CN105424238A - 应力应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种应力应变传感器，该传感器包括敏感元件和包覆在敏感元件外的包层，包层的至少一部分为复合材料制成。该传感器一方面提高了传感器的敏感元件的耐用性和可维护性，另一方面，在对复合材料的被测件进行测量时，能够提高传感器与被测件的接触面的相容性，较好地传递复合材料被测件的应变。

Description

应力应变传感器

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种应力应变传感器。

背景技术

随着风力发电机组叶片和机舱使用的广泛性和特殊性，目前针对复合材料的机舱和叶片应力应变的测量常用应变计(中温箔式电阻应变计)实现，但应变计往往包括以下三点不足之处：

第一、实施要求较高，安装工序和工艺复杂，效率低，不适合批量使用(安装应变计要求专业技能的工作人员，因此如要大规模批量使用，需要培养大量专业的安装人员来实施)。此外，因技术人员的技能参次不齐，造成测试结果的较大差别。

第二、可维护性差，维护成本高。机组运行过程中出现问题则需要专业人员来处理，增加了时间成本和人员维护成本。

第三、应用范围局限。目前市面上的应变计，受其自身结构特点的影响，不适合在加工复合材料构件时预埋。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应力应变传感器，以解决现有技术的应变计实施要求高、可维护性差以及应用范围局限的问题。

本发明的实施例提供一种应力应变传感器，包括敏感元件和包覆在敏感元件外的包层，包层的至少一部分为复合材料制成。

优选地，包层包括保护包层和工作包层，保护包层或工作包层上设有凹槽，敏感元件固定设置在凹槽内。

优选地，工作包层的远离保护包层的一面为与被测件配合的工作面，保护包层上设置有凹槽，敏感元件设置于凹槽内，且敏感元件的至少一个侧面与工作包层贴合。

优选地，凹槽内还设有温度补偿片，温度补偿片与敏感元件并排设置，且温度补偿片的至少一个侧面与工作包层贴合。

优选地，保护包层上设置有凹槽，凹槽与敏感元件之间设有电磁屏蔽防护层，电磁屏蔽防护层覆盖敏感元件的远离所述工作面的表面。

优选地，传感器还包括测试引线，测试引线伸出至包层外部。

优选地，包层均为复合材料包层，复合材料为玻璃钢。

优选地，保护包层上与被测件对应的外壳上设有安装基准线。

优选地，包层上设置有多个安装孔。

优选地，保护包层和工作包层之间通过粘接剂粘结。

优选地，应力应变传感器安装于风力发电机组的机舱和/或叶片上，用于测量机舱和/或叶片的应力应变值。

根据本发明实施例提供的应力应变传感器，因采用至少一部分为复合材料的包层对敏感元件进行封装，一方面，提高了传感器的敏感元件的耐用性和可维护性，另一方面，在对复合材料的被测件进行测量时，能够提高传感器与被测件的接触面的相容性，较好地传递复合材料被测件的应变。

附图说明

图1是本发明的实施例的传感器安装面示意图；

图2是本发明的实施例的传感器保护包层示意图；

图3是本发明的实施例的传感器内部结构剖切示意图；

图4是本发明的实施例的传感器侧切面示意图。

附图标记说明：

1、工作面；2、引线；3、安装基准线；4、保护包层；5、敏感元件；6、电磁屏蔽防护层；7、粘接剂；10、工作包层。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性实施例。

本发明涉及应变式传感器，应变式传感器一般是由电阻应变片和测量转换电路两部分组成。电阻应变片的工作原理为：电阻应变片使用时用胶粘在被测件上，当被测件受力变形时，应变片中金属丝的长度与横截面积也随着被测件一起变化，进而发生电阻的变化，由于应变的变化和电阻的相对变化呈线性对应关系，因此利用惠斯通电桥测定桥路输出电压的变化值即可推算出相应的应变增量。

如图3及图4所示，本发明的实施例提供一种应力应变传感器，包括敏感元件5和包覆在敏感元件5外的包层，其中，敏感元件5是传感器中能直接感受被测变量的部分，它能够灵敏地感受被测变量，并将应力应变转化为电信号输出。敏感元件5外的包层的作用是防止传感器内部的敏感元件5受到机械力的破坏和变形，同时减少敏感元件5在使用时的工序，提高使用效率。该包层的至少一部分为复合材料制成。

本实施例的应力应变传感器因采用至少一部分为复合材料的包层对敏感元件5进行封装，一方面，提高了传感器的敏感元件5的耐用性和可维护性，克服了传统应变片测量的可维护性差，维护成本高及不适合重复使用的缺陷，提高了传感器的防护等级。另一方面，因本发明实施例的传感器的封装材料中至少一部分为复合材料，在对复合材料的被测件进行测量时，能够提高传感器与被测件的接触面的相容性(传感器的工作面1与被测件表面是同一材质)，较好地传递复合材料被测件的应变，确保传感器能够对复合材料的应变量进行测量。

如图4所示，具体地，传感器的包层包括保护包层4和工作包层10，保护包层4和工作包层10之间用粘接剂7粘结，并确保其密封性能。保护包层4主要用于与工作包层10一起在敏感元件5外形成有效防护，使传感器内部的敏感元件5免于机械力的破坏和变形，同时保护包层4和工作包层10还具有防腐、防潮功能，如此，可提高传感器的防护等级，使传感器的防护等级达到IP54。为便于放置敏感元件5，在保护包层4和/或工作包层10上设有凹槽，敏感元件5固定设置在凹槽内，如此可以实现敏感元件5在传感器内部的固定和定位，确保敏感元件5在传感器内不会随意移动，并且方便传感器的敏感元件5对准被测件进行测量。

优选地，在保护包层4上设置有凹槽，敏感元件5设置于保护包层4的凹槽内。这样设置既可以可靠地固定敏感元件5，又无需破坏工作包层10。传感器的工作包层10直接与敏感元件5的侧面贴合，传感器的工作包层10的远离保护包层4的一面为与被测件配合的工作面1，即在使用传感器时，传感器的工作包层10的工作面1与被测件表面接触并进行应变测量。

为提高传感器的测量精度，有效降低环境温度对测量值的影响，凹槽内还设有温度补偿片，温度补偿片与敏感元件5并排设置，且温度补偿片的至少一个侧面与工作包层10贴合。温度补偿片需选取对温度不敏感的材料制成，例如卡玛合金或者是康铜。在使用时，由于温度补偿片已经预设在在敏感元件5与保护包层4之间，因而可以省略现有使用过程中的进行温度补偿处理的步骤，降低使用难度和设置时间。

具体地，敏感元件5与温度补偿片的材质相同，敏感元件5由卡玛合金或者康铜制成。

为进一步提高传感器的测量精度，提高传感器的抗电磁干扰能力，保护包层4上的凹槽与敏感元件5之间设有电磁屏蔽防护层6，电磁屏蔽防护层6覆盖敏感元件5的远离所述工作面的表面。当应力应变传感器内同时具有温度补偿片和电磁屏蔽防护层6时，温度补偿片与敏感元件5并排设置在保护包层的凹槽内，且温度补偿片的至少一个侧面与敏感元件5的至少一个侧面均与工作包层10贴合。此时，电磁屏蔽防护层6需同时覆盖敏感元件5和温度补偿片的远离工作面的表面。电磁屏蔽防护层6用于实现电磁干扰的屏蔽功能，同时可防腐和防潮。电磁屏蔽防护层6为金属材料制成，具体可为锡箔。

如图1所示，为方便地固定传感器，提高对被测件进行测量的效率，传感器的测试引线2伸出至其包层外部。并且根据被测件的实际情况，有时为了更方便将测试引线2接入测试设备，还可适当延长测试引线2的长度(引线2封装前已做好预留)，使之更容易接入测试设备。

具体地，可以在包层上设置引线2标识，以方便工作人员接线，也可以在引线2上设置标识，标识引线2种类和作用，传感器的信号引线2标识如下，可根据以下引线2标识，直接接入测试设备，即可实现测量。

EX+——激励“+”；

IN+——信号输入“+”；

EX-——激励“－”；

IN-——信号输入“－”；

GND——接地端；

与传统的应变计接线方式相比(传统应变计需粘接接线端子并焊接引线2)，本发明实施例的传感器的引线2使用更加方便，更加适用于实际工程的应用。

为解决风力发电机组复合材料部件(例如机舱和叶片)的应力应变测量问题，传感器的工作包层10为玻璃钢复合材料，为实现传感器整体结构的一致性(便于制作加工及批量生产)，传感器的保护包层4也为玻璃钢复合材料。如此，玻璃钢传感器因其工作包层10为玻璃钢复合材料，因此，该传感器适用于材料为聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢等的被测件的测量(传感器的工作面1与被测件的材质相同，二者具有较好的相容性，提高测量准确度)，不仅可应用于对风力发电机组机舱和/或叶片的应力应变测量(使用时，将应力应变传感器安装于风力发电机组的机舱和/或叶片上，用于测量所述机舱和/或叶片的应力应变值)，还可用于其他领域，只要被测件的材料是玻璃钢复合材料即可。当然，同理，还可以根据需要将传感器的工作包层10替换成其他的材料，只要与被测件的材料相同即可实现测量。

为达到绝缘技术要求，传感器的包层材料应当为绝缘材料，因此在绝缘方面可比传统应变计提升一个等级。

如图2所示，为进一步方便传感器的使用，传感器的保护包层4上与被测件对应的外壳上设有安装基准线3。安装基准线3主要用于辅助确定传感器的安装方向。具体来说，使用时，先确定被测件的受力方向，并在被测件表面划线做记号，固定传感器时只需将安装基准线3与被测件表面标记线对应，即可确定传感器的安装方向，然后实施测量。

具体地，传感器与被测件的连接方式可以直接胶粘，也可以在传感器的包层上设置有多个安装孔。优选地，传感器四角开孔，用螺栓或者铆钉等固定件将传感器与被测件紧密连接起来，对被测件实施测量。

本发明实施例的传感器在安装方式上大大简化了工艺，降低了操作人员的使用难度。传统应变计的安装方式对表面粗糙度要求较高，需要对被测件表面精细打磨和清洗。另外，粘贴应变计对安装工艺要求也较高，例如，粘贴方法，安装方向，防潮，防腐，绝缘处理，抗干扰屏蔽处理等，工艺繁杂，且安装过程中的操作直接影响测量结果。诸如上述原因，传统的应变计安装要求专业技能的工作人员，如果需要大规模批量使用应变计，需要培训大量专业安装人员来实施，因技术人员的技能有差别，造成测试结果的较大差别。而本发明实施例的传感器省去这些操作步骤，使用时，安装人员只需将传感器的工作面1用丙酮或95％乙醇进行清洗，在其表面均匀涂抹专用胶水，然后在被测件表面做简单清洗或打磨处理，保证传感器与被测件之间胶粘牢固可靠即可。安装工艺简单，易于在工程中使用。例如，可以根据需要将传感器预埋在被测件中进行测量(传统的应变计结构特点不适合在加工被测件时预埋)。

本发明实施例的传感器的测量过程也相对简单，测试过程中，因被测件和传感器的工作面1牢固粘接，被测件的变形有效传递到传感器的工作面1上，通过敏感元件5感知工作面1上的变形，从而感知被测件变形，然后将这种变形转化为电信号输出到采集设备来计算被测件所受的应力应变值。使用中保证工作面1和被测件表面的牢固粘接，即可保证被测件变形的有效传递。

当然，还可根据被测物理量形式(如拉力，压力，剪切力和扭力)和被测件的结构，选择其他合适的传感器，本发明实施例在此不做限定。

本发明实施例提供的传感器还具有重复使用性。传统的应变计是一次性使用方式，无法重复利用，不利于节省资源和成本。实施例的传感器因其优化的设计结构，使得传感器在完成测试后，用特殊溶剂清理粘贴工作面1和被测件表面的胶水，即可拆除传感器，然后再清洗传感器工作面1残余溶剂和胶水，这样一来，既不损坏传感器，又可重复使用，极大地降低了成本消耗。

除此之外，本发明实施例提供的传感器还具有良好地可维护性。使用中，如传感器或线路损坏，只需将损坏的传感器和线路清理掉，在原测点处重新安装备用的传感器即可。

本发明实施例提供的应力应变传感器具有如下技术效果：

可对复合材料的部件进行较方便的测量，且降低了实施要求，简化了安装工序和安装工艺，因而扩大了应用范围和应用规模；提高了可维护性，降低了可维护成本，并且可以重复使用；体积小、重量轻，且集成封装，防护等级较高(可达IP54)，易于运输和存储；具有抗电磁干扰、温度补充及绝缘防护技术处理，提高了测量精度。

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技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种应力应变传感器，其特征在于，包括敏感元件(5)和包覆在所述敏感元件(5)外的包层，所述包层的至少一部分为复合材料制成。

2.根据权利要求1所述的应力应变传感器，其特征在于，所述包层包括保护包层(4)和工作包层(10)，所述保护包层(4)或所述工作包层(10)上设有凹槽，所述敏感元件(5)固定设置在所述凹槽内。

3.根据权利要求2所述的应力应变传感器，其特征在于，所述工作包层(10)的远离所述保护包层(4)的一面为与被测件配合的工作面(1)，所述保护包层(4)上设置有所述凹槽，所述敏感元件(5)设置于所述凹槽内，且所述敏感元件(5)的至少一个侧面与所述工作包层(10)贴合。

4.根据权利要求3所述的应力应变传感器，其特征在于，所述凹槽内还设有温度补偿片，所述温度补偿片与所述敏感元件(5)并排设置，且所述温度补偿片的至少一个侧面与所述工作包层(10)贴合。

5.根据权利要求3所述的应力应变传感器，其特征在于，所述保护包层(4)上设置有所述凹槽，所述凹槽与所述敏感元件(5)之间设有电磁屏蔽防护层(6)，所述电磁屏蔽防护层(6)覆盖所述敏感元件(5)的远离所述工作面的表面。

6.根据权利要求1所述的应力应变传感器，其特征在于，还包括测试引线(2)，所述测试引线(2)伸出至所述包层外部。

7.根据权利要求1所述的应力应变传感器，其特征在于，所述包层均为复合材料包层，所述复合材料为玻璃钢。

8.根据权利要求2所述的应力应变传感器，其特征在于，所述保护包层(4)上与被测件对应的外壳上设有安装基准线(3)。

9.根据权利要求1所述的应力应变传感器，其特征在于，所述包层上设置有多个安装孔。

10.根据权利要求2所述的应力应变传感器，其特征在于，所述保护包层(4)和所述工作包层(10)之间通过粘接剂(7)粘结。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的应力应变传感器，其特征在于，所述应力应变传感器安装于风力发电机组的机舱和/或叶片上，用于测量所述机舱和/或叶片的应力应变值。