CN106017622B - 一种薄片式重量传感器 - Google Patents
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Abstract
一种薄片式重量传感器，由矩形根部和三角形的悬臂梁形成，所述三角形悬臂梁与所述矩形根部通过冲裁一体形成，所述矩形根部的高度至少为所述三角形悬臂梁的高度90％，以便于所述重量传感器的固定；所述三角形悬臂梁俯视图的为等腰三角形，其顶角为一圆弧，所述圆弧，两条斜边延长线的夹角为45°；所述三角形悬臂梁底边与所述矩形根部的一条长边重合；所述三角形悬臂梁在所述圆弧两个端点的连线中点处具有用于与秤体平台或支撑底座接触的圆形凸起，该圆形凸起经过硬化工艺处理，以使其刚度高于所述传感器的其他部位。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄片式重量传感器，特别的，涉及一种金属薄片式的人体重量传感器。
背景技术
随着人们生活水平的日益提高，与肥胖相关的疾病不断困扰着人们的生活，从而导致人们对测量体重需求的迅速增长；并且，随着人们收入的提高和科学技术的进步，家用电子体重秤的品质和价格都在不断提升，并日益普及进入到人们家居必备的行列中，特别的，这种秤的表面可设置有电极，从而通过测量人体的阻抗来计算出人体的含水量、脂肪率、骨量、BMI(Body Mass Index，身体质量指数)指数等与健康相关的指标。
但是，这类秤相较于传统的秤更厚(高度通常为25～35mm)，并且由于所使用的传感器的缘故，人们在使用这类秤时容易由于秤体的侧翻而摔倒，特别是，随着体重秤类产品的迅速普及，这类事故与日俱增，导致秤体平台侧翻现象的具体情况，如下所述。相关专利请参见CN2575627Y、CN201034707Y、CN303030525S、以及CN201034707Y。
图1示出了市面上常见的体重秤的正视图，图2为一种常见的体重秤的底视线框图。可见，位于矩形秤体平台四角处设置有四个圆形支座，所述四个圆形支座与地面接触，起到支撑秤体平台的作用；并且，为了测量使用者的体重，这四个圆形支座的顶部(底部与地面接触)分别与四个薄片式重量传感器连接，当使用者站在所述矩形秤体平台上时，所述秤体平台会将压力传递给所述四个薄片式重量传感器，这类薄片式重量传感器如图3和图4所示。
图3示出了常见的薄片式传感器，其中301为该薄片式传感器的外边框，302为电阻应变片，303为封装硅胶，304为连接电阻应变片的导线，305和306为用于使秤体平台与传感器自由端连接的孔(通常为螺孔)，从图中可见305和306距离传感器的中心较近，但距离传感器的两边缘较远，考虑到安装间隙和固定槽的距离，这样的传感器安装到秤体上之后，圆形支座距离秤体平台中心的距离过大，容易导致秤体平台在使用过程中的侧翻。
由图4可见，该矩形薄片式重量传感器由金属基片400和镂空部401形成，C形悬臂梁由悬臂梁根部402、悬臂梁中部403、以及悬臂梁前部404构成，其中悬臂梁前部404为自由端，该自由端用于感测秤体平台的压力，从图4中可以看出，悬臂梁前部404也位于整个传感器的中部，距离传感器的边缘具有至少10mm的距离，加上传感器卡槽和秤体壁的厚度，导致用于支撑秤体平台的圆形支座距离秤体平台边缘的总距离超过25mm，从而容易导致秤体平台在使用过程中容易侧翻。
所述薄片式重量传感器实质上为悬臂梁架构，当悬臂梁自由端受到秤体平台和地面所产生的压力时会产生形变，所述悬臂梁的根部靠近固定端的部位设置有用于测试应变大小的应变片(通常为压电应变片或电阻应变片)，从而通过测量悬臂梁的形变来测量秤体平台所受到的压力，即人体重量。由于现有的薄片式传感器的悬臂梁自由端距离传感器边缘通常具有约20～20mm的距离，再加上用于固定所述薄片式重量传感器卡槽或外壳的厚度等影响因素，导致所述重量传感器安装在秤体上之后，所述薄片式传感器的悬臂梁自由端距离秤体边缘的距离D1/D2通常为25～40mm。
由于这类体重秤的长度和宽度通常为250～350mm，厚度通常为25～35mm，并且使用者一般会一只脚先站在秤体平台上，例如右脚先站在秤体平台的右端，然后再将左脚置于秤体平台上；并且，在下秤时，使用者也是现将一只脚放在地上。由于当使用者的一直脚站在秤体平台上时，其重心的投影位于秤体平台之外，从而由其体重向秤体平台施加一扭矩，所述扭矩的中心线即为右侧上下两个圆形支座的右侧边缘的连线或者，所述扭矩的中心线即为左侧上下两个圆形支座的左侧边缘的连线。
通常，当使用者的体重对秤体平台所施加的扭矩大于秤体另一侧重量所施加的扭矩时，当使用者上秤或者下秤时，秤体平台就会出现侧翻现象，秤体平台的侧翻极易导致使用者摔倒，特别是对中老年人或身体平衡感不好的人而言，甚至有可能威胁到使用者的生命安全。
换言之，市面上常见的体重秤和/或体脂秤容易发生侧翻的原因是根本性的，即是由传感器本身的固有结构、以及由传感器结构所导致的秤体卡槽结构两方面原因所造成的，因此若想彻底解决秤体侧翻的问题，最好从重量传感器入手，同时配以特殊的秤体平台的内部结构。
实践中，可以通过加大秤体平台表面积、或者将秤体平台做的更薄等措施来克服秤体平台侧翻的问题，但扩大秤体面积会导致成本上升并且导致秤的总量过大，而考虑到电池卡槽等结构性因素，秤体的厚度一般不会小于28mm，因此，目前，秤体平台侧翻的问题还没有得到有效的解决，导致相关事故频发。特别是在体重秤日益小型化的趋势下，这类投诉和纠纷与日俱增，详情可见京东网的相关产品的售后评价。例如，对于“朗康-超精度50g精准电子秤体重秤”，其售后评价就出现了：“这个体重秤太小了，占上去人都快摔倒了”这样的反馈。
发明内容
本发明旨在解决小尺寸体重秤容易侧翻的问题，为此，提出了一种基于变截面悬臂梁的重量传感器。
一种薄片式重量传感器，由矩形根部和三角形的悬臂梁形成，所述三角形悬臂梁与所述矩形根部通过冲裁一体形成，
其特征在于，
所述矩形根部的高度至少为所述三角形悬臂梁的高度90％，以便于所述重量传感器的固定；
所述三角形悬臂梁俯视图的为等腰三角形，其顶角为一圆弧，所述圆弧，两条斜边延长线的夹角为45°；
所述三角形悬臂梁底边与所述矩形根部的一条长边重合；
所述三角形悬臂梁在所述圆弧两个端点的连线中点处具有用于与秤体平台或支撑底座接触的圆形凸起，该圆形凸起经过硬化工艺处理，以使其刚度高于所述传感器的其他部位；
并且，在所述三角形悬臂梁底部设置有两个形状相同且沿三角形悬臂梁底边中线对称的矩形区域，所述两个矩形区域由冲压、刻蚀或喷涂方法形成。
附图说明
图1示出了市面上一种常见的体重秤的正视示意图；
图2为另一种常见的体重秤的底视示意图，尽管外形与图1有所区别，但图1和图2实际上只是为了反映出常见体重秤四个传感器在矩形秤体平台的位置和分布情况；
图3示出了常见的薄片式传感器，其中301为该薄片式传感器的外边框，302为电阻应变片，303为封装硅胶，304为连接电阻应变片的导线，305和306为用于使秤体平台与传感器自由端连接的孔(通常为螺孔)，从图中可见305和306距离传感器的中心较近；
图4为另一种常见的薄片式重量传感器，从该图中可见，位于矩形中心的圆形凸起距离矩形边缘有一定距离，且无论如何安装该重量传感器，都无法使得该距离缩短，所述圆形凸起用于与秤体平台或者支撑底座刚性接触，从而将使用者与地面之间的作用力传导至该重量传感器；
图5为根据本发明的重量传感器，其又三角形悬臂梁和矩形根部一体化形成。
具体实施方式
根据本发明的重量传感器如图5所示，整个传感器呈薄片状，由矩形根部502和前端的三角形悬臂梁500形成，在图5中，为了更加清楚的进行示出根据本发明的重量传感器的构成，所述矩形根部502和所述三角形悬臂梁500由中心线2划分，需要说明的是，根据本发明的传感器由金属片冲裁而整体成型。
根据本发明的重量传感器在所述三角形悬臂梁500的前端靠近边缘处设置于圆形凸起501，该圆形凸起501用于与支撑秤体平台的支座接触或者与秤体平台接触，以测量站在秤体平台上的使用者的重量，特别的，所述圆形凸起501具有较好的刚性，从而保证与其他部件接触的刚性满足称量的精度要求，为了使该凸起501具有足够的刚性，可对该凸起501进行淬火等处理。
如图5所示，为了便于通过粘贴等方式将连接有导线的应变片固定在所述重量传感器的表面，可在重量传感器的所述三角形悬臂梁500接近所述矩形根部502附近的区域设置粘贴区503和/或504；如果只设置一个粘贴区，则所述粘贴区位于中心线1处，并且沿中心线1对称；如果设置两个粘贴区503、504，则这两个粘贴区应关于中心线1对称，并且这两个粘贴区的大小和形状应该相同。此外，所述粘贴区靠近所述矩形根部502的边缘应位于所述三角形悬臂梁500的区域内，或者位于矩形根部502与三角形悬臂梁500的交界处，而不应该超过他们的交界线而位于所述矩形根部502内。
所述粘贴区503、504可通过刻蚀、冲压、喷涂等方式形成，只要能够在装配中保证应变片和封装硅胶的适当定位即可。
鉴于根据本发明的传感器主要用于人体秤，因此单个传感器的量程一般不超过30～50KG，最小分度值为0.05或0.1KG，因此根据本发明的传感器可设置成以下规格：
根据本发明的优选实施例，所述矩形根部502的长度与三角形悬臂梁的底边长度相同，均为30mm，矩形根部的高度(即宽度)为10～15mm，所述三角形悬臂梁的高度为13cm，所述三角形悬臂梁500的两条斜边之间的夹角为45度，所述圆形凸起501的中心距矩形根部502和三角形悬臂梁500交界处13.5mm。根据本发明的薄片式重量传感器的厚度均匀且一致，其厚度可以为3.7mm～3.9mm，优选为3.8mm，加工精度为0.1mm。
优选地，根据本发明的优选实施例，所述矩形根部502的长度与三角形悬臂梁的底边长度相同，均为20mm，矩形根部的高度(即宽度)为10～15mm，所述三角形悬臂梁的高度为10～15mm。
在材料方面，根据本发明的传感器可由弹簧钢板冲裁而制成，所述弹簧钢中碳的含量为0.62％～0.90％(按重量计)，并且，用于冲裁所述传感器的弹簧钢中锰的含量为0.50％～0.80％，或者，锰含量为0.90～1.20％，特别优选的，可采用60SiMnA弹簧钢作为制造根据本发明的传感器的材料。
在上述优选实施例中所述采用的设计结构和形状参数，并采用60SiMnA弹簧钢制成的传感器具有优良的弹性：该传感器的非线性为0.2％F.S，重复性为0.1％F.S，蠕变为0.1％F.S/3min，此外，由该材料制成的根据本发明的传感器具有优异的温度特性，可以在-10摄氏度到+60摄氏度的环境中使用。
根据本发明的另一优选实施例，可以在矩形根部502处沿中心线1对称地设置2个通孔(图中未示出)，也可以设置4个、6个、或者8个瞳孔用于将所述矩形根部502固定于秤体平台；或者，可以直接将所述矩形根部502插入秤体平台内的定位卡槽(图中未示出)中，以将所述矩形根部502固定于秤体平台，即，将根据本发明的传感器固定于秤体平台内或秤体平台中，其中，通过通孔固定或通过秤体平台内的定位卡槽固定的方式都可以借助粘结剂来增强固定效果。
根据本发明的另一个优选实施例，如上所述，秤体平台中设置有与所述矩形根部502尺寸对应的定位卡槽，可通过将所述矩形根部502插入定位卡槽的方式来将根据本发明的传感器固定地设置于所述秤体平台内或秤体平台中，特别地，可以在将根据本发明的传感器的矩形根部502插入所述定位卡槽内之前将其进行降温处理，使其温度接近于0摄氏度或使其温度低于室温10摄氏度，并且，同时对秤体平台的定位卡槽进行加温处理，使得其温度比根据本发明的传感器的矩形根部502的温度高出5～20摄氏度，尽管所述矩形根部502和所述定位卡槽具有相同的尺寸和加工误差，但由于热障冷缩的缘故，经过降温和加温处理后，所述矩形根部502的尺寸比所述定位卡槽的尺寸小2％，此时可将所述矩形根部502插入所述定位卡槽，等到他们两者的温度都自然恢复到室温时，所述矩形根部502便牢固地固定在所述定位卡槽中了。
或者，根据本发明的薄片式重量传感器的矩形根部的高度优选大于或等于三角形悬臂梁的高度的40％，以便所述重量传感器能够适当的固定于秤体平台中，特别优选地，根据本发明的薄片式重量传感器的矩形根部的高度优选大于或等于三角形悬臂梁的高度的90％。
需要特别指出的是，上述部件、装置及器件的标号和名称仅为示例性地表达本发明的具体实施方式，在实际制造和使用过程中，本发明中部件或单元的数量和作用也不应受到本发明中实施例的限制，只要其作用和功效能够满足测量人体电压信号的要求即符合本发明的主旨和技术范围。
此外，所用的术语“片”、“部”、“槽”指的是包括或不包括局部切口、槽和突起的任何类似平板的壳体、板、盖等，可包括或不包括肋，可包括槽或不包括槽，但在实际制造和使用过程中，所述金属片也可以构造成类似于圆形的形状或圆环等其他形状，换言之，本发明所述平台的形状不应受到说明书中实施例的限制。
Claims (8)
1.一种薄片式重量传感器，由矩形根部和三角形的悬臂梁形成，所述三角形悬臂梁与所述矩形根部通过冲裁一体形成，其特征在于，
所述矩形根部的高度至少为所述三角形悬臂梁的高度90％，以便于所述重量传感器的固定；
所述三角形悬臂梁俯视图的为等腰三角形，其顶角为一圆弧，所述圆弧连接的斜边与底边夹角均为45°；
所述三角形悬臂梁底边与所述矩形根部的一条长边重合；
所述三角形悬臂梁在所述圆弧两个端点的连线中点处具有用于与秤体平台或支撑底座接触的圆形凸起，该圆形凸起经过硬化工艺处理，以使其刚度高于所述传感器的其他部位；
并且，在所述三角形悬臂梁接近矩形根部处设置两个粘贴区，所述两个粘贴区上设有与导线连接的应变片，两个粘贴区关于三角形悬臂梁的底边中心线对称且形状和大小相同，两个粘贴区通过刻蚀、冲压、喷涂方式形成。
2.如权利要求1所述的薄片式重量传感器，其特征在于，所述矩形根部的长度与三角形悬臂梁的底边长度相同，均为20mm。
3.如权利要求1所述的薄片式重量传感器，其特征在于，所述矩形根部的高度为10～15mm。
4.如权利要求1所述的薄片式重量传感器，其特征在于，所述三角形悬臂梁的高度为10～15mm。
5.如权利要求1所述的薄片式重量传感器，其特征在于，该传感器由弹簧钢制成，按重量计算，所述弹簧钢中碳的含量为0.62％～0.90％。
6.如权利要求5所述的薄片式重量传感器，其特征在于，按重量计算，用于冲裁所述传感器的弹簧钢中锰的含量为0.50％～0.80％，或者，锰含量为0.90～1.20％。
7.如权利要求5所述的薄片式重量传感器，其特征在于，该传感器由60SiMnA弹簧钢制成。
8.如权利要求1所述的薄片式重量传感器，其特征在于，在所述重量传感器矩形根部处沿中心线对称地设置2个或4个用于固定所述重量传感器的通孔。
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