可监测性的传感器，而提供一种以支撑结构和差动电容为基本力电转换结构的扇形差动电容式垫片型压力传感器，该传感器可作为垫片使用，相比于普通电容结构，差动电容可以将微小的形变所产生的电信号进一步放大，并取两组扇形差动电容电信号平均值使得数据更精确，且本发明结构紧凑，可在复杂工业情境下稳定可靠使用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种扇形差动电容式垫片型压力传感器，用于对螺栓紧固件的预紧力状态进行监测，包括由上至下依次设置的上壳、支撑结构和下壳，以及与支撑结构连接的两组对称设置的扇形差动电容器，所述支撑结构的中央位置设有用以安装所需监测螺栓紧固件的螺栓通孔，所述螺栓通孔的尺寸与待测螺栓尺寸相匹配，所述扇形差动电容器连接用以与外接交流测量电路相连的信号接头，外接交流测量电路接入电容测量模块，所述下壳内嵌套有环形绝缘体，所述环形绝缘体连接所述扇形差动电容器。

所述扇形差动电容器包括由上至下依次设置的扇形PCB板一、扇形PCB板二和扇形PCB板三，所述扇形PCB板一和所述扇形PCB板三安装在环形绝缘体上，所述扇形PCB板二安装在支撑结构上并通过引线接地，所述扇形PCB板一、所述扇形PCB板二和所述扇形PCB板三分别为差动电容器的三个扇形电极。

所述扇形PCB板一、所述扇形PCB板二和所述扇形PCB板三的弧度均为60°，且各扇形PCB板的结构与材料相同，各扇形PCB板从内到位依次设有扇形内绝缘板、扇形导电电极和扇形外绝缘板，所述扇形导电电极上设有信号接头。

所述扇形PCB板一和所述扇形PCB板三的尺寸相同，所述扇形PCB板二的尺寸小于所述扇形PCB板一和所述扇形PCB板三的尺寸，所述扇形PCB板二的扇形导电电极的区域尺寸与所述扇形PCB板一和所述扇形PCB板三的扇形导电电极的区域尺寸相同。

所述支撑结构上设有用以连接所述扇形PCB板二的环形槽。所述环形绝缘体上设有两道分别用以连接所述扇形PCB板一和所述扇形PCB板三的环形槽，所述环形绝缘体套入所述下壳后，所述环形绝缘体的两道环形槽分别位于所述支撑结构的环形槽的上、下两端，且所述环形绝缘体的两道环形槽与所述支撑结构的环形槽的间距相同。

进一步地，所述支撑结构的顶部和底部分别设有用以连接上壳、下壳的凸台，各凸台上设有螺纹孔，顶部和底部的凸台分别通过上螺钉、下螺钉与上壳、下壳固定连接。

所述支撑结构与所述环形绝缘体安装相应的扇形PCB板后，旋转支撑结构，使扇形PCB板二与扇形PCB板一、扇形PCB板三错开位置，将支撑结构、下壳与环形绝缘体配合好后再旋转支撑结构，使扇形PCB板二刚好位于扇形PCB板一和扇形PCB板三中间且各扇形PCB板的扇形导电电极的区域平行对正。

所述扇形PCB板一、所述扇形PCB板二和所述扇形PCB板三之间的距离根据螺栓预紧力大小设置。

利用本发明扇形差动电容式垫片型压力传感器对螺栓紧固件的预紧力状态进行监测的具体内容为：

在安装螺母进行紧固前，将扇形差动电容式垫片型压力传感器套在螺栓紧固件中，随后继续安装螺母进行紧固，通过信号接头与外接交流测量电路相连，通过接入电容测量模块测取电容值，得到两组电容的平均值，并根据线性关系获取扇形差动电容式垫片型压力传感器所在螺栓紧固件的预紧力状态，实现实时监测。

本发明提供的扇形差动电容式垫片型压力传感器，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)本发明采用支承结构、环形绝缘体、多个扇形PCB板套设的的结构装置，通过扇形差动电容传感元件将螺栓预紧力作用下支撑结构的微小压缩变形导致差动电容器之间的极间距发生变化，通过外接交流测量电路获取电信号，再由相关公式计算螺栓预紧力大小，压力产生的应变直接转化为极板间的距离变化，能够减少中间过程的误差，同时本发明采用差动电容结构，增大了同样距离变化下的电容变化量，提高了测量的精确度。

2)进行测量时，考虑到垫片受力存在不均匀的情况，本发明选取两组扇形差动电容电信号的平均值，作为修正补偿，有利于得到更为准确的数据。

3)使用时，将本发明扇形差动电容式垫片型压力传感器套在高强度螺栓紧固件中，将信号接头与交流测量电路相连，当紧固件处于螺栓正常的预紧力作用下，电容量处于正常值，当传感器两端压力减小时，电容降低，若低于设定值则说明紧固件产生破坏、变形或发生了松动，可及时处理，保证工程安全，减小不必要的损失。

4)本发明利用差动电容原理放大微小变形下的电容变化，相比于一般电容器具有更高的测量精度，能够应用于高强度螺栓达十几吨的预紧力状况，而利用外接电路及不同模块实时监控其电容变化得到预紧，可以实现预紧力的实时监控。

附图说明

图1为实施例中扇形差动电容式垫片型压力传感器的外部结构示意图；

图2为实施例中扇形差动电容式垫片型压力传感器的截面结构示意图；

图3为实施例中扇形差动电容式垫片型压力传感器的各部件分离示意图；

图4为实施例各种扇形PCB板的结构示意图；

图5为实施例中装配时支撑结构的旋转步骤示意图；

图6为实施例中扇形差动电容式垫片型压力传感器工作流程简图；

图7为实施例中完成安装后的扇形差动电容式垫片型压力传感器的外部结构示意图(外接电路测量通道应另接线路或天线)；

图中标号所示：

1、上壳，2、支撑结构，3、下壳，4、扇形PCB板一，5、扇形PCB板二，6、扇形PCB板三，7、环形绝缘体，8、信号接头，9、上螺钉，10、下螺钉，11、扇形内绝缘板，12、扇形导电电极，13、扇形外绝缘板，14、螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1～图3所示，本发明涉及一种扇形差动电容式垫片型压力传感器，包括上壳1、支撑结构2、下壳3、扇形PCB板一4、扇形PCB板二5、扇形PCB板三6、环形绝缘体7、信号接头8、上螺钉9和下螺钉10。

支撑结构2为空心圆柱结构，且其顶部和底部分别设有凸台，两个凸台的设定分别与上壳1和下壳3相对应，且凸台的结构与上壳1和下壳3的结构相匹配，各个凸台上分别加工有螺纹孔14，顶部和底部的凸台分别通过上螺钉9、下螺钉10与上壳1和下壳3连接固定。环形绝缘体7的形状、尺寸与下壳3的形状、尺寸间隙配合，使环形绝缘体7刚好嵌套在下壳3中并固定。

在本实施例中，作为优选方案，支撑结构2为三层阶梯状空心圆柱结构，位于顶部、底部的圆柱凸台对称设于中心圆柱的上、下两侧，二者的厚度、直径相同。且二者的厚度小于中心圆柱的厚度。上壳1为片状圆环结构，其中心圆孔的直径尺寸与支撑结构2的顶部圆柱凸台的外径相同。上壳1上设有螺纹孔14，用于安装上螺钉9。上壳1的片状圆环架设在支撑结构2的顶部圆柱凸台上。下壳3为类圆环结构，其中心圆孔的直径尺寸与支撑结构2的底部圆柱的外径相同。下壳3上设有螺纹孔14，用于安装下螺钉10。下壳3的圆环结构架设在支撑结构2的底部圆柱凸台上。上壳1与下壳3的外径相同，且在使用螺钉与支撑结构2连接后，上壳1与下壳3的最大圆周处之间留有一定间隙满足支撑结构2压缩变形的需要。

扇形PCB板一4、扇形PCB板二5、扇形PCB板三6构成差动电容器，每块板的弧度均为60°，所述支撑结构2的中间部位(非凸台部位)设有用于安装所监测螺栓的螺栓通孔，螺栓通孔尺寸与所监测螺栓连接副的垫片内径相同，螺栓通孔的尺寸可以根据螺栓型号设计成系列，即对应不同螺栓直径设计螺栓通孔尺寸，以对应不同螺栓的监测。具体地：

扇形PCB板一4和扇形PCB板三6安装在环形绝缘体7上，扇形PCB板二5安装在支撑结构2上并用引线接地，扇形PCB板一4、扇形PCB板二5、扇形PCB板三6分别为差动电容器的三个扇形电极。下壳3的外壁设有凸出的外接测量电路通道，用于提供外接测量电路(电容测量模块)的连接线，使其连接各扇形PCB板。

进一步地，扇形PCB板一4、扇形PCB板二5和扇形PCB板三6均为弧度为60°的扇形片状结构且材料相同。如图4所示，扇形PCB板一4和扇形PCB板三6的尺寸一致，从圆心方向内到外依次设有扇形内绝缘板11、扇形导电电极12和扇形外绝缘板13，扇形导电电极12上设有信号接头8，用于与外接交流测量电路连接。扇形PCB板二5的内径与外径相比于扇形PCB板一4和扇形PCB板三6的尺寸较小，其从圆心方向内到外同样设置有扇形内绝缘板11、扇形导电电极12和扇形外绝缘板13，两种扇形PCB板的扇形导电电极12区域尺寸相同。实际应用中，扇形PCB板一4、扇形PCB板二5和扇形PCB板三6可根据螺栓预紧力大小进行设计。

更具体而言，三个扇形PCB板从上到下依次设置，扇形PCB板一4在上方位置，扇形PCB板二5在中间位置，扇形PCB板三6在下方位置，且有两组从上到下依次设置的三个扇形PCB板呈对称结构安装于传感器中。如图3结构所示。

进一步地，支撑结构2的外侧圆周向上加工有环形槽，该环形槽的尺寸与扇形PCB板二5的尺寸相匹配，即可实现与扇形PCB板二5的结合。环形绝缘体7的内侧圆周向上加工有上、下两道环形槽，上、下两道环形槽的尺寸与扇形PCB板一4、扇形PCB板三6的尺寸相匹配，用于与扇形PCB板一4和扇形PCB板三6的结合。环形绝缘体7与下壳3配合后，环形绝缘体7所开设的两道环形槽需位于支撑结构2所开设的环形槽的上、下两端，且二者与支撑结构2所开设的环形槽的间距相等。

实际应用中，扇形PCB板一4、扇形PCB板二5和扇形PCB板三6的间距可根据螺栓预紧力大小进行设计。预紧力较大时，变形较大，预紧力较小时，变形较小，通过调整各扇形PCB板的间距(即环形槽的间距)，保证变形后电容极板不被击穿。

进一步地，如图5所示，支撑结构2与环形绝缘体7在安装好三个扇形PCB板后，旋转支撑结构2，使扇形PCB板二5与扇形PCB板一4和扇形PCB板三6错开位置，将支撑结构2、下壳3与环形绝缘体7配合好后，再旋转支撑结构2使得扇形PCB板二5刚好位于扇形PCB板一4和扇形PCB板三6中间且各扇形PCB板的扇形导电电极12区域平行对正。

本发明采用这样的结构设计，通过扇形差动电容传感元件将螺栓预紧力作用下支撑结构的微小压缩变形导致差动电容器之间的极间距发生变化，通过外接交流测量电路接入电容测量模块，获取电信号，再由相关公式计算螺栓预紧力大小，压力产生的应变直接转化为极板间的距离变化，减少中间过程的误差，同时本发明采用了差动电容结构，增大了同样距离变化下的电容变化量，提高测量的精确度。进行测量时，考虑到垫片受力存在不均匀的情况，需要取两组扇形差动电容电信号的平均值，作为修正补偿，得到更为准确的数据。

如图6所示，当螺栓预紧力作用于支撑结构2时，支撑结构2会因为轴向受力产生形变，导致差动电容之间的电极距离发生变化，使得电容发生变化，电容测量模块测量电容的变化，并把所测数据存储在寄存器中，数据在控制模块中得到处理后，将结果通过通信模块发送至上位机。

本发明的工作原理如下：

利用胡克定律研究螺栓预紧力作用下支撑结构2的轴向变形，如支撑结构2的截面积为S，预紧力为F_N，则截面的正应力σ＝F_N/S，将变形量Δh除以支撑结构2的厚度h可得到轴向应变ε＝Δh/h。而在比例极限内，应力与应变成正比，即σ＝E·ε，E为弹性模量，带入后可得：

其余参数不变的情况下，变形量Δh与预紧力F_N成正比。

再根据差动电容的原理来研究各扇形PCB板之间的电容变化，如图2所示，扇形PCB板二5会随支撑结构2的变形而移动，而扇形PCB板一4与扇形PCB板三6与环形绝缘体7结合且保持位置不变，那么当变形量为Δh时，扇形PCB板一4与扇形PCB板三6之间的电容相对变化量ΔC为：

其中，d₀为扇形PCB板一4与扇形PCB板三6之间距离的1/2，C₀为PCB板一4与扇形PCB板三6的初始电容，Δd与Δh意义相同，为支撑结构2的变形量。那么螺栓所受预紧力为：

其中，所涉及电信号取两组差动电容结构所测数据的平均数，经过电力信号转化测得螺栓预紧力。

具体安装检测过程如下：

1、正常安装高强度螺栓紧固件，直至装上平垫片后，安装螺母前；

2、将本发明的电容式垫片型压力传感器套在高强度螺栓紧固件中，并紧贴平垫片；

3、继续安装螺母，进行紧固，将紧固件安装完成，完成后的外部结构如图7所示；

4、将信号接头8与外接监测***(电容测量模块)连接，通过交流测量电路，获取本传感器的压力值，也即高强度螺栓紧固件的预紧力。

当紧固件处于螺栓正常的预紧力作用下，电容量处于正常值，当传感器两端压力减小时，电容降低，若低于设定值则说明紧固件产生破坏、变形或发生了松动，可及时处理，保证工程安全，减小不必要的损失。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种扇形差动电容式垫片型压力传感器，用于对螺栓紧固件的预紧力状态进行监测，其特征在于，包括由上至下依次设置的上壳(1)、支撑结构(2)和下壳(3)，以及与支撑结构(2)连接的两组对称设置的扇形差动电容器，所述支撑结构(2)的中央位置设有用以安装所需监测螺栓紧固件的螺栓通孔，所述螺栓通孔的尺寸与待测螺栓尺寸相匹配，所述扇形差动电容器连接用以与外接交流测量电路相连的信号接头(8)，外接交流测量电路接入电容测量模块，所述下壳(3)内嵌套有环形绝缘体(7)，所述环形绝缘体(7)连接所述扇形差动电容器。

2.根据权利要求1所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，所述扇形差动电容器包括由上至下依次设置的扇形PCB板一(4)、扇形PCB板二(5)和扇形PCB板三(6)，所述扇形PCB板一(4)和所述扇形PCB板三(6)安装在环形绝缘体(7)上，所述扇形PCB板二(5)安装在支撑结构(2)上并通过引线接地，所述扇形PCB板一(4)、所述扇形PCB板二(5)和所述扇形PCB板三(6)分别为差动电容器的三个扇形电极。

3.根据权利要求2所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，所述扇形PCB板一(4)、所述扇形PCB板二(5)和所述扇形PCB板三(6)的弧度均为60°，且各扇形PCB板的结构与材料相同，各扇形PCB板从内到位依次设有扇形内绝缘板(11)、扇形导电电极(12)和扇形外绝缘板(13)，所述扇形导电电极(12)上设有信号接头(8)。

4.根据权利要求3所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，所述扇形PCB板一(4)和所述扇形PCB板三(6)的尺寸相同，所述扇形PCB板二(5)的尺寸小于所述扇形PCB板一(4)和所述扇形PCB板三(6)的尺寸，所述扇形PCB板二(5)的扇形导电电极(12)的区域尺寸与所述扇形PCB板一(4)和所述扇形PCB板三(6)的扇形导电电极(12)的区域尺寸相同。

5.根据权利要求2所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，所述支撑结构(2)上设有用以连接所述扇形PCB板二(5)的环形槽。

6.根据权利要求5所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，所述环形绝缘体(7)上设有两道分别用以连接所述扇形PCB板一(4)和所述扇形PCB板三(6)的环形槽，所述环形绝缘体(7)套入所述下壳(3)后，所述环形绝缘体(7)的两道环形槽分别位于所述支撑结构(2)的环形槽的上、下两端，且所述环形绝缘体(7)的两道环形槽与所述支撑结构(2)的环形槽的间距相同。

7.根据权利要求1所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，所述支撑结构(2)的顶部和底部分别设有用以连接上壳(1)、下壳(3)的凸台，各凸台上设有螺纹孔(14)，顶部和底部的凸台分别通过上螺钉(9)、下螺钉(10)与上壳(1)、下壳(3)固定连接。

8.根据权利要求4所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，所述支撑结构(2)与所述环形绝缘体(7)安装相应的扇形PCB板后，旋转支撑结构(2)，使扇形PCB板二(5)与扇形PCB板一(4)、扇形PCB板三(6)错开位置，将支撑结构(2)、下壳(3)与环形绝缘体(7)配合好后再旋转支撑结构(2)，使扇形PCB板二(5)刚好位于扇形PCB板一(4)和扇形PCB板三(6)中间且各扇形PCB板的扇形导电电极(12)的区域平行对正。

9.根据权利要求8所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，所述扇形PCB板一(4)、所述扇形PCB板二(5)和所述扇形PCB板三(6)之间的距离根据螺栓预紧力大小设置。

10.根据权利要求9所述的扇形差动电容式垫片型压力传感器，其特征在于，利用该压力传感器对螺栓紧固件的预紧力状态进行监测的具体内容为：

在安装螺母进行紧固前，将扇形差动电容式垫片型压力传感器套在螺栓紧固件中，随后继续安装螺母进行紧固，通过信号接头(8)与外接交流测量电路相连，通过接入电容测量模块测取电容值，得到两组电容的平均值，并根据线性关系获取扇形差动电容式垫片型压力传感器所在螺栓紧固件的预紧力状态，实现实时监测。

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