CN104792443B - 一种微张力压阻式陶瓷张力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种微张力压阻式陶瓷张力传感器，包括传感器支架、条状弹性体和测力杆；所述条状弹性体的一端粘接在所述传感器支架的一端凸起结构上，其另一端粘接在所述传感器支架的另一端限偏墙上，以使该条状弹性体两端形成力矩；所述测力杆设置在所述限偏墙上端的条状弹性体上；其中，所述条状弹性体的长度为20‑35mm，宽度为4‑6mm。本发明采用上述尺寸结构的微张力压阻式陶瓷张力传感器具有优异的线性精度，尤其迟滞性和重复性远低于线性精度，反映微张力传感器的线性精度实测数据就能评价传感器的综合精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种微张力传感器，具体是指一种微量程（≤0.5CN）陶瓷张力传感器，应用于工业自动化控制系统。
背景技术
工业自动化控制隨着卷取机械的高速化和智能化，如纺织工业化纤、丝绸、毛棉等卷筒系统随着设备盘卷过程中直径变化，卷材的张力也产生变化，如果不对高速运转的卷盘张力即动态张力进行有效控制，表面就会出现皱折、厚薄不均现象；如用于纸张、薄膜、橡胶、光纤等材料解卷或上卷，如果不对盘卷动态张力进行控制，同样会出现弯曲、厚度变化乃至断裂。
张力控制器的核心控制部件是张力传感器。它是直接将盘卷高速运转的动态张力信号线性转换成电信号，再由MCU或PLC控制盘卷电机转速和张力，从而实现动态张力进行控制。
目前，国内外张力传感器分接触式和非接触式二种。接触式张力传感器是指传感器的测力杆直接检测盘卷载体张力，因而检测精度高反应灵敏度高，目前它是国内外盘卷系统主流动态张力传感器。此类传感器有应变片式和压电陶瓷式两种；非接触式张力传感器有霍尔传感器，实际上它是检测盘卷载体线速度再转换成张力信号，控制精度低和抗干拢能力低是它的致命缺点。然而接触式张力传感器目前国外仅有少数厂家有生产，由于国外这种接触式张力传感器本身都不带温度补偿，存在工作温度适应性差缺点。且高昂的价格使国内工业自动化卷取机械只有采用非接触式霍尔传感器替代。
接触式张力传感器虽然在信号采样方式上有优势，但还存在着很大缺陷。如应变片式张力传感器它必须将应变片用有机粘结剂粘到不锈钢或聚酯膜片上，此类传感器迟滞性差，且由于只能用单片应变片粘结，输出灵敏度低且应变片的温飘大，不能用于高精度高可靠卷取机械；而压电陶瓷式张力传感器由于是非线性电压输出，因而目前国内外尚未有实际应用。
近年来国内有多家大专院校和科研院所如西北工业大学、江南大学、中国电子科技集团以及中恒集团对我国张力传感器的发展与我们多次进行了探讨，一致认为必须发展新型的微张力压阻式陶瓷张力传感器，以改变目前卷取机械自动化被动局面势在必行。
本发明是在分析比较接触式张力传感器和专利ZL201120553280.0〞高性能陶瓷张力传感器〝和发明专利ZL201010208526.0〞压力传感器的陶瓷复合弹性体的制备方法及原料混合装置〝基础上研发的微张力压阻式陶瓷张力传感器。本发明采用了国际领先的三级温补技术和高精度Hybrid工艺技术，在性能指标上大大领先国外张力传感器，能实现规模化生产，成本较国外有强大优势，是国内外微张力传感器的更新换代产品。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种微张力压阻式陶瓷张力传感器。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种微张力压阻式陶瓷张力传感器，包括传感器支架、条状弹性体和测力杆；所述条状弹性体的一端粘接在所述传感器支架的一端凸起结构上，其另一端粘接在所述传感器支架的另一端限偏墙上，以使该条状弹性体两端形成力矩；所述测力杆设置在所述限偏墙上端的条状弹性体上；其中，所述条状弹性体的长度为20-35mm，宽度为4-6mm。
进一步的，所述传感器支架与条状弹性体之间形成有上下位移空间，所述上下位移空间内设置有防止条状弹性体过度位移而断裂的保护块。
进一步的，所述测力杆的左右两侧设置有导丝器。
进一步的，所述条状弹性体为复合陶瓷弹性体。
进一步的，所述复合陶瓷弹性体由微米级的二氧化锆和微米级的三氧化二铝组成；其中，所述二氧化锆和三氧化二铝的质量比为1:0.25～7.5。
进一步的，所述条状弹性体的正反两面各设置两个桥路电阻，由四个通孔将桥路电阻互联形成一个惠斯顿电桥，并在条状弹性体的正面设置两个与反面的桥路电阻相对应的桥路平衡电阻，并通过激光修调系统将惠斯顿电桥调至零位。
进一步的，所述条状弹性体上还设置有用来克服温度飘移的PTC正温度补偿电阻和NTC负温度补偿电阻。
本发明的有益效果：
1.本发明采用上述尺寸结构的微张力压阻式陶瓷张力传感器具有优异的线性精度，尤其迟滞性和重复性远低于线性精度，反映微张力传感器的线性精度实测数据就能评价传感器的综合精度。
2.在确保传感器优异的线性精度前提下，本发明采用的桥路输出形式具有高输出灵敏度（2.2-3.3mV/V）这是其他形式张力传感器如应变片式张力传感器所不能比拟的。
3.由于采用复合陶瓷弹性体，提高了弹性体应变模量，不但提高输出灵敏度，而且提高了动态张力响应速度并提高了可靠性。
4.三级温补技术确保了传感器有宽工作温度范围。
5.能替代国内外其他形式的微张力传感器，为国家节省大量外汇，具有较高的经济效益。
附图说明
图1本发明的整体结构示意图。
图2本发明的条状弹性体的版图结构示意图。
图3为本发明的量程范围内线性曲线示意图。
具体实施方式
图1所示，为一种微张力压阻式陶瓷张力传感器，包括传感器支架3、条状弹性体1和测力杆2；所述条状弹性体1的一端粘接在所述传感器支架3的一端凸起结构32上，其另一端粘接在所述传感器支架3的另一端限偏墙31上，以使该条状弹性体1两端形成力矩；所述测力杆2设置在所述限偏墙31上端的条状弹性体1上。其中，由于条状弹性体1的结构尺寸直接决定本发明的张力量程处于微张力状态；因此，本发明的所述条状弹性体1的长度设置为20-35mm，宽度设置为4-6mm，而厚度可根据量程范围确定。
其中，所述传感器支架3与条状弹性体1之间形成有上下位移空间13，所位上下移述空间13内设置有防止条状弹性体1过度位移而断裂的保护块4。这样当张力满量程时，使得条状弹性体1位移最大幅值可控制在0.5-0.8mm范围内。
另外，为确保高速运动的载体与测力杆可靠接触，在所述测力杆2的左右两侧设置有导丝器。
其中，为提高传感器灵敏度和过载特性(Over Load)，所述条状弹性体1采用复合陶瓷弹性体。其中，所述复合陶瓷弹性体由微米级的二氧化锆和微米级的三氧化二铝组成。其中，所述二氧化锆和三氧化二铝的质量比为1:0.25～7.5。由于采用复合陶瓷弹性体，进一步提高了弹性体应变模量；不但提高输出灵敏度，而且提高了动态张力响应速度并提高了可靠性。
图2为本发明的条状弹性体的版图结构示意图。图中可知，条状弹性体1的正反两面各设置两个桥路电阻22，由四个通孔将桥路电阻22互联形成一个惠斯顿电桥，并在条状弹性体1的正面设置两个与反面的桥路电阻22相对应的桥路平衡电阻23，并通过激光修调系统将惠斯顿电桥调至零位(0-0.5mV)。
另外，所述条状弹性体1上还设置有用来克服温度飘移的PTC正温度补偿电阻24和NTC负温度补偿电阻25。三级温补技术的设计原理是：分别在PTC正温度补偿电阻24和NTC负温度补偿电阻25上设计三个电阻值不同的电阻，在温飘测试台对传感器检测0℃和45℃输出电压飘移量，由激光修调系统自动切割补偿电阻上的端导带，实现温补电阻确认。
本发明的微张力压阻式陶瓷张力传感器具有优异的线性精度，尤其迟滞性和重复性远低于线性精度，对于评价微张力传感器的线性精度实测数据就能反映传感器的综合精度。图3为量程范围内线性曲线。表1为本专利线性精度实测数据。
| Newton | 0 | 0.01 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 |
| mV | 0.59 | 2.41 | 22.5 | 44.7 | 65.05 | 84.53 | 105.4 |
表1
经测试，微张力传感器主要技术性能如表2。
表2
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种微张力压阻式陶瓷张力传感器，其特征在于，包括传感器支架、条状弹性体和测力杆；所述条状弹性体的一端粘接在所述传感器支架的一端凸起结构上，其另一端粘接在所述传感器支架的另一端限偏墙上，以使该条状弹性体两端形成力矩；所述测力杆设置在所述限偏墙上端的条状弹性体上；其中，所述条状弹性体的长度为20-35 mm，宽度为4-6mm；所述条状弹性体为复合陶瓷弹性体；所述复合陶瓷弹性体由微米级的二氧化锆和微米级的三氧化二铝组成；其中，所述二氧化锆和三氧化二铝的质量比为1:0.25～7.5；所述传感器支架与条状弹性体之间形成有上下位移空间， 所述上下位移空间内设置有防止条状弹性体过度位移而断裂的保护块；所述测力杆的左右两侧设置有导丝器；所述条状弹性体的正反两面各设置两个桥路电阻，由四个通孔将桥路电阻互联形成一个惠斯顿电桥，并在条状弹性体的正面设置两个与反面的桥路电阻相对应的桥路平衡电阻，并通过激光修调系统将惠斯顿电桥调至零位；所述条状弹性体上还设置有用来克服温度飘移的PTC 正温度补偿电阻和NTC 负温度补偿电阻，具体为分别在PTC正温度补偿电阻和NTC负温度补偿电阻上设计三个电阻值不同的电阻，在温飘测试台对传感器检测0℃和45℃输出电压飘移量，由激光修调系统自动切割补偿电阻上的端导带，实现温补电阻确认。
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