球形载荷应变检测传感器、球形载荷应变检测装置的制作方法

本实用新型属于压力检测技术领域，具体涉及一种球形载荷应变检测传感器、球形载荷应变检测装置。

背景技术：

应变计是一种基于压阻效应的应变检测传感器，其广泛应用于爆炸，轻气炮，飞片，混凝土、岩层的爆炸检测等动态冲击的压力检测。

从传感器结构来看，现有的应变计可分为膜式、箔式、丝式应变计，其均用于对平面压力或柱面压力的检测，也即现有的应变计仅适用于单一方向冲击载荷声压的检测，而对于球面冲击载荷，如：激光约束中高能激光光压，球形发声面所产生的高能声压，球面发射向球心处挤压的声压是无法进行检测的。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种能够检测球形载荷应变的球形载荷应变检测传感器。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是一种球形载荷应变检测传感器，包括：

绝缘的球形基材，其具有第一直径，以及过球心且垂直于第一直径的赤道面；所述第一直径与球形基材表面的交点为第一极点、第二极点；所述赤道面将所述球形基材分为上半球形基材、下半球形基材，所述上半球形基材靠近赤道面的外表面具有第三极点，所述下半球形基材靠近赤道面的外表面具有第四极点，所述第三极点与所述第四极点相对于所述赤道面相互对称；

设于上半球形基材表面的第一导电压敏材料引线，其从第一极点以围绕第一直径的方式延伸至第三极点；设于上半球形基材表面的第一导电非压敏材料引线，其从第一极点以围绕第一直径的方式延伸至第四极点；

设于下半球形基材表面的第二导电压敏材料引线，其从第四极点以围绕第一直径的方式延伸至第二极点；设于下半球形基材表面的第二导电非压敏材料引线，其从第三极点以围绕第一直径的方式延伸至第二极点；其中，

在任意从第一极点指向赤道面的周向方向上，第一导电压敏材料引线和第一导电非压敏材料引线交替设置且不接触；在任意从赤道面指向第二极点的周向方向上，第二导电压敏材料引线和第二导电非压敏材料引线交替设置且不接触。

优选的，所述第一极点、第二极点、第三极点、第四极点处分别设有用于与检测单元电连接的第一连接端、第二连接端、第三连接端、第四连接端。

进一步优选的，所述球形基材中设有分别连通至第一极点、第二极点、第三极点、第四极点的第一通道、第二通道、第三通道、第四通道；其中，

所述第一通道内设有用于将第一连接端电连接至球形基材外的检测单元的第一引线；

所述第二通道内设有用于将第二连接端电连接至球形基材外的检测单元的第二引线；

所述第三通道内设有用于将第三连接端电连接至球形基材外的检测单元的第三引线；

所述第四通道内设有用于将第四连接端电连接至球形基材外的检测单元的第四引线。

优选的，所述的球形载荷应变检测传感器还包括：设于所述球形基材表面且覆盖所述第一导电压敏材料引线、第二导电压敏材料引线、第一导电非压敏材料引线、第二导电非压敏材料引线的封装层。

进一步优选的，所述封装层的材料包括：聚酰亚胺涂层胶或PTFE涂层胶。

优选的，所述球形基材的材料包括：陶瓷、三氧化二铝、云母中的任意一种。

优选的，所述第一导电压敏材料引线、第二导电压敏材料引线的材料包括：锰铜、康铜、锂、钙、铋、镱中的任意一种。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是一种球形载荷应变检测装置，包括：

上述的任一球形载荷应变检测传感器；

检测单元，其与第一极点、第二极点电连接，用于向第一极点、第二极点提供恒定电压，所述检测单元还与第三极点、第四极点电连接，用于检测第三极点、第四极点的电信号。

优选的，所述检测单元包括：

同轴电传输夹具，其包括：相对设置的第一同轴电传输夹具导体、第二同轴电传输夹具导体，相对设置的第三同轴电传输夹具导体、第四同轴电传输夹具导体；所述第一同轴电传输夹具导体、第二同轴电传输夹具导体均设置在所述第三同轴电传输夹具导体和第四同轴电传输夹具导体之间；

所述第一同轴电传输夹具导体通过第一引线与第一连接端连接，以使所述第一连接端与恒定电压源的负极连接；

所述第二同轴电传输夹具导体通过第二引线与第二连接端连接，以使所述第二连接端与恒定电压源的正极连接；

所述第三同轴电传输夹具导体通过第三引线与第三连接端连接，用于传导所述球形载荷应变检测传感器所检测到的电信号；

所述第四同轴电传输夹具导体通过第四引线与第四连接端连接，用于传导所述球形载荷应变检测传感器所检测到的电压信号。

进一步优选的，所述球形载荷应变检测装置还包括：差分放大器，其与所述第三同轴电传输夹具导体、第四同轴电传输夹具导体电连接，用于放大所述球形载荷应变检测传感器所检测到的电信号。

进一步优选的，所述球形载荷应变检测装置还包括：示波器，其与所述差分放大器连接，用于显示经过所述差分放大器放大后的、所述球形载荷应变检测传感器所检测到的电信号。

本实用新型具有如下有益效果：

由于本实用新型的第一导电压敏材料引线和第一导电非压敏材料引线具体是以第一导电压敏材料引线在前，第一导电非压敏材料引线在后，两两相邻成组，并沿着第一极点指向赤道面的方向，以盘绕的方式分布于上半球形基材表面的；同时，第二导电压敏材料引线和第二导电非压敏材料引线则是以第二导电非压敏材料引线在前，第二导电压敏材料引线在后，两两相邻成组，并沿着赤道面指向第二极点的方向，以盘绕的方式分布于下半球形基材表面的。这样一来，假设由第一导电压敏材料引线可构成第一测试电阻、由第二导电压敏材料引线可构成第二测试电阻，由第一导电非压敏材料引线和第二导电非压敏材料引线可分别构成第一参考电阻、第二参考电阻，则按照以上所述的第一导电压敏材料引线、第二导电压敏材料引线、第一导电非压敏材料引线、第二导电非压敏材料引线在整个球形基材上的分布情况，第一测试电阻、第二测试电阻、第一参考电阻、第二参考电阻可构成一个的桥式电路，该桥式电路在受到球面冲击载荷时，也即受到压力作用时，电桥会出现不平衡状态，从而使得第一测试电阻和第二参考电阻之间的测试端，以及第二测试电阻和第一参考电阻之间的测试端产生电压差，此时利用检测单元即可检测到该电压差，也即检测出球形载荷压力的大小。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1的球形载荷应变检测传感器的俯视图；

图2为本实用新型的实施例1的球形载荷应变检测传感器的测试图；

图3为本实用新型的实施例3的球形载荷应变检测装置的示意图；

图4为本实用新型的实施例3的球形载荷应变检测装置与同轴电传输夹具的剖视图；

其中附图标记为：1、球形基材；2、第一导电压敏材料引线；3、第一导电非压敏材料引线；4、第二导电压敏材料引线；5、第二导电非压敏材料引线；6、第一测试电阻；7、第二测试电阻；8、第一参考电阻；9、第二参考电阻；10、第一极点；11、第二极点；12、第三极点；13、第四极点；14、第一引线；15、第二引线；16、第三引线；17、第四引线；18、差分放大器；19、示波器；20、封装层；21、第一同轴电传输夹具导体；22、第二同轴电传输夹具导体；23、第三同轴电传输夹具导体；24、第四同轴电传输夹具导体。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种球形载荷应变检测传感器，其包括：绝缘的球形基材1、第一导电压敏材料引线2、第一导电非压敏材料引线3、第二导电压敏材料引线4、第二导电非压敏材料引线5。

具体的，球形基材1具有第一直径，以及过球心且垂直于第一直径的赤道面，该第一直径与球形基材1表面的交点为第一极点10、第二极点11；该赤道面将所述球形基材1分为上半球形基材、下半球形基材，上半球形基材靠近赤道面的外表面具有第三极点12，下半球形基材靠近赤道面的外表面具有第四极点13，第三极点12与第四极点13相对于赤道面相互对称。第一导电压敏材料引线2设于上半球形基材表面，其从第一极点10以围绕第一直径的方式延伸至第三极点12；第一导电非压敏材料引线3设于上半球形基材表面，其从第一极点10以围绕第一直径的方式延伸至第四极点13。第二导电压敏材料引线4设于下半球形基材表面，其从第四极点13以围绕第一直径的方式延伸至第二极点11；第二导电非压敏材料引线5设于下半球形基材表面，其从第三极点12以围绕第一直径的方式延伸至第二极点11；其中，在任意从第一极点10指向赤道面的周向方向上，第一导电压敏材料引线2和第一导电非压敏材料引线3交替设置且不接触；在任意从赤道面指向第二极点11的周向方向上，第二导电压敏材料引线4和第二导电非压敏材料引线5交替设置且不接触。

由此可以看出，如图2所示，第一导电压敏材料引线2和第一导电非压敏材料引线3具体是以第一导电压敏材料引线2在前，第一导电非压敏材料引线3在后，两两相邻成组，并沿着第一极点10指向赤道面的方向，以盘绕的方式分布于上半球形基材表面的；同时，第二导电压敏材料引线4和第二导电非压敏材料引线5则是以第二导电非压敏材料引线5在前，第二导电压敏材料引线4在后，两两相邻成组，并沿着赤道面指向第二极点11的方向，以盘绕的方式分布于下半球形基材表面。这样一来，假设由第一导电压敏材料引线2可构成第一测试电阻6、由第二导电压敏材料引线4可构成第二测试电阻7，由第一导电非压敏材料引线和第二导电非压敏材料引线可分别构成第一参考电阻8、第二参考电阻9，则按照以上所述的第一导电压敏材料引线2、第二导电压敏材料引线4、第一导电非压敏材料引线3、第二导电非压敏材料引线5在整个球形基材上的分布情况，第一测试电阻6、第二测试电阻7、第一参考电阻8、第二参考电阻9可构成一个桥式电路，该桥式电路在受到球面冲击载荷时，也即受到压力作用时，电桥会出现不平衡状态，从而使得第一测试电阻6和第二参考电阻9之间的测试端，以及第二测试电阻7和第一参考电阻8之间的测试端产生电压差，此时利用检测单元即可检测到该电压差，也即检测出球形载荷压力的大小。

需要说明的是，由于第一导电压敏材料引线2和第二导电压敏材料引线4均是以锰铜、康铜、锂、钙、铋、镱中的任意一种压敏金属材料所制成的，该压敏金属材料具有正压阻效应，即其的电阻会随着压力作用的增加而增加；且第一导电非压敏材料引线3和第二导电非压敏材料引线5均是以非压敏金属材料所制成的，该非压敏金属材料不具有正压阻效应，也即其在压力的作用下，其电阻阻值是恒定的，故在此基础上，上述的桥式电路才会在球形载荷的作用下，产生电桥不平衡的情况。

当然，第一导电压敏材料引线2和第一导电非压敏材料引线3也可以以第一导电非压敏材料引线3在前，第一导电压敏材料引线2在后的顺序分布在上半球形基材表面，此时，第二导电压敏材料引线4和第二导电非压敏材料引线5则是以第二导电压敏材料引线4在前，第二导电非压敏材料引线5在后的顺序分布在下半球形基材表面，在此不做限定。

其中，为增强本实施例所提供的球形载荷应变检测传感器的抗干扰能力，优选的，球形基材的材料包括：陶瓷、三氧化二铝、云母中的任意一种绝缘材料。

其中，本实施例优选的，第一极点10、第二极点11、第三极点12、第四极点13处分别设有用于与检测单元电连接的第一连接端、第二连接端、第三连接端、第四连接端，该第一连接端、第二连接端、第三连接端、第四连接端均可为铜电极，以供后续的电路引线连接。

进一步优选的，球形基材中设有分别连通至第一极点10、第二极点11、第三极点12、第四极点13的第一通道、第二通道、第三通道、第四通道；其中，第一通道内设有用于将第一连接端电连接至球形基材外的检测单元的第一引线14；第二通道内设有用于将第二连接端电连接至球形基材外的检测单元的第二引线15；所述第三通道内设有用于将第三连接端电连接至球形基材外的检测单元的第三引线16；所述第四通道内设有用于将第四连接端电连接至球形基材外的检测单元的第四引线17。

进一步优选的，为避免空气中的氧气氧化第一导电压敏材料引线2、第二导电压敏材料引线4，从而缩短本实施例所提供的球形载荷应变检测传感器的使用寿命，本实施例中的球形基材，以及第一导电压敏材料引线2、第二导电压敏材料引线4、第一导电非压敏材料引线3、第二导电非压敏材料引线5这五者的表面均覆盖有封装层20。其中，封装层20的材料包括：聚酰亚胺涂层胶或PTFE涂层胶。

综上，本实施例所提供的球形载荷应变检测传感器中的第一导电压敏材料引线2、第二导电压敏材料引线4、第一导电非压敏材料引线3、第二导电非压敏材料引线5在整个球形基材上的分布情况可以构成一个完整的桥式电路，具有该桥式电路的球形载荷应变检测传感器不仅能够用于感测球形载荷向其所施加的压力，其还具有较强的抗干扰能力。

实施例2：

本实施例提供了一种球形载荷应变检测传感器的制备方法，该方法可用来制备实施例1中的球形载荷应变检测传感器，具体的，该方法包括如下步骤：

步骤S0、通过构图工艺，在所述第一极点10、第二极点11、第三极点12、第四极点13处分别形成第一连接端、第二连接端、第三连接端、第四连接端。

具体的，首先可以通过溅射工艺，在球形基材的第一极点10、第二极点11、第三极点12、第四极点13处分别形成第一连接端、第二连接端、第三连接端、第四连接端，其中，该第一连接端、第二连接端、第三连接端、第四连接端均可为铜电极，以供后续的电路引线连接。

具体的，在球形基材中形成分别连通至第一极点10、第二极点11、第三极点12、第四极点13的第一通道、第二通道、第三通道、第四通道；最后，在所述第一通道、第二通道、第三通道、第四通道内分别设置第一引线14、第二引线15、第三引线16、第四引线17，以在后续步骤中，通过第一引线14、第二引线15分别为第一极点10、第二极点11提供恒定电压，通过第三引线16、第四引线17分别检测第三极点12、第四极点13处的电信号。

步骤S1、通过构图工艺，在上半球形基材表面形成第一导电压敏材料引线2和第一导电非压敏材料引线3；在下半球形基材表面形成第二导电压敏材料引线4和第二导电非压敏材料引线5。

具体的，通过光刻、掩膜真空溅射工艺分别在上半球形基材表面形成第一导电压敏材料引线2和第一导电非压敏材料引线3，在下半球形基材表面形成第二导电压敏材料引线4和第二导电非压敏材料引线5。其中，形成在上半球形基材表面的第一导电压敏材料引线2是从第一极点10以围绕第一直径的方式延伸至第三极点12的；形成在上半球形基材表面的第一导电非压敏材料引线3是从第一极点10以围绕第一直径的方式延伸至第四极点13的。形成在下半球形基材表面的第二导电压敏材料引线4是从第四极点13以围绕第一直径的方式延伸至第二极点11的；形成在下半球形基材表面的第二导电非压敏材料引线5是从第三极点12以围绕第一直径的方式延伸至第二极点11的。而且，在任意从第一极点10指向赤道面的周向方向上，第一导电压敏材料引线2和第一导电非压敏材料引线3交替设置且不接触；在任意从赤道面指向第二极点11的周向方向上，第二导电压敏材料引线4和第二导电非压敏材料引线5交替设置且不接触。

步骤S2、在完成上述步骤S1的球形基材，以及第一导电压敏材料引线2、第二导电压敏材料引线4、第一导电非压敏材料引线3、第二导电非压敏材料引线5这五者的表面均覆盖封装层20，以将第一导电压敏材料引线2、第二导电压敏材料引线4与空气隔绝，从而保证采用本实施例所提供的球形载荷应变检测传感器的制备方法所制成的球形载荷应变检测传感器具有较长的使用寿命。其中，封装层20的材料包括：聚酰亚胺涂层胶或PTFE涂层胶。

步骤S3、对完成上述步骤S2的球形基材进行加热处理，以增加球形载荷应变检测传感器的压阻系数。

至此完成对球形载荷应变检测传感器的制备。

实施例3：

如图3、4所示，本实施例提供了一种用于检测球形载荷应变的球形载荷应变检测装置，其包括实施例1中的球形载荷应变检测传感器，该球形载荷应变检测装置还包括：检测单元，其与第一极点10、第二极点11电连接，用于向第一极点10、第二极点11提供恒定电压，所述检测单元还与第三极点12、第四极点13电连接，用于检测第三极点12、第四极点13的电压信号。

具体的，检测单元包括：同轴电传输夹具。该同轴电传输夹具包括：相对设置的第一同轴电传输夹具导体21、第二同轴电传输夹具导体22，相对设置的第三同轴电传输夹具导体23、第四同轴电传输夹具导体24。其中，所述第一同轴电传输夹具导体21、第二同轴电传输夹具导体22均设置在所述第三同轴电传输夹具导体23和第四同轴电传输夹具导体24之间；所述第一同轴电传输夹具导体21通过所述第一引线14与所述第一连接端连接，以使所述第一连接端与恒定电压源的负极连接；所述第二同轴电传输夹具导体22通过所述第二引线15与所述第二连接端连接，以使所述第二连接端与恒定电压源的正极连接；所述第三同轴电传输夹具导体23通过所述第三引线16与所述第三连接端连接，用于传导所述球形载荷应变检测传感器所检测到的电信号；所述第四同轴电传输夹具导体24通过所述第四引线17与所述第四连接端连接，用于传导所述球形载荷应变检测传感器所检测到的电压信号。

检测单元还包括：差分放大器18，其与所述第三同轴电传输夹具导体23、第四同轴电传输夹具导体24电连接，用于放大所述球形载荷应变检测传感器所检测到的电信号。

为便于观察采用本实施例所提供的球形载荷应变检测装置所检测到的球形载荷的压力，检测单元还包括：示波器19，其与所述差分放大器18连接，用于显示经过所述差分放大器18放大后的、所述球形载荷应变检测传感器所检测到的电信号。

为了更清楚本实施例的意图，以下对本实施例所提供的球形载荷应变检测装置的工作原理进行说明。

具体的，当是使用本实施例所提供的球形载荷应变检测装置检测球形载荷应变时，首先，将球形载荷应变检测传感器放置在球形载荷所施加的压力的有效范围内；然后，球形载荷应变检测传感器在受到压力的作用下，以及在恒定电压源的激励下，由第一导电压敏材料引线2构成的第一测试电阻6、由第二导电压敏材料引线4构成的第二测试电阻7均会增大，而由第一导电非压敏材料引线3和第二导电非压敏材料引线5分别构成的第一参考电阻8、第二参考电阻9不将发生改变，此时，电桥会出现不平衡状态，从而使得第一测试电阻6和第二参考电阻9之间的测试端，以及第二测试电阻7和第一参考电阻8之间的测试端产生电压差，此时，利用差分放大器18对电信号进行放大、滤波，再利用示波器19测量端产生电压差随时间的变化，以此来将压致电阻变化引起的电压信号作为装置所检测到的球形载荷应变。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。