CN102004010B - 测力传感器以及包括该传感器的称重装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测力传感器以及包括该传感器的称重装置，其中传感器包括：弹性体，包含第一受力部、第二受力部和应变部；第一电极，与所述弹性体的第一受力部相对固定；以及第二电极，与所述弹性体的第二受力相对固定，并与所述第一电极相对设置以构成电容器。该测力传感器结构简单、成本低廉和性能稳定；另外，还可以解决空气湿度和成份变化对电容式测力传感器测量精度的影响。

Description

测力传感器以及包括该传感器的称重装置

技术领域

本发明涉及一种电容式测力传感器，以及包括该传感器的称重装置。

背景技术

测力传感器是一种力-电转换器件，广泛应用于工、农业生产以及人们日常生活中，进行称重、测量受力等。

为此，人们发明了各种各样的测力传感器。现有的测力传感器绝大多数是采用电阻式应变计进行测量。

电阻式应变计传感器及测量电路的功耗都比较大，如果使用电池供电的话需要频繁更换电池。而且，电阻式应变计的初始零点值随温度变化而变化，对于不间断测量的情况会带来误差。

电容式称重传感器功耗非常低，甚至可以使用太阳能电池供电。如图1所示，是一种传统的电容式称重传感器，包含弹性体20，第一电极22，第二电极24，绝缘支架26。其中，弹性体包含第一受力部30，第二受力部32，应变部34。当第一受力部如箭头A方向受力，第二受力就会如箭头B方向产生反作用力，同时应变部产生形变，而使第一电极与第二电极间距离变小，最终实现第一电极与第二电极间电容值的变化。但是，传统的电容式称重传感器加工和装配复杂，而且需要另外增加金属罩来进行电磁屏蔽，这样使得成本比较高。传感器本身的厚度加上屏蔽罩使得电子秤会很厚和很笨重。还有，两个电极之间的空间是与环境空气相连通的，很容易受到环境空气湿度变化而影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种结构简单、成本低廉和性能稳定的电容式测力传感器；另外，还可以解决空气湿度和成份变化对电容式测力传感器精度的影响。为了实现这一目的，本发明所采取的技术方案如下。

按照本发明实施例的第一方面，提供一种测力传感器，包括：弹性体，包含第一受力部、第二受力部和应变部，其中应变部的两侧分别与第一受力部和第二受力部相接，第一受力部和第二受力部用于承受作用力和反作用力，应变部产生相应形变；第一电极，与所述弹性体的第一受力部相对固定；以及第二电极，与所述弹性体的第二受力相对固定，并与所述第一电极相对设置以构成电容器。

在一个实施例中，所述弹性体的第一受力部、第二受力部和应变部是由同一块金属构成；并且第二受力部把应变部和第一受力部包围。

在另一个实施例中，所述弹性体呈碗状或盘状，中部为所述第一受力部，四周部为所述第二受力部，所述第一受力部与所述第二受力部之间的部分为所述应变部。

在又一个实施例中，所述测力传感器还包括气囊，与第一电极和第二电极间的空间连通，并且连通的空间构成密闭空间；所述气囊具有冗余空间。

在再一个实施例中，在所述第二电极上设置有通孔，所述气囊接在所述通孔上，并与所述第一电极相对处于所述第二电极的另一侧。

在一个实施例中，所述第二电极为PCB板上的覆铜；该PCB板固定在第二受力部上。

在一个实施例中，还包括第三电极，与所述弹性体的第二受力部相对固定，并与所述第一电极相对设置以构成另一电容器，且与第一电极和第二电极构成的电容器串联连接。

在另一个实施例中，所述第一电极与所述第一受力部是由同一块金属构成。

在一个实施例中，所述应变部具有多个同心的环状凹凸。

按照本发明实施例的第二方面，提供一种称重装置，包括按照本发明实施例第一方面的测力传感器。

其中通过数值计算或者多点校机对所述传感器或所述称重装置进行定标。

下面将结合附图并通过具体的实施例对本发明进行进一步说明。

附图说明

图1是按照本现有技术的电容式测力传感器的剖视图；

图2是按照本发明另一个实施例的测力传感器的剖视图

图3是按照本发明另一个实施例的测力传感器的剖视图；

图4是按照本发明再一个实施例的测力传感器的剖视图；

图5是按照本发明又一个实施例的测力传感器的剖视图；

图6是按照本发明又一个实施例的第二电极与第三电极的布置示意图；

图7是按照本发明又一个实施例的由第一电极、第二电极和第三电极构成的两个电容器的连接示意图；

图8是按照本发明一个实施例的测力传感器的结构分解图；

图9是按照本发明另一个实施例的测力传感器的剖视图；

图10是按照本发明又一个实施例的测力传感器的剖视图；

图11是按照本发明一个实施例的测力传感器的弹性体的剖视图；

图12是按照本发明一个实施例的包括测力传感器的称重装置的示意图；

图13是按照本发明一个实施例的测力传感器弹性体受力方向示意图。

图14是按照本发明一个实施例的多点定标的示意图。

具体实施方式

如图2所示，是按照一个实施例的测力传感器，包括：弹性体100，第一电极102，第二电极104。其中弹性体100进一步包含第一受力部120、第二受力部122和应变部124，其中应变部124的两侧分别与第一受力部120和第二受力部122相接，第一受力部120和第二受力部122用于承受作用力和反作用力，应变部124在力的作用下产生相应形变。

第一电极102与弹性体100的第一受力部120相对固定，例如直接附加在第一受力部120上；第二电极104与第一电极102相对设置，并且中间具有间隙，以构成电容器。第二电极104与第二受力部122上相对固定，例如直接与第二受力部122相接，如图2所示。其中弹性体100可以是绝缘体(例如由塑料或尼龙制成)，也可以是导体(例如由金属制成)。在弹性体100是导体的情况下，第一电极102和第二电极104中的至少一个与弹性体100以电隔离方式相对固定，例如，其中第一电极102通过绝缘垫片107固定在第一受力部120上，如图2所示。

其中弹性体100的第一受力部120和第二受力部122受到方向相反的作用力和反作用力后，第一受力部120带动第一电极102向(或背离)第二电极104移动，从而使得第一电极102和第二电极104所构成的电容器的电容量发生变化。根据该电容量的变化，可以测量受力的大小。

在另一个实施例中，如图3所示，还包括垫片106(例如绝缘材料制成的垫片)，第二电极104通过该绝缘垫片106与第二受力部122相对固定。

在另一个实施例中，如图4所示，第一电极102通过绝缘垫片107固定在第一受力部120上；第二电极104通过绝缘垫片106固定在第二受力部122上。弹性体与电源的地连接，这样可以进一步提高传感器的抗干扰性。

在又一个实施例中，第二电极104为PCB板上的覆铜，PCB板固定在第二受力部上。另外，还可以将弹性体100的周缘设置成包裹住第二电极104的四周，如图5所示。

在一个实施例中，除了所述的第二电极104，还包括有第三电极112，第三电极112也与所述第一电极102相对设置以构成另一电容器。例如，在PCB板上，并行设置两个电极，即第二电极104和第三电极112，如图6a和b所示。其中第二电极104和第三电极112的相对位置可以有多种，例如包括但不限于对称设置(如图6a所示)以及交叉设置(如图6b所示)。在使用时，将第三电极112和第一电极102构成的电容器与第一电极102和第二电极104构成的电容器串联连接，第二电极104与第三电极112构成串联的两个电容器的两端，如图7所示。当弹性体100受力发生形变时，第二电极104与第三电极112分别与第一电极102构成的两个电容量均发生同方向的变化(即同时增大或同时减小)。通过测量第二电极102与第三电极112之间的电容量变化来测定作用力的大小。

第一电极102与第二电极104之间的空间可以与周围大气连通，但是也可以将其设置成密封空间。

在一个实施例中，如图8和图9所示，测力传感器还包括气囊108，与第一电极102和第二电极104间的空间连通，并且连通的空间构成密闭空间。

在另一个实施例中，在第二电极104上设置有通孔110，气囊108接在通孔110上，并且气囊108与第一电极102相对，处于第二电极104的另一侧，如图8和图9所示。其中气囊108具有足够大的冗余空间，例如通过气囊108上的褶皱等，使得无论是弹性体100受压(或受拉)或者环境温度或大气压发生变化，气囊都可以自动调节容积的大小，始终使密闭空间的气压与外部环境大气压保持相同，并且气囊108的表面不出现张力。另外，通孔110可以设置在第二电极104上的任何地方，也可以设置在弹性体上任何一个位置。

在另一个实施例中，第一电极102为附加在弹性体100一侧的电极板，例如金属平板。在这种情况下，第一电极102和第二电极104可构成平行板电容器。

在再一个实施例中，第一电极102为涂覆在弹性体100一侧的膜。例如，通过电镀、涂层等，在弹性体100的一侧设置一层导体膜或金属膜，作为第一电极102。或者，还可选的是，第一电极102与第一受力部120是一体，由同一块金属构成，第一受力部120自身就是第一电极102。在这种情况下，第一受力部120和第二电极104可构成平行板电容器，如图10所示。

在又一个实施例中，弹性体100呈碗状或盘状，中部凸起为第一受力部120，四周部为第二受力部122，第一受力部120与第二受力部122之间的部分为应变部124。应变部124设置有多个同心的环状凹凸114，以此来增加弹性，如图11所示。

在另一个实施例中，第一电极102和第二电极104和第三电极112均与弹性体100绝缘，弹性体100与地线连接，起到电磁和静电屏蔽作用。

在一个实施例中，称重装置包括按照上述实施例的测力传感器。在使用时，如图12所示，弹性体100四周的第二受力部122固定在称重装置的秤体116上，弹性体100中部的第一受力部120接受被称物品或者是从地面传递过来的作用力，从而使弹性体100的应变部124发生形变，第一电极102和第二电极104之间的距离发生变化。其中第一受力部120可以承受压力，也可以承受拉力，如图13a和13b所示。

另外，上述称重装置还包括转换单元、运算处理单元、以及显示单元等，其中转换单元将第一电极102和第二电极104构成的电容器的电容量的变化转换为弹性体100受力的大小，其他电路单元对于本领域普通技术人员来说是容易实现的，在此不做详述。

在对测力传感器或者使用该传感器的称重装置进行定标时，可以通过数值计算来进行。例如，对于第一电极102和第二电极104构成平行板电容器的情形，通过将受力的大小与第一电极102和第二电极104间的距离变化相对应，以及通过将该距离变化与电容量变化相对应，从而确定电容量的变化与受力的大小之间的关系。

对于第一电极102和第二电极104不构成平行板电容器的情形，通过将第一电极102和第二电极104分别划分成彼此相对应的多个微元，每两个相对应的微元可以近似作为平行板电容器来处理，将所有微平行板电容器的处理结果相加，就可确定电容量的变化与受力的大小之间的关系。其中划分的微元的数量根据测量精度要求而定，精度要求越高，微元的数量越多。

另外，实际生产中，可以通过三点或多点校机来对测力传感器或者使用该传感器的称重装置进行定标，其中的点数根据精度要求而定，精度要求越高，点数越多。例如，把标准重量的50KG、100KG、150KG所对应的电容值通过A/D变换后存入贮存器，据此产生三段不同斜率，如图14所示，其中实线为实际曲线，虚线为校机曲线，横轴为压力(kg)，纵轴为电容量(F)。当重量在0-50KG范围时，采用第一段曲线斜率来计算；类似地，当重量在其他范围时，采用其他相应的斜率来计算。

以上通过具体实施例对本发明做了说明，但本发明并不限于这些实施例。在上述描述中，多处所述的“一个实施例”、“再一个实施例”、“另一个实施例”、“又一个实施例”中的结构可以实现在不同实施例中或者同一个实施例中，也可以将其中的若干个组合在一个实施例中来实施。另外，在本发明的说明书和权利要求书中所使用的一些术语，例如“第一”、“第二”等等，并不表示限制，而仅仅是为了便于描述。本领域普通技术人员应该明白，还可以对本发明做各种变换、修改或等同替换，但是只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测力传感器，用于称重装置，其特征在于，包括：

弹性体，包含第一受力部、第二受力部和应变部，其中应变部的两侧分别与第一受力部和第二受力部相接，第一受力部和第二受力部用于承受作用力和反作用力，应变部产生相应形变；

第一电极，与所述弹性体的第一受力部相对固定；以及

第二电极，与所述弹性体的第二受力部相对固定，并与所述第一电极相对设置以构成电容器，

其中，所述弹性体的所述第一受力部和所述第二受力部受到方向相反的作用力和反作用力后，所述第一受力部带动所述第一电极向所述第二电极移动或背离所述第二电极移动，从而使得所述第一电极和所述第二电极所构成的电容器的电容量发生变化，根据该电容量的变化，能够测量受力的大小。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述弹性体的第一受力部、第二受力部和应变部是由同一块金属构成；并且第二受力部把应变部和第一受力部包围。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于：所述弹性体呈碗状或盘状，中部为所述第一受力部，四周部为所述第二受力部，所述第一受力部与所述第二受力部之间的部分为所述应变部。

4.如权利要求1至3中任一项所述的传感器，其特征在于，还包括：

气囊，与第一电极和第二电极间的空间连通，并且连通的空间构成密闭空间；所述气囊具有冗余空间。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于：在所述第二电极上设置有通孔，所述气囊接在所述通孔上，并与所述第一电极相对处于所述第二电极的另一侧。

6.如权利要求1至3中任一项所述的传感器，其特征在于：所述第二电极为PCB板上的覆铜；该PCB板固定在第二受力部上。

7.如权利要求1至3中任一项所述的传感器，其特征在于，还包括：

第三电极，与所述弹性体的第二受力部相对固定，并与所述第一电极相对设置以构成另一电容器，且与第一电极和第二电极构成的电容器串联连接。

8.如权利要求1至3中任一项所述的传感器，其特征在于：所述应变部具有多个同心的环状凹凸。

9.一种称重装置，其特征在于：包括权利要求1至8任一项所述的传感器。

10.如权利要求9所述的称重装置，其特征在于：通过数值计算或者多点校机对所述传感器或所述称重装置进行定标。

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