CN100458388C - 二维小量程力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种二维小量程力传感器，属测力技术。其特征在于弹性体为两端较宽、中间狭长的哑铃型结构；弹性体由悬臂梁、与悬臂梁一端相连的加载端长方块、与悬臂梁另一端相连的固定端长方块组成，在悬臂梁上有两组结构对称并相互交叉的通槽，该通槽由“井”型孔和“口”型孔连通形成。应变片分别粘贴在悬臂梁上两个“井”型孔的两外侧表面，两组应变片与补偿片分别组成两个惠斯登全桥。本力传感器可在环境温度-10～40℃范围内准确测量小量程的二维接触力且动态特性较好。

Description

二维小量程力传感器
技术领域
本发明的二维小量程力传感器属力学测试技术，可用于摩擦实验机的摩擦磨损测试。
背景技术
在进行一些小量程摩擦磨损实验时，需要很高的测试精度，这样就需要研制一种能同时测量水平方向和垂直方向力的二维小量程力传感器。当周围环境温度的变化时，传感器还要求具有温度自补偿功能。为了满足动态测试的要求传感器的固有频率不能太低。
目前很多的用于摩擦试验的二维力传感器一种是组合式传感器，如文献“用于摩擦系数测试的二维力传感器”[史炎，内燃机车，2002，336(2)：41-43]，这种传感器结构复杂，安装不方便，且只适用于较大量程力的测量。
2004年中科院长春研究所在“微摩擦测试仪力传感器的研究”[黎海文，精密工程，2002年8月，第10卷第四期]中提出了一种新型硅微力传感器，把传感器弹性体设计成带有悬臂梁薄膜和应变片电阻的硅梁，该传感器的灵敏度为65V/N，分辨率为46μN，总精度为2.3％。这种传感器结构采用微机械工艺，加工较复杂，虽然测试的力比较小，但测量范围小，没有考虑温度对传感器的影响，传感器的精度不高。
在中国专利公开号200510094990.0的“二维小量程力传感器”和专利公开号200510023641.x的“二维微力测量传感器”，均采用弹性体悬臂结构，由于悬臂梁的刚度太小，其传感器的固有频率过低，动态特性较差，改传感器也没有考虑温度对测试结果的影响。
实验要求传感器本身随着外界环境温度在一定范围内变化，始终能保证精确的测试结果，同时还必需达到一定的动态测试特性。上述的传感器在传感器本身的精度和固有频率等方面都不能很好的满足实验的要求。
专利号为US6324918B的美国专利，它公开了一种性能优越的二维小量程传感器。解决了现有技术中的很多问题。但其量程为5N时，分辨率为5mN。即分辨率和精度有待提高。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种分辨率及精度高的二维小量程力传感器。
一种二维小量程力传感器，包括弹性体和应变片两部分，所述弹性体由悬臂梁、与悬臂梁一端相连的加载端长方块、与悬臂梁另一端相连的固定端长方块组成；贯穿悬臂梁上下表面有一通槽，该通槽由位于悬臂梁加载端的“井”型孔和接近固定端的“口”型孔连通形成，贯穿悬臂梁前后表面还有另一个通槽，该通槽由位于悬臂梁固定端的“井”型孔和接近加载端的“口”型孔连通形成，两组通槽结构对称并相互交叉；在悬臂梁加载端的“井”型孔前后薄壁外表面分别沿中心线对称的各贴两片应变片，悬臂梁固定端的“井”型孔上下薄壁外表面分别沿中心线对称的各贴两片应变片，在固定端长方块前后表面分别贴有一组补偿片，每一组都包括弹性模量补偿片、零点温度补偿片和零点不平衡补偿片；一组补偿片和加载端的四片应变片组成一个用于测量水平方向力的惠斯登全桥；另一组补偿片和固定端的四片应变片组成一个用于测量垂直方向力的惠斯登全桥。
两个“井”型孔分别位于悬臂梁的两端，通过一些具体尺寸的优化设计，在加载端同时施加相同大小的水平力和垂直力时，两个“井”型孔表面均能产生较大的应变量。弹性采用平行梁结构比采用悬臂梁结构的固有频率明显要高。
该传感器能同时测量垂直方向和水平方向的力，两个方向均具有很高的精度，并且具有比较高的固有频率。
本发明的二维小量程传感器结构简单，弹性体整体刚度高，很好的结合传感的制造工艺。传感器的量程为0～5N，分辨率为2mN，单方向精度达到0.03％F.S(万分之三)，故有频率为1397.0Hz，温度补偿的范围是-10°～+40°，自重对传感器的影响很小，各项指标均满足本试验要求。
附图说明
图1.二维小量程力传感器结构主视图。
图2.二维小量程力传感器结构俯视图。
图3.惠斯登补偿电路。
图1的标号名称：1、2、3、4为测Y方向力应变片，5、6、7、8为测Z方向力应变片。
图2的标号名称：9、10、11为Y方向的补偿片，12、13、14为Z方向的补偿片。
图3的符号名称：Rx1-Rx4-应变片电阻；U——供电电压；Rm、Rt、Ro分别为弹性模量、零点温度、零点不平衡补偿片。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步描述：
本发明的小量程二维力传感器主要包括弹性体、应变片二个部分。弹性体材料为硬铝合金。弹性体结构是由两侧的长方体和悬臂梁组成的，利用应力集中原则，在悬臂梁上有两组结构对称并相互交叉的通槽，该通槽由“井”型孔和“口”型孔连通形成。如图1和图2示，弹性体右端的是固定端，在长方体下表面约束，左端是加载端，在长方体上表面加载。悬臂梁左端的“井”型孔前后表面分别沿中心线对称的各贴两片应变片1、4和2、3与位于右端长方体上的补偿片9、10、11一起组成惠斯登全桥。悬臂梁右端的“井”型孔上下表面分别沿中心线对称的各贴两片应变片5、8和6、7，与位于右端长方体上的补偿片12、13、14-起组成惠斯登全桥。在左端长方体上表面作用Y方向(水平方向)力时，通过悬臂梁左端的“井”型孔上的一组应变片1、2、3、4可以测出Y方向力的大小；在左端长方体上表面作用Z方向(垂直方向)力时，通过悬臂梁右端的“井”型孔上的一组应变片5、6、7、8可以测出Z方向力的大小。
对传感器进行了一系列补偿，如图3示在电源电路中对称接入一种电阻温度系数为正值的电阻Rm/2对弹性模量E进行补偿；Rt是一种电阻温度系数大且温度的材料，通过在桥路中接入一定阻值的Rt实现零点漂移的补偿；Ro是一种电阻温度系数极低的材料，通过在桥路中接入一定阻值的Ro实现零点不平衡的补偿。
二维小量程力传感器上的应变片的阻值变化变成电压变化的输出，采用图3所示的应变片桥式电路。电路中的Rx(Rx1-Rx4)为应变片电阻，应变片Rx的供电电压Ui由直流开关电源提供，Uo是输出端。

Claims (1)

1、一种二维小量程力传感器，包括弹性体和应变片两部分，且所述弹性体由悬臂梁、与悬臂梁一端相连的加载端长方块、与悬臂梁另一端相连的固定端长方块组成；贯穿悬臂梁上下表面有一通槽，该通槽由位于悬臂梁加载端的通孔I和接近固定端的通孔II连通形成；贯穿悬臂梁前后表面还有另一个通槽，该通槽由位于悬臂梁固定端的通孔III和接近加载端的通孔IV连通形成，两组通槽结构对称并相互交叉；在悬臂梁加载端的通孔I前后薄壁外表面分别沿中心线对称的各贴两片应变片，悬臂梁固定端的通孔III上下薄壁外表面分别沿中心线对称的各贴两片应变片；在固定端长方块前后表面分别贴有一组补偿片，每一组补偿片都包括弹性模量补偿片、零点温度补偿片、零点不平衡补偿片；加载端的四片应变片与一组补偿片组成用于测量水平方向力的惠斯登全桥；固定端的四片应变片与另一组补偿片组成用于测量垂直方向力的惠斯登全桥；其中上述通孔II和通孔IV为“口”型孔；其特征在于：上述通孔I和通孔III为“井”型孔。
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