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微型拉力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型拉力傳感器，包括彈性體、電阻應(yīng)變片、防護(hù)膠、傳感器前后保護(hù)蓋板、傳感器上下保護(hù)蓋板、連接鎖頭和柔性鋼絲繩。電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體的四個側(cè)面，電阻應(yīng)變片的外表面均勻涂抹一層防護(hù)膠；彈性體的兩端各有一段彈性體連接螺柱，分別與兩個連接鎖頭的鎖頭螺紋孔連接，連接鎖頭另一端的鎖頭圓孔連接并壓緊所述柔性鋼絲繩。具有尺寸小、質(zhì)量輕、量程大、精度高等優(yōu)點，可用于航空、航天等領(lǐng)域精密儀器在復(fù)雜環(huán)境下拉力信號的測量。
【專利說明】微型拉力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種拉力傳感器，尤其涉及一種微型拉力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]拉力傳感器因其精度高、測量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、頻響特性好、能在惡劣條件下工作等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)、機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域。拉力傳感器是一種將拉力物理信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的裝置。按彈性體結(jié)構(gòu)劃分，拉力傳感器有板式、梁式、剪切輪幅式和雙連孔式等各種結(jié)構(gòu)，而且隨著新的應(yīng)用環(huán)境出現(xiàn)，還在出現(xiàn)新彈性元件形狀的拉力傳感器。根據(jù)工作原理，拉力傳感器分為電阻應(yīng)變式、半導(dǎo)體壓阻式、電容式、霍爾式、磁致伸縮效應(yīng)式、光纖布拉格光柵式和石英諧振式等。其中基于電阻應(yīng)變原理的拉力傳感器是當(dāng)前各種高精度拉力傳感器中應(yīng)用最廣、技術(shù)最為成熟的形式。
[0003]電阻應(yīng)變式拉力傳感器的基本工作原理是:彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后阻值將發(fā)生變化，再通過相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而完成了將外力信號變換為電信號的過程。電阻應(yīng)變式拉力傳感器設(shè)計過程中應(yīng)變片的選擇、粘貼及保護(hù)是電阻應(yīng)變式拉力傳感器性能的基本保障。電阻應(yīng)變片在彈性體上粘貼的部位應(yīng)保證與彈性體所承受的被測力嚴(yán)格對應(yīng),并盡量做到使彈性體貼片部位具有較高的應(yīng)變水平。同樣，彈性體材料的選擇和彈性體結(jié)構(gòu)的設(shè)計也是電阻應(yīng)變式拉力傳感器所涉及的關(guān)鍵技術(shù)之一。為保證傳感器在應(yīng)用過程中具有量程大、精度高、非線性誤差小等優(yōu)點，最為理想的力學(xué)傳感器彈性體材料應(yīng)該具有高彈性極限、高疲勞極限、彈性模量溫度系數(shù)小、熱處理后組織均勻且各向同性、熱膨脹系數(shù)小、彈性滯量小、具有良好的機(jī)械加工和熱處理性能等特點。
[0004]受彈性體材料和應(yīng)用場合的限制，目前的拉力傳感器很難同時滿足大量程、小尺寸的設(shè)計要求。且傳感器在設(shè)計和使用過程中，包括彈性體材料因素在內(nèi)的諸多因素引起的傳感器非線性誤差需要復(fù)雜的補(bǔ)償電路來進(jìn)行補(bǔ)償，增加了傳感器設(shè)計和使用成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種量程大、尺寸小、精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的微型拉力傳感器。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明的微型拉力傳感器，包括測量系統(tǒng)和連接系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括彈性體、電阻應(yīng)變片、防護(hù)膠、傳感器前后保護(hù)蓋板、傳感器上下保護(hù)蓋板，所述連接系統(tǒng)包括連接鎖頭和柔性鋼絲繩。
[0008]所述電阻應(yīng)變片分別以所述彈性體的四個側(cè)面的幾何中心為基準(zhǔn)粘貼在其表面，所述電阻應(yīng)變片的外表面均勻涂抹一層防護(hù)膠；
[0009]所述的彈性體為截面為正方形的長柱體，其兩端面分別開有彈性體卡槽，所述傳感器前后保護(hù)蓋板和傳感器上下保護(hù)蓋板通過其兩端的保護(hù)蓋板卡口夾緊在所述彈性體兩端對應(yīng)的彈性體卡槽內(nèi)；
[0010]所述傳感器上下保護(hù)蓋板中心各開有一孔，作為傳感器導(dǎo)線的走線孔；
[0011]所述彈性體的兩端各有一段彈性體連接螺柱，分別與兩個連接鎖頭的鎖頭螺紋孔連接，所述連接鎖頭另一端的鎖頭圓孔連接并壓緊所述柔性鋼絲繩。
[0012]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的微型拉力傳感器，電阻應(yīng)變片分別以彈性體的四個側(cè)面的幾何中心為基準(zhǔn)粘貼在其表面，彈性體的兩端各有一段彈性體連接螺柱，分別與兩個連接鎖頭的鎖頭螺紋孔連接，連接鎖頭另一端的鎖頭圓孔連接并壓緊所述柔性鋼絲繩，具有尺寸小、質(zhì)量輕、量程大、精度高等優(yōu)點，可用于航空、航天等領(lǐng)域精密儀器在復(fù)雜環(huán)境下拉力信號的測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1a為本發(fā)明實施例提供的微型拉力傳感器俯視三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖1b為本發(fā)明實施例提供的微型拉力傳感器仰視三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2a為本發(fā)明實施例中的彈性體三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2b為本發(fā)明實施例中的彈性體主視圖；
[0017]圖2c為本發(fā)明實施例中的彈性體左視圖；
[0018]圖3a為本發(fā)明實施例中的傳感器前后保護(hù)蓋板俯視三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3b為本發(fā)明實施例中的傳感器前后保護(hù)蓋板仰視三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4a為本發(fā)明實施例中的傳感器上下保護(hù)蓋板俯視三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4b為本發(fā)明實施例中的傳感器上下保護(hù)蓋板仰視三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5為本發(fā)明實施例中的連接鎖頭半剖三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中:1、彈性體，2、電阻應(yīng)變片，3、防護(hù)膠，4A、傳感器前后保護(hù)蓋板，4B、傳感器上下保護(hù)蓋板，5、連接鎖頭，6、柔性鋼絲繩，7、保護(hù)蓋板卡口，8、走線孔，9、彈性體卡槽，10、彈性體連接螺柱，U、鎖頭圓孔，12、鎖頭螺紋孔。
【具體實施方式】
[0024]下面將對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0025]本發(fā)明的微型拉力傳感器，其較佳的【具體實施方式】是:
[0026]包括測量系統(tǒng)和連接系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括彈性體、電阻應(yīng)變片、防護(hù)膠、傳感器前后保護(hù)蓋板、傳感器上下保護(hù)蓋板，所述連接系統(tǒng)包括連接鎖頭和柔性鋼絲繩。
[0027]所述電阻應(yīng)變片分別以所述彈性體的四個側(cè)面的幾何中心為基準(zhǔn)粘貼在其表面，所述電阻應(yīng)變片的外表面均勻涂抹一層防護(hù)膠；
[0028]所述的彈性體為截面為正方形的長柱體，其兩端面分別開有彈性體卡槽，所述傳感器前后保護(hù)蓋板和傳感器上下保護(hù)蓋板通過其兩端的保護(hù)蓋板卡口夾緊在所述彈性體兩端對應(yīng)的彈性體卡槽內(nèi)；
[0029]所述傳感器上下保護(hù)蓋板中心各開有一孔，作為傳感器導(dǎo)線的走線孔；
[0030]所述彈性體的兩端各有一段彈性體連接螺柱，分別與兩個連接鎖頭的鎖頭螺紋孔連接，所述連接鎖頭另一端的鎖頭圓孔連接并壓緊所述柔性鋼絲繩。
[0031]所述的彈性體材料為3J40彈性合金。[0032]所述電阻應(yīng)變片采用502膠水粘貼在彈性體的四個側(cè)面，所述電阻應(yīng)變片外表面涂抹的防護(hù)膠為硅膠。
[0033]所述的傳感器前后保護(hù)蓋板和傳感器上下保護(hù)蓋板材料為65Mn或60Si2MnA彈簧鋼。
[0034]所述的傳感器前后保護(hù)蓋板和傳感器上下保護(hù)蓋板厚度均為I?2mm。
[0035]本發(fā)明的微型拉力傳感器，大量程、高精度、小尺寸、輕質(zhì)量，該微型拉力傳感器可用于航空、航天等領(lǐng)域精密儀器在復(fù)雜環(huán)境下拉力信號的測量。
[0036]本發(fā)明的原理是:
[0037]如圖la、Ib所示，彈性體是截面為正方形的柱體，材料為3J40彈性合金，該材料具有強(qiáng)度高、彈性極限高、彈性模量溫度系數(shù)小且穩(wěn)定、彈性滯量小等優(yōu)點，可以實現(xiàn)傳感器彈性體在較小的幾何尺寸下實現(xiàn)較大拉力的測量，且量程范圍大、非線性誤差小。在常溫環(huán)境下用502膠將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體柱體應(yīng)變量最大的四個側(cè)面幾何中心，以盡量彌補(bǔ)傳感器輸出電信號小的不足，待貼片的502膠自然凝固后沿彈性體周向均勻涂抹一層完全覆蓋電阻應(yīng)變片的硅膠保護(hù)層，涂抹過程中力求硅膠保護(hù)層盡量均勻，以降低硅膠層對彈性體應(yīng)變梯度的影響。傳感器前后保護(hù)蓋板和傳感器上下保護(hù)蓋板依靠兩端銼圓的保護(hù)蓋板卡口及自身的微量變形卡緊在彈性體兩端面的彈性體卡槽內(nèi)。四塊卡緊后的傳感器保護(hù)蓋板形成一個密閉腔體，對傳感器進(jìn)行物理保護(hù)。其中，傳感器上下保護(hù)蓋板中心各開有一孔，作為傳感器導(dǎo)線的走線孔。彈性體兩端各有一段彈性體連接螺柱分別與連接系統(tǒng)的兩個連接鎖頭的鎖頭螺紋孔連接，作為傳感器測量系統(tǒng)和連接系統(tǒng)的接口。連接鎖頭另一端的鎖頭圓孔用來卡緊柔性鋼絲繩，作為傳感器連接系統(tǒng)與外部環(huán)境的接口，柔性鋼絲繩可很好的實現(xiàn)傳感器與測量環(huán)境的柔性連接。
[0038]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0039]本發(fā)明所述傳感器彈性體采用3J40彈性合金材料，克服了現(xiàn)有拉力傳感器彈性體所用材料彈性極限小引起的傳感器量程小、非線性誤差大等缺點；同時采用3J40彈性合金材料在相同條件下可顯著減小拉力傳感器的尺寸和質(zhì)量。本發(fā)明所述傳感器連接系統(tǒng)采用柔性鋼絲繩作為與外界環(huán)境的接口，增加傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力，使傳感器可在磁懸浮飛輪鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊力控制等特殊應(yīng)用場合下應(yīng)用。
[0040]具體實施例:
[0041]如圖la、lb所示，該拉力傳感器主要由測量系統(tǒng)和連接系統(tǒng)組成，測量系統(tǒng)包括彈性體I，電阻應(yīng)變片2，防護(hù)膠3，傳感器前后保護(hù)蓋板4A和傳感器上下保護(hù)蓋板4B ;連接系統(tǒng)包括連接鎖頭5和柔性鋼絲繩6。彈性體I是截面為正方形的柱體，其四個側(cè)面用來粘貼電阻應(yīng)變片2，兩側(cè)面分別開有四個彈性體卡槽9，用來夾緊固定傳感器前后保護(hù)蓋板4A和傳感器上下保護(hù)蓋板4B，彈性體I兩端各有一段彈性體連接螺柱10用來同連接系統(tǒng)連接。電阻應(yīng)變片2通過502膠分別粘貼在彈性體I四個側(cè)面的幾何中心上。貼片完成并待膠自然凝固后，采用硅膠作為防護(hù)膠3，沿電阻應(yīng)變片2均勻涂抹在彈性體I四個側(cè)面的表面，硅膠保護(hù)層厚度力求均勻且保證傳感器正常裝配后硅膠保護(hù)層不會觸及傳感器前后保護(hù)蓋板4A和傳感器上下保護(hù)蓋板4B。傳感器前后保護(hù)蓋板4A和傳感器上下保護(hù)蓋板4B兩端的保護(hù)蓋板卡口 7用銼刀銼圓后，卡緊在彈性體I兩端面的彈性體卡槽9內(nèi)，裝配后保證四塊傳感器保護(hù)蓋板形成一個密閉腔體，防止外部環(huán)境對傳感器的機(jī)械損傷，對傳感器進(jìn)行物理保護(hù)。傳感器導(dǎo)線則通過傳感器上下保護(hù)蓋板4B中心的走線孔8引出。彈性體I兩端的彈性體連接螺柱10分別與連接系統(tǒng)兩個連接鎖頭5的鎖頭螺紋孔12連接，依靠螺紋連接實現(xiàn)傳感器測量系統(tǒng)與連接系統(tǒng)的能量交換。連接鎖頭5另一端的鎖頭圓孔11連接柔性鋼絲繩6，用卡鉗壓緊鎖頭圓孔11后通過柔性鋼絲繩6實現(xiàn)傳感器與外界環(huán)境的柔性連接。
[0042]圖2a為本發(fā)明中彈性體I的三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b為本發(fā)明中彈性體I的主視圖，圖2c為本發(fā)明中彈性體I的左視圖。其材料為3J40彈性合金，兩端各有一段彈性體連接螺柱10用來和連接鎖頭5的鎖頭螺紋孔12形成螺紋連接。彈性體I兩端面分別開有四條彈性體卡槽9用以卡緊傳感器前后保護(hù)蓋板4A和傳感器上下保護(hù)蓋板4B。
[0043]圖3a為本發(fā)明中傳感器前后保護(hù)蓋板4A的俯視三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖3b為本發(fā)明中傳感器前后保護(hù)蓋板4A仰視三維結(jié)構(gòu)示意圖，其材料為65Mn或60Si2MnA彈簧鋼。安裝過程中用銼刀將傳感器前后保護(hù)蓋板4A兩端的保護(hù)蓋板卡口 7銼圓后卡緊在彈性體I端面的彈性體卡槽9內(nèi)，最終依靠傳感器前后保護(hù)蓋板4A自身微量變形維持保護(hù)蓋板卡口 7與彈性體卡槽9間的預(yù)緊。
[0044]圖4a為本發(fā)明中傳感器上下保護(hù)蓋板4B的俯視三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖4b為本發(fā)明中傳感器上下保護(hù)蓋板4B的仰視三維結(jié)構(gòu)示意圖。其材料為65Mn或60Si2MnA彈簧鋼，中心開有走線孔8，與傳感器前后保護(hù)蓋板4A配合形成一個密閉腔體對傳感器進(jìn)行物理保護(hù)。安裝過程中用銼刀將傳感器上下保護(hù)蓋板4B兩端的保護(hù)蓋板卡口 7銼圓后，卡緊在彈性體I端面的彈性體卡槽9內(nèi)，最終依靠傳感器上下保護(hù)蓋板4B自身微量變形維持保護(hù)蓋板卡口 7與彈性體卡槽9間的預(yù)緊。
[0045]圖5為本發(fā)明中連接鎖頭5的半剖三維結(jié)構(gòu)示意圖，其材料為普通碳鋼或合金鋼，兩端的鎖頭螺紋孔12和鎖頭圓孔11分別與彈性體I的彈性體連接螺柱10和柔性鋼絲繩6連接，將測量環(huán)境的拉力信號傳遞給彈性體I，實現(xiàn)測量環(huán)境到彈性元件間能量的傳遞。
[0046]總之，本發(fā)明所述的微型拉力傳感器能夠滿足精密儀器、航空航天等特殊領(lǐng)域、特殊環(huán)境下拉力信號的精確測量。本發(fā)明所述傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、量程大、非線性誤差小等優(yōu)點。
[0047]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種微型拉力傳感器，包括測量系統(tǒng)和連接系統(tǒng)，其特征在于，所述測量系統(tǒng)包括彈性體、電阻應(yīng)變片、防護(hù)膠、傳感器前后保護(hù)蓋板、傳感器上下保護(hù)蓋板，所述連接系統(tǒng)包括連接鎖頭和柔性鋼絲繩。 所述電阻應(yīng)變片分別以所述彈性體的四個側(cè)面的幾何中心為基準(zhǔn)粘貼在其表面，所述電阻應(yīng)變片的外表面均勻涂抹一層防護(hù)膠； 所述的彈性體為截面為正方形的長柱體，其兩端面分別開有彈性體卡槽，所述傳感器前后保護(hù)蓋板和傳感器上下保護(hù)蓋板通過其兩端的保護(hù)蓋板卡口夾緊在所述彈性體兩端對應(yīng)的彈性體卡槽內(nèi)； 所述傳感器上下保護(hù)蓋板中心各開有一孔，作為傳感器導(dǎo)線的走線孔； 所述彈性體的兩端各有一段彈性體連接螺柱，分別與兩個連接鎖頭的鎖頭螺紋孔連接，所述連接鎖頭另一端的鎖頭圓孔連接并壓緊所述柔性鋼絲繩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型拉力傳感器，其特征在于，所述的彈性體材料為3J40彈性合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型拉力傳感器，其特征在于，所述電阻應(yīng)變片采用502膠水粘貼在彈性體的四個側(cè)面，所述電阻應(yīng)變片外表面涂抹的防護(hù)膠為硅膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型拉力傳感器，其特征在于，所述的傳感器前后蓋板和傳感器上下蓋板材料為65Mn或60Si2MnA彈簧鋼。
【文檔編號】G01L1/22GK103528725SQ201310518098
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】劉強(qiáng), 徐寶東, 房建成, 張義, 葉郭波 申請人:北京石油化工學(xué)院