CN103196598A - 一种光电式力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电式力传感器。本发明中的光电式力传感器，包括65Mn弹簧钢制成的弹性敏感元件、光电二极管对、光电二极管支架和绝缘套、壳体、密封垫片以及用于装配的螺钉。其特征在于，所述的弹性体内部采用二级柔性杠杆放大机构，可以将施加于弹性体上、下端面的力造成的纵向形变放大，使得如图所示弹性体内部的第二级杆输出端产生数倍于弹性体纵向形变的位移，进而分别增大和减小左右两端接收管接受光的光强，通过测量电路可以得到施加与弹性体上、下面的力。本发明中的光电式力传感器可适用于各种场合下挤压力的测量、机构简单，又结合了光电检测和应变式力传感器的优点，精度高、反应快、稳定性高。

Description

一种光电式力传感器

技术领域

 本发明涉及一种力传感器。更具体地，本发明涉及一种采用光电检测来测量力的新型传感器。 

背景技术

 力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于铁路交通、航空航天、水利水电、管道、石化、军工、医疗卫生等众多行业；光电式力传感器是一种将光电检测与弹性敏感元件相结合的新型传感器。光电效应是一种在光的照射下，从物体发射出电子的现象；利用光电效应原理发展出光电检测，当今光电检测方法具有灵敏度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多；随着光电技术的发展，光电式传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，在机电控制、计算机、国防科技等方面的应用都非常广泛。弹性敏感元件是由弹性材料制成的敏感元件，它可以将力、压力、力矩、振动等被测量转换成应变量或位移量，弹性敏感元件在传感器中占有很重要的地位，其设计形状、尺寸、选材和质量的优劣直接影响传感器的性能和精度，现今弹性敏感元件在压力测量方面应用广泛，具有结构简单、测量范围广、寿命长、频响特性好等优点。但至今很少有将光电检测与弹性敏感元件相结合来测量力的传感器。 

发明内容

 本发明的目的在于设计一种将光电检测与弹性敏感元件相结合的新型光电式力传感器。 

 为了实现上述目的，本发明应用ANSYS软件对所设计的弹性敏感元件进行仿真分析，提供了一种可行性设计。 

 本发明具体发明内容如下所述。 

 该光电式力传感器包括弹性敏感元件（1个），45号钢制作成的壳体（1对）和光电二极管支架Ⅰ和Ⅱ（各1个），夹布胶木制作成的绝缘套（4个），包括由一个光发射二极管和光敏二极管组成的光电二极管对（2对），密封垫片（1对），十字槽盘头螺钉(12个)和内六角螺钉（3个）。 

 壳体2与弹性体1用12个十字槽盘头螺钉固定连接，并且之间有密封垫片4密封。 

 所述弹性敏感元件1由65Mn弹簧钢制造，保证弹性敏感元件热处理后屈服强度高于700Mpa。并具备一定的力学性能，抗弹减性能，疲劳性能以及物理化学性能（耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等），从而保证所述发明传感器能够适应各种力测量环境的场合；为安装该传感器，所述弹性敏感元件1上下端开有相应的安装螺孔；所述弹性敏感元件1内部造型采用二级柔性杠杆放大机构；用ANSYS软件对弹性敏感元件进行建模，通过定义材料，划分网格，按照传感器实际受力状况添加力和约束完成仿真。 

 所述壳体2由45号钢制造，所述密封垫片4由橡胶制造，所述壳体2和密封垫片4保证传感器内部的光电二极管对的光电效应不受外部环境影响。 

 所述光电二极管对9安装于所述绝缘套7孔中，绝缘套7安装于所述支架Ⅰ5和Ⅱ6的孔中，绝缘套7与支架之间用502粘接牢固，同时保证装配后同一对光电二极管对的发射管与接收管的中心线位于同一轴线上，所述弹性敏感元件1内部二级柔性杠杆放大机构的第二级杆分别挡住不同对光电二极管对的上半部分和下半部分。

 所述光电二级管对绝缘套7由夹布胶木材料制造，绝缘电阻很大，可防止与光电二极管对的连线发生短路现象。 

  所述光电二极管对支架Ⅰ5和Ⅱ6由45号钢制造，两支架和弹性敏感元件1通过3个内六角螺钉固定连接，保证该传感器在受到冲击和跌落时内部元器件的定位精度。 

附图说明

 图1为本发明光电式力传感器的总体结构图。 

 所述图1包括总体结构图得主视图和左视图。 

 所述图1中的标号说明：1弹性敏感元件，2壳体，3十字槽盘头螺钉,4密封垫片,5光电二极管支架Ⅰ,6光电二极管支架Ⅱ,7光电二极管绝缘套,8内六角螺钉,9光电二极管对。 

 图2为本发明的弹性敏感元件结构图。 

 图3为弹性敏感元件内部二级柔性杠杆放大机构原理图。 

 图4为用ANSYS分析弹性敏感元件受力后位移图，所述图4中，弹性敏感元件上下端面受2000N力。 

 图5为用ANSYS分析弹性敏感元件受力后应力应变云图（正视），所述图5中，弹性敏感元件上下端面受2000N力。 

 图6为用ANSYS分析弹性敏感元件受力后应力应变云图（三维），所述图6中，弹性敏感元件上下端面受2000N力。 

具体实施方式

 为更清楚的理解本发明，现结合附图对本发明作进一步说明。应当指出本发明附图为量程2000N的光电式力传感器，仅为说明本发明用，并不构成对本发明的限制，本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。 

 弹性体内部二级柔性杠杆放大机构位移放大原理如下。 

 上述图2示出弹性敏感元件结构图，图2中A、D对应上述原理图3中A、D固定铰链，B、C、E、F对应原理图3中活动铰链B、C、E、F；输入位移从活动铰链B处输入，通过材料形变向下传递。 

 上述图3示出了弹性敏感元件内部二级柔性杠杆放大机构，该机构依靠材料的形变可实现运动的传递和位移的放大。该机构为对称式结构，输入位移可通过左右两条运放链向输出点进行传递；实际中可将弹性敏感元件的微小纵向形变放大，由上述图3可得该机构的理论位移放大倍数A: 

为更直接的展示该二级柔性杠杆放大机构的放大原理，本发明提供了弹性敏感元件1上下端面受2000N力时ANSYS的仿真结果，所述图3为用弹性敏感元件9受力后位移图，在该负载压力的作用下，二级柔性杠杆放大机构的输出端F产生0.685mm的位移，远大于弹性敏感元件的纵向弹性变形位移量。

所述图4、5为ANSYS分析弹性敏感元件受力后应力应变云图，其结构中最大应力为

，在许可应力范围内，说明该弹性敏感元件9满足强度要求。 

 光电检测测量力原理如下。 

 所述图1示出所述光电二极管对9的安装位置，其所示两对光电二极管对并不在同一水平面上，且同一对光电二极管对之间有弹性体1内部二级柔性杠杆放大机构的第二级杆，这样保证在弹性敏感元件上下端受到压力产生形变经二级柔性杠杆放大机构放大后，所述图1中左端光电二极管对9的接收管接收到的光强变强，右端光电二极管对9的接收管接收到的光强变弱，光电二极管对9所连接差动电路，这样所输入的是两接收管接收到的光强的差值，这样有效提高本传感器的抗干扰能力，提高了测量精度。 

 本光电式力传感器测量力的具体实现过程如下。 

测量力时，先将传感器通过安装螺孔固定安装，力直接或间接作用于弹性敏感元件的上下端面，通过内部的二级柔性杠杆放大机构对弹性敏感元件的纵向形变放大，造成二级柔性杠杆放大机构的第二级杆遮挡的光通量发生改变，左端接收二极管接收的光强变强，右端接收二极管接收的光强变弱，由于光电二极管的光电效应，二极管的电阻发生改变；又由于不同力所造成F端输出位移不同，遮挡的光通量也不同，因光电效应而造成的电阻改变也不同，通过连接外部相应电路和仪表，实现不同力的测量和读取。 

Claims (9)

1.一种光电式力传感器，包括：弹性敏感元件，壳体，光电二极管支架Ⅰ和Ⅱ，绝缘套，光电二极管对，密封垫片，十字槽盘头螺钉和内六角螺钉。

2.根据权利要求1所述的光电式力传感器，其特征在于，所述弹性敏感元件由65Mn弹簧钢制造，并保证弹性敏感元件热处理后屈服强度高于700Mpa；弹性敏感元件内部造型为一对称式二级柔性杠杆放大机构，外部为圆环式造型。

3.弹性敏感元件上下端开有相应的安装螺孔；为与密封垫片和壳体装配，侧面也开有相应的螺孔，其特征在于螺孔的分布位置，保证对弹性敏感元件受力后形变产生的影响尽可能小。

4.根据权利要求1所述的光电式力传感器，其特征在于，光电二极管对的安装位置，保证弹性敏感元件内部二级柔性杠杆放大机构的第二级杆分别挡住不同对光电二极管对的上半部分和下半部分，同一对光电二极管位于同一水平轴线上。

5.其特征还在于，光电二极管对的连接方式，两对光电二极管对采用差动连接方式，这样有效提高本传感器的抗干扰能力，提高了测量精度。

6.根据权利要求1所述的光电式力传感器，其特征在于，所述绝缘套由夹布胶木材料制造，绝缘电阻很大，可有效防止与光电二极管对的连线发生短路现象。

7.根据权利要求1所述的光电式力传感器，其特征在于，所述壳体由45号钢制造，保证传感器能够经受一些冲击，跌落等耐受性实验。

8.根据权利要求1所述的光电式力传感器，其特征在于，所述光电二极管支架Ⅰ和Ⅱ的装配方式，光电二极管支架Ⅰ和Ⅱ与弹性敏感元件通过三个内六角螺钉固定，并保证装配后对弹性敏感元件受力后形变产生的影响尽可能小。

9.根据权利要求1所述的光电式力传感器，其特征在于，所述密封垫片由橡胶制造，颜色为黑色，保证传感器装配后不透光，不影响内部光电二极管对的光电效应。

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