CN105628269B - 一种微力及微位移放大传感器 - Google Patents

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Abstract

一种微力及微位移放大传感器，包括固定部分、施力部分、应变部分以及过载保护部分。固定部分包括长方形刚性体基座，与基座一体的竖直长方体结构，安装辅助弹性体。应变部分包括主弹性薄片，用于贴应变片，以及辅助弹性薄片，通过调整其厚度以及槽宽度控制主弹性薄片的应变以及施力点位移的大小。施力部分是连接主弹性薄片与辅助弹性薄片的刚性衡量，施力点靠近辅助弹性薄片处，便于施加载荷。过载保护部分，在位移最大处最下方设置一刚性结构，有一安装孔便于安装限位结构。本发明具有设计简单，施力点位移小，应变部分应变大，同时力过载时可以起到限位等优点。

Description

一种微力及微位移放大传感器
技术领域
本发明涉及一种梁式弹性体传感器，属于电子衡器技术的精密计量领域，具体是指一种微力测量及微位移放大传感器。
背景技术
力的检测与加载是力学测量中最重要的问题之一。随着制造工艺的集成化程度越来越高，就要求在结构中达到微小位移操作，由于在实际过程中很难进行控制，所以在实际应用中需要测量两种结构之间的相互作用力，才能够把握工件之间紧密的结合程度，达到制造工艺要求。
现有的制造测量只是对微力进行测量，选择的材料往往只是一味的要求应变量很大，而忽略对产生受力点位移的限制，往往会在一些实际操作中出现较大位移而导致工件之间出现挤压，甚至出现工件之间切合度很差的情况，例如专利CN200710011275.5，压电薄膜悬臂梁式微力传感器的微力加载装置，施力位于刚性体的远端，检测位于刚性体的近段，从而出现刚性体出现较大位移而导致工件之间挤压，为了有效的克服了这些，使得在达到应变程度很大的情况下，施力点位移很小，避免了工件之间的相互挤压，有效地提高了测量的准确度、精确度，是现在面临的问题之一。
发明内容
针对上述提到的微小力测量问题，本发明的目的是提供一种可调节、高灵敏的受力点产生微位移同时测量微小力传感器的结构。
本发明的原理在于：1.放大位移量，形变量，具有位移量与形变量重合的特点；2.限位，限变形变量。当在施力部分施加微小外力时，外界作用力传递到弹性薄片上，并使梁产生弯曲，应变片检测到电阻变化，然后通过桥式电路测出电压信号，完成外界接触力的测力。
本发明具有设计简单，施力点位移小，应变部分应变大，同时力过载时可以起到限位等优点。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是图1主视图。
图3是图1侧视图。
图4是本发明的第二种结构示意图。
图5是本发明的第三种结构示意图。
图6是全桥式电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图1至3，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本发明包括固定结构1、应变结构2、施力结构3，还包括设置在应变结构2下方的过载保护结构4，过载保护结构由限位杆41与支撑刚性体42构成；在施力点31施加微力时产生最大位移最下方，设置一根限位杆41，限位杆41根据位移放大情况，调整两者间的间隙。当施力部分3中施力点31受到力作用时，主弹性薄片22中应变片6电阻变化，使施力结构3中水平刚性体32发生向下位移，因此通过过载间隙进行过载保护。限位杆41处于主弹性薄片22与水平刚性体32的结合处，因为在此处位移是整个衡量位移最大处，过载保护结构4可以避免因误操作导致应变结构2造成损坏。
所述固定结构1包括刚性体基座11，以及竖直刚性体12；
所述应变结构2包括辅助弹性薄片21，以及设置有应变片6的主弹性薄片22，所述主弹性薄片22的一端与施力结构3通过安装孔7固定，另一端通过预紧力与过载保护结构4预接触，辅助弹性薄片21的两端分别与竖直刚性体12和施力结构3通过安装孔7固定；本例中应变结构2中辅助弹性薄片21，可以把等厚的弹性体中间部分开槽成圆形(参见附图4、5)、椭圆形、正方形等结构，把安装孔7设置成双圆大小结构。本发明应变结构2中的主弹性薄片22，为贴应变片6的薄片结构，为增加应变可以使其中间悬空结构设置成圆形、椭圆形等结构，安装孔7也设置成双圆大小不等结构，方便其安装。
所述施力结构3包括施力点31，以及起位移放大作用的水平刚性体32。
水平刚性体32与主弹性薄片22构成悬臂梁结构，同时通过预紧力保持主弹性薄片22与支撑刚性体42预接触。
所述的过载保护结构4固定在刚性体基座11上，调整过载保护结构4与主弹性薄片22间的间隙保持在0.1mm至0.5mm。根据具体的位移放大情况，以防其因为误操作造成传感器以及工件的损坏。
所述竖直刚性体12与施力结构3，通过辅助弹性薄片21桥接。
主弹性薄片22上贴有应变片6，所述应变片6构成惠更斯桥式电路。本例中应变结构2中主弹性薄片22上的应变片6为半导体电阻应变片，该应变片6位于主弹性薄片22的薄壁处，当弹性体受到外力而产生变形时，使粘贴在弹性体上的应变片6同时变形，引起应变片6阻值的变化，通过电路将力信号转变成对应的电信号输出。
主弹性薄片22的厚度为辅助弹性薄片21厚度的1/10至1/5倍，主弹性薄片22长度是辅助弹性薄片21的5至10倍。主弹性薄片22作用是使最大应变集中在其结构上，易于贴应变片6，检测应力的大小；辅助弹性薄片21是使应变更易发生，主梁可以等效于刚性梁，同时可以控制施力点位移不宜过大。
保证主弹性薄片22厚度是辅助弹性体1/10至1/5时，当辅助弹性薄片21厚度增加时，同样的施加力，主弹性薄片22的变形量减小、最大位移量减少率大于施力点位移减少率，因此位移放大倍数减少；厚度减少则相反。
保证主弹性薄片22槽宽是辅助弹性薄片21的5至10倍时，当辅助弹性薄片21宽度增加时，同样的施加力，主弹性薄片22的变形量会增加、最大位移变化量增加率大于施力点位移增加率，因此位移放大倍数增加；宽度减少则相反。
当施力点31离辅助弹性薄片21的距离近时，在检测范围内，同样的微力，主弹性薄片22形变量减少，施力点位移减小，位移放大倍数增加，更易于对微小力产生微小位移的检测；而当施力点31靠近主弹性薄片22时，当最大施力5N施加时，施力点的位移更靠近最大位移处，会直接超过30μm微位移的测量范围，位移放大倍数明显减少。
水平刚形体32长度增加时，当施加同样的力情况下，应变量变化增加，施力点位移增加率小于最大位移增加率，位移放大倍数增加；水平刚形体32长度减少时，当施加同样力时，应变减少，施力点31位移减少率大于最大位移减少率，位移放大倍数减少。
本发明包括以下操作步骤：
步骤A、将传感器固定在刚性基底上；
步骤B、在施力结构3处施加载荷；
步骤C、通过在主弹性薄片22上的四片应变片6的变化情况来检测微力、微位移；
步骤D、利用步骤B、C计算所施加的应力、位移的大小，
通过四片应变片6电阻的变化来求电压变化值的大小：
电桥四臂接入四片应变片6，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上；其中，R1＝R2＝R3＝R4＝R，ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4＝ΔR，其中R1，R2，R3，R4分别是全桥电路4片应变片的电阻，ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4分别为它们受力后的电阻变化值；U0为电压变化值，E0为与KU相关的系统系数，KU为电桥电压灵敏度；
当辅助弹性薄片21很薄且与竖直刚性体12距离非常短，在微小力的作用下，其位移量较小，因此在理论分析中忽略其位移变化，将其近似考虑成一固定轴；其次，由于水平刚性体32相对于主、辅助弹薄片21、22较厚，相对形变较小，近似看作刚性体；然后，由于主弹性薄片22很薄，且水平刚性体32发生形变小，因此在分析过程中可以把主弹性薄片22不作考虑；在理论分析时，把受力面考虑成一作用点。
设施力点31的中心距离竖直刚性体12的距离为L1，最大位移点距离竖直刚性体12的距离为L2，施力点力为F1，最大应变处力大小为F2，Δs为最大位移量，Δy为施力点位移量；
通过电阻变化可以计算出施力点的力F1的大小，可得施力点位移与最大位移量之间的关系为公式(a)：
设b为主弹性薄片22宽度，h为主弹性薄片22厚度，l为主弹性薄片22上应变片6中心至支撑刚性体42的长度，使产生微小位移的力等效为F2，E为弹性模量，则最大位移变化量为公式(b)：
在主弹性薄片22靠近支撑刚性体42处的支撑力为F3，方向与最大应变处力F2大小相等方向相反，l′为应变片中心点到最大位移处距离，最大位移处的应变为公式(c)：
由公式(a)(b)(c)得公式(d)：
当位移与主弹性薄片22厚度不变时，应变量与主弹性薄片22长度成反比；当位移与主弹性薄片22长度不变时，应变量与主弹性薄片22厚度成正比。
所述微力为0.1至5N。所述微位移为1至30μm。
由上述应力大小公式可以看出，使用全桥电路时的优点：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。
除了基于全桥电路外，根据不同的实际需要还可以采用基于单桥电路和半桥电路来设计，其中单桥电路的线性误差随着电阻变化率增大而增大，而半桥电路则可以消除线性误差。由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，因此在测量时必须消除温度带来的误差。为了实现电阻应变片的温度补偿方法本发明采用应变片自补偿和线路补偿两种方法。
采用应变片自补偿方法：此补偿方法适用于单桥电路。在应变片工作过程中，保证R3＝R4＝R；R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R；粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同；两应变片应处于同一温度场。
采用线路补偿：此补偿方法适用于半桥电路和全桥电路。半桥电路时，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，在同一环境中，温度变化使两应变片变化情况相同，可以消除温度的影响；全桥电路时，两对应变片，两个受拉应变，两个受压应变，温度变化使两对应变片变化情况相同，可以消除温度的影响。

Claims (9)

1.一种微力及微位移放大传感器，包括固定结构(1)、应变结构(2)、施力结构(3)，其特征是，
还包括设置在应变结构(2)下方的过载保护结构(4)，过载保护结构由限位杆(41)与支撑刚性体(42)构成；
所述固定结构(1)包括刚性体基座(11)，以及竖直刚性体(12)；
所述应变结构(2)包括辅助弹性薄片(21)，以及设置有应变片(6)的主弹性薄片(22)，所述主弹性薄片(22)的一端与施力结构(3)通过安装孔(7)固定，另一端通过预紧力与过载保护结构(4)预接触，辅助弹性薄片(21)的两端分别与竖直刚性体(12)和施力结构(3)通过安装孔(7)固定；
所述施力结构(3)包括施力点(31)，以及起位移放大作用的水平刚性体(32)；
主弹性薄片(22)在施力点(31)施加微力时产生最大位移最下方，设置一根限位杆(41)，限位杆(41)根据位移放大情况，调整两者间的间隙。
2.根据权利要求1所述的一种微力及微位移放大传感器，其特征是，水平刚性体(32)与主弹性薄片(22)构成悬臂梁结构，同时通过预紧力保持主弹性薄片(22)与支撑刚性体(42)预接触。
3.根据权利要求1所述的一种微力及微位移放大传感器，其特征是，所述的过载保护结构(4)固定在刚性体基座(11)上，调整过载保护结构(4)与主弹性薄片(22)间的间隙保持在0.1mm至0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种微力及微位移放大传感器，其特征是，所述竖直刚性体(12)与施力结构(3)，通过辅助弹性薄片(21)桥接。
5.根据权利要求1所述的一种微力及微位移放大传感器，其特征是，主弹性薄片(22)上贴有应变片(6)，所述应变片(6)构成惠更斯桥式电路。
6.根据权利要求1所述的一种微力及微位移放大传感器，其特征是，主弹性薄片(22)的厚度为辅助弹性薄片(21)厚度的1/10至1/5倍，主弹性薄片(22)的长度是辅助弹性薄片(21)的5至10倍。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种微力及微位移放大传感器，其特征是，包括以下操作步骤：
步骤A、将传感器固定在刚性基底上；
步骤B、在施力结构(3)处施加载荷；
步骤C、通过在主弹性薄片(22)上的四片应变片(6)的变化情况来检测微力、微位移；
步骤D、利用步骤B、C计算所施加的应力、位移的大小，
通过四片应变片(6)电阻的变化来求电压变化值的大小：
电桥四臂接入四片应变片(6)，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上；
其中，R1＝R2＝R3＝R4＝R，ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4＝ΔR，U0为电压变化值，E0为与KU相关的系统系数，KU为电桥电压灵敏度；
设施力点(31)的中心距离竖直刚性体(12)的距离为L1，最大位移点距离竖直刚性体(12)的距离为L2，施力点力为F1，最大应变处力大小为F2，Δs为最大位移量，Δy为施力点位移量；
通过电阻变化可以计算出施力点的力F1的大小，可得施力点位移与最大位移量之间的关系为公式(a)：
设b为主弹性薄片(22)宽度，h为主弹性薄片(22)厚度，l为主弹性薄片(22)上应变片(6)中心至支撑刚性体(42)的长度，使产生微小位移的力等效为F2，E为弹性模量，则最大位移变化量为公式(b)：
在主弹性薄片靠近支撑刚性体(42)处的支撑力为F3，方向与最大应变处力F2大小相等方向相反，l′为应变片中心点到最大位移处距离，最大位移处的应变为公式(c)：
由公式(a)(b)(c)得公式(d)：
当位移与主弹性薄片(22)厚度不变时，应变量与主弹性薄片(22)长度的平方成反比；当位移与主弹性薄片(22)长度不变时，应变量与主弹性薄片(22)厚度成正比。
8.根据权利要求7所述的一种微力及微位移放大传感器，其特征是，所述微力为0.1至5N。
9.根据权利要求8所述的一种微力及微位移放大传感器，其特征是，所述微位移为1至30μm。
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