CN103954306B - 小型化高精度微量程传感器及流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化高精度微量程传感器及流量计，该传感器，它包括传感器固定前板、传感器固定后板、传感器弹性片、应变片基底、应变片与传感器连接板，在传感器固定前板与传感器固定后板之间固定有传感器弹性片，在传感器弹性片的前表面和后表面上均通过应变片基底固定有应变片，在传感器弹性片的底端部连接有传感器连接板，在传感器连接板的底端部固定连接有传感器连接杆，在传感器连接杆的底端部固定有传感板，该传感板为圆形板体；且所述传感器弹性片的左右两侧均开设有圆弧形缺口。本发明体积小，降低了产品制造成本；本发明灵敏度高；本发明使用方便，使用时可以不受位置、空间的限制。

Description

小型化高精度微量程传感器及流量计

技术领域

本发明公开了一种小型化高精度微量程传感器，本发明还公开了一种小型化高精度微量程流量计。

背景技术

1940年美国分别把电阻应变计技术应用于军事工程的电子测力和称重计量领域，研制出应变式负荷传感器。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产，至今已有70多年历史。

20世纪80年代中期，随着数字技术和信息技术的发展，为满足电子衡器数字化、智能化的要求和用数字称重系统突破模拟称重系统局限性的构想，美国TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德国HBM公司等先后研制出整体型和分离型数字式智能称重传感器，并以其输出信号大，抗干扰能力强，信号传输距离远，易实现智能控制等特点成为数字式电子衡器和自动称重计量与控制系统的必选产品，并形成了一个开发热点。在箔材轧制、热处理和电阻应变计设计技术与制造工艺研究上都取得了突破性进展，这一时期是称重传感器技术发展动向和今后一个时期的技术发展趋势。

90年代中期以来，小量程的家用电子秤（人体秤、健康秤、脂肪秤、厨房秤、营养秤、珍宝秤、口袋秤和手提秤等）用称重传感器及其电阻应变计，其研发与生产由世界各国逐渐移向中国。目前国内生产企业有三种类型：其一，设计、生产、组装各种家用电子秤；其二，为家用电子秤生产厂配套生产各种称重传感器（或自己生产电阻应变计，或外购电阻应变计）；其三，只生产家用电子秤称重传感器用电阻应变计。

分析近年来对称重传感器的新要求，不难得出小型化，集成化，多功能化和智能化将是称重传感器的重要特点和发展趋势。

在我国，小量程电子秤在工商贸易、轻工食品、医药卫生、家用等领域得到广泛应用。对于某些贵金属、有毒有害物质、药品、及在狭小的空间、位置和恶劣条件下才能工作的称重传感器，其笨重的大尺寸测力传感器已经满足不了客户的需求。由于物质价格昂贵，或使用空间有限及特殊性质，严格限制其重量和传感器尺寸大小是非常重要，至今国内外小尺寸小量程称重传感器在量程、体积、精度和使用范围上已经满足不了客户的需求，因此目前国内外高精度小量程微量程微型传感器的研究就成为解决这一问题的关键。

当前：

1)国内外小量程微型称重传感器其量程均在10g以上。2)国内外小量程10g微型称重传感器精度：（重复性、线性、滞后性均在0.1%F.S～0.02%F.S.以上）。3)国内外小量程微型称重传感器体积一般在：3.15cm³以上，见图1。4)由于材料、结构、精度、价格的原因，一般只能适合在常温条件下使用，使测量环境对人体的限制在传感器间接的测量中得不到解决。在实际生产中得不到推广。

小量程微型称重传感器由于存在以上缺陷，极大的影响了：1)小量程微型称重传感器的传感器弹性元件不能适合在恶劣条件下使用。2)小量程微型称重传感器其量程还不能适应对体积、重量、精度要求更高的物体进行计量。3)对要求更高小量程微型称重传感器其制作成本高。4)小量程微型称重传感器由于受结构、材料、体积、精度的限制，使用范围在实际生产中难以得到广泛的推广，从而使得小型化、集成化、多功能化和智能化的方向发展受到制约。

对传统靶式流量力传感器性能分析。

由于传统靶通过杠杆力平衡原理或矢量机构平衡原理来进行流量信号与输出信号的转换处理，因此在实际应用中显现出许多不尽人意的缺陷。如零位易漂移，测量精确度低，杠杆机构可靠性差等。由于力平衡机构性能不佳的拖累，靶式流量计本身的许多优点亦未能得到有效的发挥，至今用户对旧靶式流量计的不良印象仍未消除，具体为：1）由于构成矢量机构及转换单元的原件（如封膜、检测放大器）受温度影响较大，因此不能耐较高的介质温度，使用温度一般小于150℃。2）由于气动靶的气动变送器、换能器本身是振荡的，因此需要装阻尼装置才能使用，而当当仪表感受介质压力波动、冲击时极易加剧振荡，影响稳定作用。3）电动靶电磁反馈系统、信号检测放大器易受外界磁场影响，一般要求外磁场强度小于400A/m。4）变送部分采用矢量机构，存在大量可动元件，易磨损变形，不能长期稳定工作，精度低（一般为±1.5%以上），调校工作量大、且复杂、要求高。5）要求管道振动频率应小于25Hz，全振幅应小于0.1mm，对管道内介质的脉动压力冲击、温度冲击敏感，投运要求高，需旁路管道，安装费用高，维护量大。6）口径一般在200mm以下，不适宜大管径测量，使用范围受到限制。7）由于自身结构的限制，流量计受力范围一般在8～80N之间，即被测介质对靶的冲击力不应超过80N，也不应小于8N。又由于F∝V²，因此量程比为3:1左右。8）正是由于以上缺陷的存在，极大的影响了靶式流量计在实际生产中的推广；特别是近十年，由于在量新型仪表的出现，靶式流量计的应用更现日趋减少。9)新一代智能靶式流量计，虽然把微电子技术和计算机技术应用到信号转换器和显示部分，集流量，温度，压力检测功能于一体，采用先进的单片机技术和力传感器，感测件为无可动部件，结构简单牢固；抗振动、杂质、干扰能力强，具有操作简便，容易安装，免维护，故障自检，运行费用低等一系列特点。但对于口径在15mm以下的靶式流量计仍处于结构不够简单，不能测试微小流量及成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足，提供一种适合在恶劣条件下使用的小型化高精度微量程传感器。

本发明的另一目的是提供一种小型化高精度微量程流量计。

按照本发明提供的技术方案，所述小型化高精度微量程传感器，它包括传感器固定前板、传感器固定后板、传感器弹性片、应变片基底、应变片与传感器连接板，在传感器固定前板与传感器固定后板之间固定有传感器弹性片，在传感器弹性片的前表面和后表面上均通过应变片基底固定有应变片，在传感器弹性片的底端部连接有传感器连接板，在传感器连接板的底端部固定连接有传感器连接杆，在传感器连接杆的底端部固定有传感板，该传感板为圆形板体；且所述传感器弹性片的左右两侧均开设有圆弧形缺口。

所述传感器弹性片呈左右对称设置，且传感器弹性片的厚度为0.05～0.5mm。

所述应变片基底的一条边线与圆弧形缺口呈相切设置。

所述圆弧形缺口对应的圆心角度数大于90°且小于180°。

所述传感器连接杆的厚度为传感器弹性片的厚度的5～10倍。

小型化高精度微量程流量计，在测量直管上固定有测量管壳体，测量管壳体内设有内台阶，在测量管壳体上设有壳体密封罩，在测量管壳体的内台阶上设有传感器固定前板与传感器固定后板，在传感器固定前板与传感器固定后板之间固定有传感器弹性片，在传感器弹性片的左右两侧均开设有圆弧形缺口，在传感器弹性片的前表面和后表面上均通过应变片基底固定有应变片，在应变片上连接有传感器引线，在传感器弹性片的底端部连接有传感器连接板，在传感器连接板的底端部固定连接有传感器连接杆，在传感器连接杆的底端部固定有传感板，该传感板为圆形板体，传感板伸入测量直管内，传感板的直径与测量直管的内径配合，传感板的板面与测量直管的轴线呈垂直设置，且测量直管的轴线穿过传感板的圆心；

所述传感器弹性片呈左右对称设置，且传感器弹性片的厚度为0.05～0.5mm。

所述应变片基底的一条边线与圆弧形缺口呈相切设置。

所述圆弧形缺口对应的圆心角度数大于90°且小于180°。

所述传感器连接杆的厚度为传感器弹性片的厚度的5～10倍。

本发明体积小，降低了产品制造成本；本发明灵敏度高；本发明使用方便，使用时可以不受位置、空间的限制。

附图说明

图1是本发明中小型化高精度微量程传感器的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是本发明中小型化高精度微量程流量计的主视图。

图4是本发明中小型化高精度微量程流量计的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

该小型化高精度微量程传感器，它包括传感器固定前板1、传感器固定后板2、传感器弹性片3、应变片基底4、应变片5与传感器连接板6.1，在传感器固定前板1与传感器固定后板2之间固定有传感器弹性片3，在传感器弹性片3的前表面和后表面上均通过应变片基底4固定有应变片5，在传感器弹性片3的底端部连接有传感器连接板6.1，在传感器连接板6.1的底端部固定连接有传感器连接杆6.2，在传感器连接杆6.2的底端部固定有传感板6.3，该传感板6.3为圆形板体；且所述传感器弹性片3的左右两侧均开设有圆弧形缺口7。

所述传感器弹性片3呈左右对称设置，且传感器弹性片3的厚度为0.05～0.5mm。所述应变片基底4的一条边线与圆弧形缺口7呈相切设置。

所述圆弧形缺口7对应的圆心角度数大于90°且小于180°。

所述传感器连接杆6.2的厚度为传感器弹性片3的厚度的5～10倍。

小型化高精度微量程流量计，在测量直管9上固定有测量管壳体10，测量管壳体10内设有内台阶，在测量管壳体10上设有壳体密封罩12，在测量管壳体10的内台阶上设有传感器固定前板1与传感器固定后板2，在传感器固定前板1与传感器固定后板2之间固定有传感器弹性片3，在传感器弹性片3的左右两侧均开设有圆弧形缺口7，在传感器弹性片3的前表面和后表面上均通过应变片基底4固定有应变片5，在应变片5上连接有传感器引线8，在传感器弹性片3的底端部连接有传感器连接板6.1，在传感器连接板6.1的底端部固定连接有传感器连接杆6.2，在传感器连接杆6.2的底端部固定有传感板6.3，该传感板6.3为圆形板体，传感板6.3伸入测量直管9内，传感板6.3的直径与测量直管9的内径配合，传感板6.3的板面与测量直管9的轴线呈垂直设置，且测量直管9的轴线穿过传感板6.3的圆心；

所述传感器弹性片3呈左右对称设置，且传感器弹性片的厚度为0.05～0.5mm。所述应变片基底4的一条边线与圆弧形缺口7呈相切设置。

所述圆弧形缺口7对应的圆心角度数大于90°且小于180°。

所述传感器连接杆6.2的厚度为传感器弹性片3的厚度的5～10倍。

本发明的小型化高精度微量程传感器在结构上具有以下特点:

（1）体积小、使用制作材料少，降低了产品成本。

目前，国内外最小的小量程微型称重传感器体积是一块长70mm、宽5mm、高9mm的长方形块，而本发明的小型化高精度微量程传感器材料使用了金属和非金属复合箔材，其体积只有国内外最小的小量程微型称重传感器体积的1/3～1/10。缩小了体积就减少了制作材料，这样也就降低了产品成本。所以小型化高精度微量程传感器的材料成本和目前国内外最小的小量程微型称重传感器材料成本相当，但性能却要好得多。

（2）采用新材料及应用有限元模型设计，传感器精度得到了提高。

由于小型化高精度微量程传感器使用了金属和非金属复合箔材，适合在恶劣条件下使用。应用有限元模型的设计、单元选择、网格划分、边界条件模拟、将传感器弹性片3形状、结构设置为：左右两侧开设圆弧形缺口7，应变片5基底的一条边线与圆弧形缺口7呈相切的形状，经加载试验后，其理论分析与实测值比较，相对误差为0.2%。其精度比目前国内外最小的小量程微型称重传感器精度提高了几倍。使体积、精度和使用范围上满足了客户的需求。

（3）采用传感器弹性片3的底端部连接传感器连接杆6.2，延长了应变计中心处到受力点距离，提高了传感器的灵敏度，拓宽了小型化高精度微量程传感器的使用范围。

由于传感器弹性片3的底端部连接传感器连接杆6.2是金属杆，占用体积小，使传感器的力点测量能在狭小的空间使用，同时提高了传感器的灵敏度。

而国内外小量程微型称重传感器形状为一长方体，由于形状和结构的限制，满足不了用户的需求，制约了其使用范围。所以对于物质价格昂贵，或使用空间有限及特殊性质，严格限制其重量和传感器尺寸大小及提高传感器的精度是非常重要的。

（4）小型化高精度微量程传感器使用方便、不受位置、空间的限制。

在传感器弹性片3的固定用传感器固定前板1与传感器固定后板2上配置框架，能根据被测物体的使用空间、位置来固定传感器固定前板1与传感器固定后板2的框架，即可在测量环境对人体的限制时，在传感器间接的测量中得以胜任。也可制作成便携式测量仪器在线测量。并能作用于工商贸易、轻工食品、医药卫生、物质分析、家用电器等广泛领域的应用。

而国内外小量程微型称重传感器由于是一长方体，其支点是长方体的一端，用螺丝固定，而另一端为测力位置，所以位置均为水平放置。显然，对狭小的空间、位置和恶劣条件下才能工作的称重传感器，国内外小量程微型称重传感器已经满足不了客户的需求。

本发明小型化高精度微量程传感器的工作原理：

使用时，传感器弹性体3在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在其表面的电阻应变片5（转换元件）同时产生变形。电阻应变片5变形后，其阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而完成了将外力变换为电信号的过程。但在完成了将外力变换为电信号的过程中小型化高精度微量程传感器在结构、材料上采取了：

（1）在传感器弹性片3的正反面各增加贴片数量组成全桥测量电路可以提高输出电压灵敏度，减小弹性体受力条件的变化而引起的测力误差。

（2）在传感器弹性片3贴片部位的左右两侧均开设有圆弧形缺口7，两个传感器弹性片3呈左右对称设置。由于在应变片5贴片部位附近对传感器弹性片3进行局部削弱，使应变片5部位局部应力（应变）水平提高，而传感器弹性片3其它部位的应力（应变）水平基本不变。通过局部削弱弹性体，造成局部的应力集中，使得应力集中部位的应力（应变）水平明显高于弹性体其它部位的应力水平，将电阻应变片5粘贴于应力集中部位，于是测得了较高的应变水平，同时也整体减小了弹性体的尺寸。

（3）小型化高精度微量程传感器采用厚度只有0.05～0.5mm的箔材做传感器弹性片3，应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{bl}}{{\mathrm{Ebh}}^2}p;$

式中:l-应变计中心处距受力点距离；b-悬臂梁宽度；h-悬臂梁厚度；E-悬臂梁材料的弹性模量；K-应变计的灵敏系数。

从公式可知减少传感器弹性片的厚度h就能增加传感器的应变能力，也就能增加输出灵敏度。

（4）小型化高精度微量程传感器在结构上采用：在传感器弹性片3的底端部固定连接传感器连接杆6.2，传感器连接杆6.2的厚度为传感器弹性片3的厚度的5～10倍，在材料上采用全硬态恒弹性材料，使传感器连接杆6.1底端的传感板6.3在受到传感器最大称量的力时不产生材料的应变，只会增加应变计中心处到受力点距离，从而提高了传感器的灵敏度。

（5）小型化高精度微量程传感器在使用位置固定的结构上采用：将传感器弹性片3固定在传感器固定前板1与传感器固定后板2上然后配置框架，框架可以制成适应被测物体的使用空间、位置的形状，然根据使用空间、位置来固定传感器框架。使用方式可以水平放置，也可竖直放置。

Claims (10)

1.一种小型化高精度微量程传感器，其特征是：它包括传感器固定前板（1）、传感器固定后板（2）、传感器弹性片（3）、应变片基底（4）、应变片（5）与传感器连接板（6.1），在传感器固定前板（1）与传感器固定后板（2）之间固定有传感器弹性片（3），在传感器弹性片（3）的前表面和后表面上均通过应变片基底（4）固定有应变片（5），在传感器弹性片（3）的底端部连接有传感器连接板（6.1），在传感器连接板（6.1）的底端部固定连接有传感器连接杆（6.2），在传感器连接杆（6.2）的底端部固定有传感板（6.3），该传感板（6.3）为圆形板体；且所述传感器弹性片（3）的左右两侧均开设有圆弧形缺口（7）。

2.如权利要求1所述的小型化高精度微量程传感器，其特征是：所述传感器弹性片（3）呈左右对称设置，且传感器弹性片（3）的厚度为0.05~0.5mm。

3.如权利要求1所述的小型化高精度微量程传感器，其特征是：所述应变片基底（4）的一条边线与圆弧形缺口（7）呈相切设置。

4.如权利要求1所述的小型化高精度微量程传感器，其特征是：所述圆弧形缺口（7）对应的圆心角度数大于90°且小于180°。

5.如权利要求1所述的小型化高精度微量程传感器，其特征是：所述传感器连接杆（6.2）的厚度为传感器弹性片（3）的厚度的5~10倍。

6.一种小型化高精度微量程流量计，其特征是：在测量直管（9）上固定有测量管壳体（10），测量管壳体（10）内设有内台阶，在测量管壳体（10）上设有壳体密封罩（12），在测量管壳体（10）的内台阶上设有传感器固定前板（1）与传感器固定后板（2），在传感器固定前板（1）与传感器固定后板（2）之间固定有传感器弹性片（3），在传感器弹性片（3）的左右两侧均开设有圆弧形缺口（7），在传感器弹性片（3）的前表面和后表面上均通过应变片基底（4）固定有应变片（5），在应变片（5）上连接有传感器引线（8），在传感器弹性片（3）的底端部连接有传感器连接板（6.1），在传感器连接板（6.1）的底端部固定连接有传感器连接杆（6.2），在传感器连接杆（6.2）的底端部固定有传感板（6.3），该传感板（6.3）为圆形板体，传感板（6.3）伸入测量直管（9）内，传感板（6.3）的直径与测量直管（9）的内径配合，传感板（6.3）的板面与测量直管（9）的轴线呈垂直设置，且测量直管（9）的轴线穿过传感板（6.3）的圆心。

7.如权利要求6所述的小型化高精度微量程流量计，其特征是：所述传感器弹性片（3）呈左右对称设置，且传感器弹性片（3）的厚度为0.05~0.5mm。

8.如权利要求6所述的小型化高精度微量程流量计，其特征是：所述应变片基底（4）的一条边线与圆弧形缺口（7）呈相切设置。

9.如权利要求6所述的小型化高精度微量程流量计，其特征是：所述圆弧形缺口（7）对应的圆心角度数大于90°且小于180°。

10.如权利要求6所述的小型化高精度微量程流量计，其特征是：所述传感器连接杆（6.2）的厚度为传感器弹性片（3）的厚度的5~10倍。