一种高灵敏度传感器的制作方法

本发明属于传感器，具体为一种高灵敏度传感器。

背景技术：

1、在工业检测与结构健康监测领域，针对高刚度体（如精密机床、高平稳性实验台以及关键承载结构件）的微小裂纹早期检测尤为必要。然而，高刚度体由于其自身弹性模量大、抵抗形变能力强，在产生微小裂纹或受初期应力破坏时，表面的应变与物理位移信号极其微弱，且极易被工业环境中的高频机械振动和电磁噪声所掩没。现有的微小信号检测传感器往往面临灵敏度不足、环境干扰大以及难以有效捕捉高刚度体表面微应变的问题。为了实现对高刚度体微小裂纹引起的高频、微小物理量变化的高精度捕捉，亟需一种能够将高刚度固体的微小形变和机械信号有效传递、物理放大并高灵敏转化为可观测电信号的传感结构。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种高灵敏度传感器。

2、技术方案：本发明所述的一种高灵敏度传感器，包括保护罩、上承载板、弹性元件、传动顶杆、感测单元裂纹模块、下限位板和位移输入基座，传动顶杆贯穿弹性元件中心，传动顶杆的一端与下限位板相连，另一端伸出上承载板并与感测单元裂纹模块相连，下限位板与位移输入基座相连，位移输入基座的底部具有第一尖端和第二尖端，第一尖端与第二尖端的连线相对于位移输入基座的安装基准面倾斜设置；感测单元裂纹模块设置在保护罩内。

3、进一步地，弹性元件为弹簧。弹簧的劲度系数根据预期的量程范围进行选型设计，以确保传动轴在动态位移过程中不发生脱离或空程。

4、进一步地，弹簧初始处于预压缩状态，其弹力方向与传动顶杆的轴线方向一致，且始终指向位移输入基座。

5、进一步地，感测单元裂纹模块包括环氧树脂层、电极和敏感层，环氧树脂层内设置电极和敏感层，敏感层为裂缝型，由压阻材料制成。感测单元裂纹模块通过信号传输线与外部电路相连，用于输出随应力集中的倍增而线性变化的电信号。

6、进一步地，敏感层通过物理气相沉积、柔性印刷或光刻法制得。

7、进一步地，传动顶杆的轴向位移、位移输入基座的水平位移满足以下公式：

8、

9、其中，为位移输入基座导向斜面与水平基准面的夹角，h为传动顶杆的轴向位移，l为位移输入基座的水平位移。

10、进一步地，位移输入基座导向斜面为平面、对数曲线面或二次曲线面，以实现非线性补偿信号输出。

11、进一步地，α为5°~60°。α大于60°，会导致斜面传动阻力急剧增大，易产生机械自锁或侧向卡死现象，使传动顶杆受到过大的侧向剪应力而偏磨，传动效率大幅下降；α小于5°，会导致位移放大转化率极低，垂直方向的有效机械应变不足以触发敏感层的裂缝应力集中效应，且对基底加工公差与表面粗糙度过于敏感，易造成测量失真。

12、进一步地，传动顶杆、位移输入基座采用硬质铝合金、不锈钢或工程塑料制成，以减小机械传动过程中的自形变损耗。

13、进一步地，传动顶杆底部设有减摩涂层或滚动体，有利于减小与基座斜面间的摩擦力迟滞。

14、进一步地，高灵敏度传感器封装于密封外壳内，用以隔离外界环境对机械传动精度及裂纹模块的影响。

15、工作原理：以具有引导斜面的基座为位移输入源，以含有预制裂纹结构的感测模块为核心传感单元，通过弹性元件预紧的传动机构将水平微位移转化为作用于裂纹感测模块的垂直轴向应力。其中，传动机构底部的接触部与基座斜面形成运动副，当基座产生水平向位移时，斜面迫使传动机构产生轴向位移并压缩弹性元件，使得轴向载荷高度集中于感测模块内部的裂纹尖端。当外部载荷变化导致裂纹尖端应力场波动时，感测模块内部的敏感层产生电阻或电荷信号变化，实现对机械位移量精准检测的目的。此外，通过调节基座斜面的倾角角度α，可改变水平位移与垂直位移的映射比例，从而实现对传感器检测灵敏度与量程的模组化调控。

16、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

17、1、借助斜面放大与裂纹尖端应力集中的双重级联放大机制，传感器的灵敏度系数（gf）提升至150~350，相比传统电阻式应变片（gf约为2）提升了75倍以上；

18、2、具备灵敏度模组化可调、机械稳定性高、量程覆盖范围广的特点，解决了传统应变传感器在微小位移检测中灵敏度与量程难以兼顾的问题；

19、3、结合弹性元件的预紧与缓冲作用，传感器在经历106次循环加载后，零点漂移率小于0.5%，迟滞误差低于1.2%。

1.一种高灵敏度传感器，其特征在于：包括保护罩（1）、上承载板（2）、弹性元件（3）、传动顶杆（4）、感测单元裂纹模块（5）、下限位板（6）和位移输入基座（7），所述传动顶杆（4）贯穿弹性元件（3）中心，所述传动顶杆（4）的一端与下限位板（6）相连，另一端伸出上承载板（2）并与感测单元裂纹模块（5）相连，所述下限位板（6）与位移输入基座（7）相连，所述位移输入基座（7）的底部具有第一尖端（71）和第二尖端（72），所述第一尖端（71）与第二尖端（72）的连线相对于位移输入基座（7）的安装基准面倾斜设置；所述感测单元裂纹模块（5）设置在保护罩（1）内。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述弹性元件（3）为弹簧。

3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述弹簧初始处于预压缩状态，其弹力方向与传动顶杆（4）的轴线方向一致，且始终指向位移输入基座（7）。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述感测单元裂纹模块（5）包括环氧树脂层（51）、电极（52）和敏感层（53），所述环氧树脂层（51）内设置电极（52）和敏感层（53），所述敏感层（53）为裂缝型，由压阻材料制成。

5.根据权利要求4所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述敏感层（53）通过物理气相沉积、柔性印刷或光刻法制得。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述传动顶杆（4）的轴向位移、位移输入基座（7）的水平位移满足以下公式：

7.根据权利要求6所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述位移输入基座（7）导向斜面为平面、对数曲线面或二次曲线面。

8.根据权利要求6所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述为5°~60°。

9.根据权利要求1所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述传动顶杆（4）、位移输入基座（7）采用硬质铝合金、不锈钢或工程塑料制成。

10.根据权利要求1所述的一种高灵敏度传感器，其特征在于：所述传动顶杆（4）底部设有减摩涂层或滚动体。