CN102395857A - 位移传感器 - Google Patents

Abstract

公开了位移传感器，其基于当膜片经历位移时作用于该膜片上的力的力矩、测量根据装置的微小变形的多种装置的位移。该位移传感器包括感测本体和信号处理单元。该感测本体包括提供在其下表面的附连应变仪的膜片，和正交固定在其上表面的中心的输入杆，位移被传递到该输入杆。该信号处理单元基于该应变仪的输出值产生电信号，该应变仪的输出值对应于由该输入杆的力矩引起的该膜片的应变。

Description

位移传感器

技术领域

本发明涉及根据装置的微小变形测量多种装置的位移的位移传感器，并且更特别地，涉及基于当膜片(diaphragm)经历位移时作用于该膜片的力的力矩测量装置的位移的位移传感器。

背景技术

常规的位移传感器的示例在图7中图示。

该图示的常规的位移传感器300包括：安装到机械装置D1的本体310；采用一体式地从该本体310延伸的悬臂形式的输入杆320，该输入杆320的远端与该机械装置D1的部分区域D2接触以便根据该部分区域D2的位移经历位移；附连到该输入杆320的应变仪331；和当接收由该应变仪331测量的应变值时产生电信号的电路板332。

当该部分区域D2向上移动时，输入杆320向上弯曲从而经历位移。应变仪331和电路板332产生对应于输入杆320的位移的电信号。

在上文描述的常规的位移传感器300中，应变仪331附连到输入杆320来获得足够的灵敏度。另外，为了防止在特定的使用环境下由于杂质引起的污染，提供盖340来使应变仪331和电路板332维持在密封状态。

在这种情况下，为了使应变仪331维持在密封状态，将盖340的一部分附连到输入杆320是必须的。然而，这引起盖340连同输入杆一起经历位移，这对应变仪331的测量值有影响。

此外，由于输入杆320的频繁的变形，盖340可不经意从输入杆320分离。

图8是图示使用膜片的常规的载荷传感器的部分截面图，应变仪附连到该膜片。

常规的载荷传感器200包括感测本体210、提供在该感测本体210上的膜片211和提供在该感测本体210下方以通过其重量垂直按压该膜片211的输入杆212。

应变仪213附连到膜片211。该应变仪213包括一对第一和第二压电电阻元件R₁和R₂，其靠近膜片211的一侧边缘附连，和一对第三和第四压电电阻元件R₃和R₄，其靠近膜片211的相对侧边缘附连以便分别对应于该第一和第二压电电阻元件R₁和R₂。

凹口214在感测本体210的下表面凹进并且起增加膜片211的应变的作用。

假设输入杆212固定在要测量的目标装置的载荷出现位置或与其接触，输入杆212主要经受垂直力。除该垂直力之外，输入杆212典型地经受水平力、扭矩等，从而处于包括力矩、扭转等混杂载荷的影响下。

当尝试采用应变仪213检测由要测量的垂直力引起的膜片211的变形时，可同时检测由于包括力矩等混杂载荷引起的膜片211的变形。因此，消除混杂载荷以便仅测量垂直力是必须的。

因此，在常规的技术方案中，如在图9中示出的，使用由第一至第四压电电阻元件组成的惠斯通电桥电路。该惠斯通电桥电路配置使得可以测量由这些压电电阻元件在力矩互相抵消的影响下测量的应变和由垂直力引起的仅膜片的变形。

同时，在常规的载荷传感器用作位移传感器的情况下，膜片取向成正交于经历位移的机械装置的表面是必须的。这不利地导致传感器有限的安置位置。

特别地，如果位移传感器的可能的安置空间是有限的，例如，如果在测量车辆电子制动钳(electronic brake caliper)的位移的情况下难以获得使位移传感器正交附连到位移发生表面所需要的空间，位移传感器的使用可能不可能的。

关于传感器的设计，提供不仅具有高强度而且具有足够的应变以便在电路中稳定放大的传感器，这是重要的。然而，从各种角度来看足够的应变和高强度是相矛盾的特性，并且从而设计权衡是必须的。由于这个原因，当基于适应于直接接收力的载荷传感器的概念设计位移传感器时，该位移传感器可留下成问题的强度，其导致易损坏的传感器设计。因此，为了使位移能够稳定测量而不管最大工作载荷，设计位移传感器使得该位移传感器的作用局限于准确测量结构的特定区域的微小位移并且系统工作载荷分配给该结构，这是必须的。这是位移传感器设计的主要目的。这对于传感器安置空间的获得也是有利的，因为不必将传感器设置在力的传输路径上。因此，对于传感器的设计，系统设计者应该仅考虑可以由传感器测量的结构的操作位移部分。

同时，上文描述的常规的膜片具有明显有限的应变仪附连面积。这导致令人讨厌的应变仪附连并且增加有缺陷的产品的产生(由于应变仪偏离的附连位置)。

更具体地，为了使用应变仪准确测量应变，应变仪必须附连到膜片的线性可变形区域。在上文描述的常规的膜片的情况下，仅紧挨凹口上方的部分区域经历近似的线性变形，并且从而应变仪必须准确地附连到该部分区域。因此，尽管使用自动化机器，总是存在由于细微晃动引起应变仪偏离的附连位置的风险，并且从而可能增加有缺陷的产品的产生。

发明内容

技术问题

因此，已经鉴于上面的问题做出本发明，并且本发明的一个目的是提供位移传感器，其能够甚至使用膜片测量由力矩引起的位移，其中应变仪附连到该膜片。

本发明的另一个目的是提供位移传感器，其中惠斯通电桥电路适应于仅测量由力矩引起的变形，同时消除由垂直力引起的应变。

本发明的另一个目的是提供位移传感器，其中输入杆将正交于膜片的平面的位移转换成力矩，由此使该膜片能够变形。

本发明的另一个目的是提供位移传感器，其中膜片具有增加的线性可变形面积，其中应变仪可附连在该可变形面积处。

本发明的另外的目的是提供位移传感器，其中应变仪的变形可以放大，其导致提高的灵敏度。

技术解决方案

根据本发明，上面的和其他目的可以由位移传感器的提供而实现，该位移传感器包括：感测本体，所述感测本体包括提供在其下表面的膜片和正交固定在其上表面的中心的输入杆，应变仪附连到该膜片，位移被传递到该输入杆；和基于应变仪的输出值产生电信号的信号处理单元，该输出值对应于由该输入杆的力矩引起的膜片应变。

应变仪可附连到虚线，其平行于力矩产生方向并且通过膜片的中心，并且应变仪可包括顺次附连的第一压电电阻元件、第二压电电阻元件、第三压电电阻元件和第四压电电阻元件，该第一和第二压电电阻元件分别与该第三和第四压电电阻元件对称，并且信号处理单元通过使用惠斯通电桥电路产生对应于膜片的应变的电信号。

输入杆可具有L型形状，其由平行于膜片的平面的上部分和正交于膜片的平面的下部分组成。

感测本体可包括在其上表面凹进的环形凹口，和从该环形凹口朝其上表面的中心斜向延伸来增加膜片的线性可变形面积的斜坡。

膜片可包括：附连表面，应变仪附连到该附连表面，和具有相同的中心作为膜片的中心并且起增加该附连表面的应变的作用的圆盘型突起。

位移传感器可进一步包括：被穿孔而具有开口的外壳，膜片插入并且联接于该开口，该外壳将信号处理单元包封在其中；和提供在该外壳的侧面同时连接于信号处理单元以传送电信号到外部的连接器。

有利的效果

如从上文的描述明显可见，根据本发明的实施例的位移传感器具有下列若干效果。

第一，位移传感器可以甚至使用附连应变仪的膜片测量由力矩引起的位移。因此，位移传感器对其附连位置没有限制。

第二，应变仪在平行于力矩产生方向的方向附连到膜片，以便测量由力矩引起的膜片的最大应变。因此，位移传感器可以获得适合于通过电路放大的应变值同时维持其适当的强度。

第三，使用采用惠斯通电桥电路的信号处理单元，可以消除施加到膜片同时具有力矩的垂直力，并且从而可以从测量对象中排除。这使由力矩引起的位移能够更准确计算。

第四，膜片具有斜坡来增加其线性可变形面积。该增加的线性可变形面积具有增加应变仪的附连位置的公差范围的效果，从而减少由于应变仪的不正确附连引起的有缺陷的产品的产生。

第五，当膜片在中心提供有圆盘型突起时，附连应变仪的膜片的外围区域经受更大的应变，其导致提高的灵敏度。

附图说明

本发明的上面的和其他目的、特征和优势将通过下列与附图结合来看的详细说明更清楚地理解。

图1是图示根据本发明的实施例的位移传感器的透视图；

图2是在图1中图示的位移传感器的分解的底部透视图；

图3是图示在图1中图示的位移传感器中提供的膜片和输入杆的透视图；

图4在图3中图示的膜片和输入杆的截面图；

图5是在图1中图示的位移传感器中提供的惠斯通电桥电路的示意图；

图6是在图1中图示的位移传感器中提供的膜片的截面图；

图7是图示常规的位移传感器的截面图；

图8是图示常规的载荷传感器的截面图；以及

图9是在图8中图示的载荷传感器中提供的惠斯通电桥电路的示意图。

具体实施方式

在下文中，根据本发明的优选实施例的位移传感器的功能、配置和操作将参考附图详细描述。

图1是图示根据本发明的实施例的位移传感器的透视图，并且图2是在图1中图示的位移传感器的分解的底部透视图。

根据本发明的实施例的位移传感器100包括感测本体1和信号处理单元2。该感测本体1在其下表面提供有膜片11(应变仪12附连到该膜片)和正交固定到其上表面的中心的输入杆13，机械装置的位移被传递到该输入杆13。该应变仪12起测量由输入杆13的力矩引起的膜片11的应变的作用，并且该信号处理单元2基于从该应变仪12输出的应变值产生电信号。

位移传感器100可进一步包括外壳3(其中容纳感测本体1的膜片11和信号处理单元2)，和接收由信号处理单元2产生的电信号的连接器4。该外壳3具有用于膜片11的联接的开口31，并且信号处理单元2被包封在该外壳3内以便不受杂质污染。

外壳3可起到屏蔽从其他电子装置产生的电磁波的作用，并且可进一步具有法兰32，其具有螺丝孔以安置位移传感器100到机械装置。

盖3a在总装阶段通过焊接附连到外壳3。盖3a充当屏蔽以改善电磁兼容性(EMC)特性并且能够实现防水传感器。另外，该盖3a的附连为位移传感器100的外壳3提供了封闭的箱型结构。利用该配置，当位移传感器100安装到目标对象(即机械装置)时，能够防止由例如机械装置的安装表面的螺栓拧紧或平整引起的法兰32的变形对感测本体1有影响并且因此减少安装偏移误差(位移传感器100的一个重要特性)。

输入杆13具有L型形状，其由平行于膜片11的水平面的上部分和正交于膜片11的水平面的下部分组成。当构成机械装置的一部分并且与输入杆13的一端接触的传递构件(transmission member)T向上移动时，固定到感测本体1的输入杆13的另一端经历力矩。该力矩引起感测本体1的膜片11的变形并且应变仪12测量膜片11的应变。

图3是图示在图1中图示的位移传感器中提供的膜片和输入杆的透视图，并且图4是在图3中图示的膜片和输入杆的截面图。

附连到膜片11的应变仪12通过输入杆13设置成平行于力矩产生方向。应变仪12包括第一至第四压电电阻元件R₁、R₂、R₃、和R₄，其顺序附连到通过膜片11的中心的虚线使得第一和第二压电电阻元件R₁和R₂分别与第三和第四压电电阻元件R₃和R₄对称。

在图1中，L型输入杆13的纵向称为X轴。而且，Y轴正交于X轴并且平行于膜片11的平面，并且Z轴正交于X轴和Y轴方向。

假设传递构件T在Z轴方向向上移动，膜片11经历关于转动轴(即在X-Y平面中的Y轴)的力矩M1。因此，如在图3中图示的，应变仪12的压电电阻元件R₁、R₂、R₃、和R₄在X轴方向互相平行附连，在该X轴方向中膜片11在力矩M1影响下经历最大变形。在这种情况下，应变仪12可以测量由力矩M1引起的膜片11的最大应变，其导致准确的测量值。

在图4中，当传递构件T的位移被传递使得输入杆13的远端向上移动时，产生力矩，其引起第一压电电阻元件R₁和第三压电电阻元件R₃拉伸(伸长)并且第二压电电阻元件R₂和第四压电电阻元件R₄压缩(缩短)。相反，当位移被传递使得输入杆13的远端向下移动时，在相反的方向产生力矩，从而引起第一压电电阻元件R₁和第三压电电阻元件R₃压缩(缩短)并且第二压电电阻元件R₂和第四压电电阻元件R₄拉伸(伸长)(参见下列表1)。

信号处理单元2包括如在图5中图示的惠斯通电桥电路，并且基于如在下列方程1中代表的上文描述的位移产生电信号。

方程1

$\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}=\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{\left(R_1{+R}_2\right)(R_3+R_4)},$

$\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}=\frac{K}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)$

这里，R₁、R₂、R₃、和R₄是对应于相应的压电电阻元件的电阻值，K是代表仪器灵敏度系数的固定比例的常数值，并且ε₁、ε₂、ε₃和ε₄是由相应的压电电阻元件测量的应变值。

当位移被传递使得输入杆13的远端向上移动时，具有上文描述的配置的惠斯通电桥电路产生电信号，其具有由上文的方程1计算的正(+)值，而当位移被传递使得输入杆13的远端向下移动时产生具有负(-)值的电信号。

同时，根据本发明的惠斯通电桥电路消除施加到膜片11的垂直力连同力矩。即，操作惠斯通电桥电路来消除垂直力同时放大力矩。力矩放大位移传感器将垂直力处理为混杂载荷中的一个。

更具体地，当位移被传递使得输入杆13的远端向上移动时，存在力F1来垂直提升膜片11的中心。

在这种情况下，第一压电电阻元件R₁和第四压电电阻元件R₄拉伸(伸长)并且第二压电电阻元件R₂和第三压电电阻元件R₃压缩(缩短)。另外，可以意识到由上文的方程1计算的电信号具有零值，因为对称附连的第一和第三压电电阻元件R₁和R₃的应变值和对称附连的第二和第四压电电阻元件R₂和R₄的应变值具有相同的大小。

即使当位移被传递使得输入杆13的远端向下移动时，第一至第四压电电阻元件的应变值的总和可以是零，并且从而由上文的方程1计算的电信号具有零值。

上文描述的原理概括在下列表1中。

表1

[表1]

[表]

	ε1	ε2	ε3	ε4	电信号
						第一种情况(+力矩)	+值	-值	+值	-值	+值
第二种情况(-力矩)	-值	+值	-值	+值	-值
						第三种情况(垂直压缩)	+值	-值	-值	+值	零值
第四种情况(垂直拉伸)	-值	+值	+值	-值	零值

这里，第一种情况代表当位移被传递使得输入杆的远端向上移动时由力矩引起的应变，第二种情况代表当位移被传递使得输入杆的远端向下移动时由力矩引起的应变，第三种情况代表当垂直压力施加到输入杆时引起的应变，并且第四种情况代表当垂直张力施加到输入杆时引起的应变。

如上文描述的，由信号处理单元使用惠斯通电桥电路产生的电信号具有正(+)值或负(-)值，并且输入位移的大小从电信号的大小中计算。另外，惠斯通电桥电路消除作用在膜片垂直方向上的力，使得能够准确计算由力矩引起的位移。

图6是在图1中图示的位移传感器中提供的膜片的截面图。

根据本发明的感测本体1具有在其上表面凹进的环形凹口1a来放大膜片11的变形。另外，感测本体1具有从该凹口1a朝其上表面的中心斜向延伸的斜坡1b，该斜坡1b起增加膜片11的线性可变形面积的作用。具体地，该斜坡1b从在感测本体1的上表面凹进的该凹口1a的底部向内延伸预定倾角。

由于斜坡1b关于膜片11的水平面倾斜预定角度，膜片11经历斜坡1b中的线性变形。

该原理是已知的并且等同于悬臂的原理，该悬臂具有向下倾斜的上表面和水平的下表面，并且当向下的剪应力施加到悬臂的远端时该悬臂线性变形。

在这种情况下，由于能够附连应变仪12的膜片11的线性变形面积增加，应变仪12的附连位置的公差范围可以增加。这可以减少由于应变仪12的不正确的附连引起的有缺陷的产品的产生。

同时，为了通过放大应变仪12的相应的压电电阻元件R₁、R₂、R₃、和R₄的检测值而提高灵敏度，优选地，膜片11进一步提供有圆盘型突起111，其具有与膜片11的中心相同的中心。

利用圆盘型突起111的提供，膜片11的中心区域具有大于膜片11的其余区域的厚度的厚度。因此，具有圆盘型突起111的膜片11的中心区域经受较小的应变，而附连应变仪的膜片11的周围区域，即膜片11的附连表面112经受更大的应变。

在这种情况下，当附连表面112经受更大的应变时，位移传感器100可以高灵敏度地进行甚至微小力矩变化的更准确的测量。

发明模式

各种实施例已经在用于实施本发明的最佳模式中描述。

工业适应性

本发明适用于甚至使用附连应变仪的膜片测量由力矩引起的位移的位移传感器。

尽管本发明的优选实施例已经为说明的目的在本文中公开，本领域内技术人员将意识到各种修改、添加和替代是可能的，而不偏离如在附上的权利要求中公开的本发明的范围和精神。

Claims (6)

1.一种位移传感器，其包括：

感测本体，其包括：提供在其下表面的膜片，应变仪附连到该膜片；以及正交固定在其上表面的中心的输入杆，位移被传递到该输入杆；以及

基于所述应变仪的输出值产生电信号的信号处理单元，所述应变仪的输出值对应于由所述输入杆的力矩引起的所述膜片的应变。

2.如权利要求1所述的位移传感器，其中：

所述应变仪附连到平行于力矩产生方向并且通过所述膜片的中心的虚线，并且包括顺次附连的第一压电电阻元件、第二压电电阻元件、第三压电电阻元件和第四压电电阻元件，所述第一和第二压电电阻元件分别与所述第三和第四压电电阻元件对称；并且

所述信号处理单元通过使用下列方程产生对应于所述膜片的应变的电信号；

$\frac{\mathrm{\ΔV}}{V}=\frac{K}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)$

其中，K是比例常数，并且ε₁至ε₄是由所述第一至第四压电电阻元件测量的应变值。

3.如权利要求1或2所述的位移传感器，其中所述输入杆具有L型，其由平行于所述膜片的平面的上部分和正交于所述膜片的平面的下部分组成。

4.如权利要求3所述的位移传感器，其中所述感测本体包括在其上表面凹进的环形凹口，和从所述环形凹口朝其上表面的中心斜向延伸来增加所述膜片的线性可变形面积的斜坡。

5.如权利要求3所述的位移传感器，其中所述膜片包括附连表面，所述应变仪附连到所述附连表面，以及圆盘型突起，所述圆盘型突起具有与所述膜片中心相同的中心并且起增加所述附连表面的应变的作用。

6.如权利要求5所述的位移传感器，其进一步包括：

被穿孔而具有开口的外壳，所述膜片插入并且联接于该开口，所述外壳将所述信号处理单元包封在其中；和

连接器，其提供在所述外壳的侧面同时连接于所述信号处理单元以传送所述电信号到外部。

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