一種應(yīng)變式三向壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種應(yīng)變式三向壓力傳感器，包括底座、固定在底座上的彈性敏感元件以及固定在彈性敏感元件上部的壓蓋；所述彈性敏感元件包括外圈圓環(huán)、位于外圈圓環(huán)中心的中心圓柱以及固定在外圈圓環(huán)和中心圓柱之間的上十字梁組和下十字梁組；所述上十字梁組和下十字梁組上下平行且均包括四根十字梁，四根十字梁均勻分布在外圈圓環(huán)和中心圓柱之間；所述上十字梁組和下十字梁組的各個十字梁上均粘貼有應(yīng)變片，所述應(yīng)變片的電阻作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器通過在外圈圓環(huán)及中心圓柱之間設(shè)置上十字梁組和下十字梁組，從設(shè)計上消除了向間耦合的問題。
【專利說明】
一種應(yīng)變式三向壓力傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)變式三向壓力傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]應(yīng)變式壓力傳感器作為傳感器家族的重要成員，因其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定和使用方便，使其得到廣泛應(yīng)用。三向應(yīng)變式壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片和彈性敏感元件組合起來能夠?qū)崿F(xiàn)對空間相互正交的三個方向的壓力進行測量的一類傳感器，其基本原理是:將應(yīng)變片粘貼在彈性敏感元件表面特定位置上，當彈性敏感元件受到外作用力作用時，彈性敏感元件將產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)變，電阻應(yīng)變片將應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，通過電橋電路把電阻變化轉(zhuǎn)化成電壓變化輸出電壓信號，從而實現(xiàn)對外作用力的測量。
[0003]現(xiàn)有應(yīng)變式多向力傳感器主要有三類:一類是雙孔懸臂梁組合結(jié)構(gòu)式力傳感器， 通過不同方位的雙孔懸臂梁感應(yīng)不同方向的作用力從而實現(xiàn)對多向力的測量，此類傳感器主要存在加工、貼片困難，且存在一定的向間耦合問題。所謂向間耦合是指在沒有受到力的方向上也有輸出，向間耦合是制約應(yīng)變式多向力傳感器多向力測量能力和工藝性的關(guān)鍵因素。一類是柱式多向力傳感器，采用在柱形表面布置多個位置和方位的應(yīng)變片，并通過求解輸入與輸出的轉(zhuǎn)換矩陣，實現(xiàn)對多向力的測量，這類傳感器轉(zhuǎn)換矩陣求解工作量大，且貼片復(fù)雜。另一類是十字梁式多向力傳感器，通在各梁的表面粘貼應(yīng)變片，同樣通過求解輸入與輸出轉(zhuǎn)換矩陣實現(xiàn)對多向力的測量，且這種十字梁式多向力傳感器向間耦合問題較為嚴重?！緦嵱眯滦蛢?nèi)容】
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點和不足，本實用新型提供了一種應(yīng)變式三向壓力傳感器。
[0005]本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種應(yīng)變式三向壓力傳感器，包括底座、 固定在底座上的彈性敏感元件以及固定在彈性敏感元件上部的壓蓋;所述彈性敏感元件包括外圈圓環(huán)、位于外圈圓環(huán)中心的中心圓柱以及固定在外圈圓環(huán)和中心圓柱之間的上十字梁組和下十字梁組;所述上十字梁組和下十字梁組上下平行且均包括四根十字梁，四根十字梁均勻分布在外圈圓環(huán)和中心圓柱之間;所述上十字梁組和下十字梁組的各個十字梁上均粘貼有應(yīng)變片，所述應(yīng)變片的電阻作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。
[0006]進一步地，所述上十字梁組和下十字梁組相互交錯呈45度夾角。
[0007]進一步地，所述上十字梁組的十字梁的上表面為平面，其下表面為凹弧狀，所述上十字梁組的十字梁的上表面粘貼有應(yīng)變片。
[0008]進一步地，所述下十字梁組的十字梁的下表面為平面，其上表面為凹弧狀，所述下十字梁組的十字梁的下表面粘貼有應(yīng)變片。
[0009]進一步地，所述彈性敏感元件通過第一螺釘固定在底座上。
[0010]進一步地，所述壓蓋通過第二螺釘固定在彈性敏感元件的上部。
[0011]進一步地，所述上十字梁組位置相對的兩個十字梁上的應(yīng)變片的電阻，作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。
[0012]進一步地，所述下十字梁組的相鄰兩個十字梁上的應(yīng)變片的電阻兩兩串聯(lián)，并作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。
[0013]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器通過在外圈圓環(huán)及中心圓柱之間設(shè)置上十字梁組和下十字梁組，從設(shè)計上消除了向間耦合的問題;本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器還可通過加工不同的上十字梁組和下十字梁組的十字梁，實現(xiàn)不同的量程以及軸向與水平測量不同的量程差。本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器具有貼片容易，貼片數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便等特點。
[0014]為了更好地理解和實施，下面結(jié)合附圖詳細說明本實用新型?！靖綀D說明】
[0015]圖1是本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器的立體圖。
[0016]圖2是本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器的爆炸示意圖。[〇〇17]圖3是下十字梁組的結(jié)構(gòu)示意圖。[0〇18]圖4是半橋形式的電橋電路不意圖。
[0019]圖5是串聯(lián)的半橋形式的電橋電路示意圖?！揪唧w實施方式】
[0020]請參閱圖1-圖5。圖1是本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器的立體圖。圖2是本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器的爆炸示意圖。圖3是下十字梁組的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是半橋形式的電橋電路示意圖。圖5是串聯(lián)的半橋形式的電橋電路示意圖。[0021 ]本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器，包括底座13、固定在底座1上的彈性敏感元件2以及固定在彈性敏感元件2上部的壓蓋3;彈性敏感元件2包括外圈圓環(huán)21、位于外圈圓環(huán)21中心的中心圓柱22以及固定在外圈圓環(huán)21和中心圓柱22之間的上十字梁組23和下十字梁組24;上十字梁組23和下十字梁組24上下平行且均包括四根十字梁，四根十字梁均勻分布在外圈圓環(huán)21和中心圓柱22之間；上十字梁組23和下十字梁組24的各個十字梁上均粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片的電阻作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。[〇〇22] 上十字梁組23和下十字梁組24相互交錯呈45度夾角。上十字梁組23由231、232、 233、234四根十字梁組成，上十字梁組23的十字梁的上表面為平面，其下表面為凹弧狀，這樣十字梁的凹弧狀一側(cè)位于彈性敏感元件2的內(nèi)側(cè)，在上十字梁組23的十字梁的上表面粘貼應(yīng)變片。上十字梁組23用來測量水平測量方向的作用力，水平測量方向是指與傳感器頂端受力面相切且與傳感器中心軸相垂直的兩個相互正交的受力方向，更直觀地可以將水平測量方向定義為分別沿上十字梁組23的正交的兩根十字梁的梁長方向。當彈性敏感元件2 受到沿水平測量方向的某一作用力時，受結(jié)構(gòu)對稱的影響，中心圓柱22兩側(cè)位置相對的兩根十字梁變形情況相反，一根受拉，另一根受壓，即位置相對的兩根十字梁離中心圓柱22距離相等的點上的應(yīng)變值的絕對值相同，且符號相反;而與此作用力方向垂直的兩根十字梁受到彎曲的作用力，這兩根十字梁產(chǎn)生的變形一致。如圖2所示，當彈性敏感元件2受X正向作用力時，十字梁234受壓，十字梁232受拉，十字梁233和十字梁231受彎曲且變形情況一致。
[0023]上十字梁組23位置相對的兩個十字梁上的應(yīng)變片的電阻，作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。如圖4所示，R1和R2分別為應(yīng)變片al和應(yīng)變片a3的電阻，應(yīng)變片al與應(yīng)變片a3的電阻作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。同理，應(yīng)變片a2與應(yīng)變片a4對應(yīng)的電阻作為另一個半橋形式的電橋電路的接入被測量。[〇〇24]下十字梁組24的十字梁的下表面為平面，其上表面為凹弧狀，下十字梁組24的十字梁的下表面粘貼有應(yīng)變片。下十字梁組24用來測量沿彈性敏感元件2的中心軸方向的作用力，當彈性敏感元件2受沿軸向的作用力時，所有十字梁受彎曲作用，其中上十字梁組23 的四根十字梁產(chǎn)生的變形一致，下十字梁組24的四根十字梁產(chǎn)生的變形也一致。受沿軸向的作用力時，下十字梁組24的四根十字梁上的應(yīng)變片沿中心軸方向產(chǎn)生局部應(yīng)變，部分為正應(yīng)變，部分為負應(yīng)變，考慮到水平測量方向受力時，下十字梁組24的四根十字梁也會產(chǎn)生一定的應(yīng)變，且應(yīng)變片遠離中心圓柱22的應(yīng)變值的絕對值小于靠近中心圓柱的應(yīng)變值的絕對值，因此，為減少水平測量方向受力對軸向測量的影響，下十字梁組24的十字梁的下表面沿十字梁的長度方向靠進下表面外側(cè)且遠離中心圓柱22的位置，每個十字梁只粘貼一個應(yīng)變片。[〇〇25]下十字梁組24的相鄰兩個十字梁上的應(yīng)變片的電阻兩兩串聯(lián)，并作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。應(yīng)變片bl和應(yīng)變片b2串聯(lián)、應(yīng)變片b3和應(yīng)變片b4串聯(lián)，串聯(lián)后作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。如圖5所示，R1和R2分別作為應(yīng)變片bl和應(yīng)變片b2的電阻，R3和R4分別作為應(yīng)變片b3和應(yīng)變片b4的電阻，串聯(lián)后的R1和R2、R3和R4分別作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。
[0026]利用結(jié)構(gòu)的對稱性和惠斯通電橋的特定的組橋方式，當受沿Z向(軸向)作用力的作用時，上十字梁組23的&1、&2、&3、&4四個應(yīng)變片的電阻變化相同，于是，測量乂向和￥向(水平測量方向)的電橋電路無信號輸出；當X向受作用力時，位于Y向上的al和a3兩個應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變大小相同，則，al和a3作為接入被測量的電橋電路沒有信號輸出。受上十字梁組23 和下十字梁組24上下交錯布置的影響，當水平測量方向受力時，下十字梁組24的四個應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變值小上十字梁組23的應(yīng)變片的應(yīng)變值兩個量級，因此，當X向或Y向滿載時，測量Z向的電橋電路輸出信號變化非常小。可以將Z向輸出信號變化量小于某個值置零的辦法，對測量Z向的電橋電路進行校核，可實現(xiàn)水平測量方向受力時，測量Z向電橋電路無信號輸出，從而解決了向間耦合的問題。[〇〇27]彈性敏感元件2通過多個第一螺釘4固定在底座1上。底座1中心采用一緊定螺釘6， 通過調(diào)整緊定螺釘6的底部與中心圓柱22下表面的距離，實現(xiàn)對軸向測量的過載保護，并能夠?qū)崿F(xiàn)量程調(diào)節(jié)。壓蓋3通過多個第二螺釘5固定在彈性敏感元件2的上部。第一螺釘4和第二螺釘5的規(guī)格不同，第一螺釘4的直徑大于第二螺釘5。壓蓋3用來防止水平測量方向過載， 起到過載保護的作用，可以在壓蓋3上刻圖文來指示標準加載方向。壓蓋3中心有一比中心圓柱22直徑稍大的圓孔，當彈性敏感元件2受水平方向作用力過載時，中心圓柱22與壓蓋3 相接觸，從而實現(xiàn)對彈性敏感元件2在水平方向測量時的過載保護。[〇〇28] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器通過在外圈圓環(huán)及中心圓柱之間設(shè)置上十字梁組和下十字梁組，從設(shè)計上消除了向間耦合的問題;本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器還可通過加工不同的上十字梁組和下十字梁組的十字梁，實現(xiàn)不同的量程以及軸向與水平測量不同的量程差。本實用新型的應(yīng)變式三向壓力傳感器具有貼片容易，貼片數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便等特點。
[0029]本實用新型并不局限于上述實施方式，如果對本實用新型的各種改動或變形不脫離本實用新型的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本實用新型的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本實用新型也意圖包含這些改動和變形。
【主權(quán)項】
1.一種應(yīng)變式三向壓力傳感器，其特征在于:包括底座、固定在底座上的彈性敏感元件 以及固定在彈性敏感元件上部的壓蓋;所述彈性敏感元件包括外圈圓環(huán)、位于外圈圓環(huán)中 心的中心圓柱以及固定在外圈圓環(huán)和中心圓柱之間的上十字梁組和下十字梁組;所述上十 字梁組和下十字梁組上下平行且均包括四根十字梁，四根十字梁均勻分布在外圈圓環(huán)和中 心圓柱之間；所述上十字梁組和下十字梁組的各個十字梁上均粘貼有應(yīng)變片，所述應(yīng)變片 的電阻作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變式三向壓力傳感器，其特征在于:所述上十字梁組和下十 字梁組相互交錯呈45度夾角。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變式三向壓力傳感器，其特征在于:所述上十字梁組的十字 梁的上表面為平面，其下表面為凹弧狀，所述上十字梁組的十字梁的上表面粘貼有應(yīng)變片。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變式三向壓力傳感器，其特征在于:所述下十字梁組的十字 梁的下表面為平面，其上表面為凹弧狀，所述下十字梁組的十字梁的下表面粘貼有應(yīng)變片。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變式三向壓力傳感器，其特征在于:所述彈性敏感元件通過 第一螺釘固定在底座上。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變式三向壓力傳感器，其特征在于:所述壓蓋通過第二螺釘 固定在彈性敏感元件的上部。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變式三向壓力傳感器，其特征在于:所述上十字梁組位置相 對的兩個十字梁上的應(yīng)變片的電阻，作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變式三向壓力傳感器，其特征在于:所述下十字梁組的相鄰 兩個十字梁上的應(yīng)變片的電阻兩兩串聯(lián)，并作為半橋形式的電橋電路的接入被測量。
【文檔編號】G01L1/22GK205593682SQ201620387099
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】李湘勤, 吳偉輝
【申請人】韶關(guān)學(xué)院