CN106768538A - 薄膜应变式扭矩传感器 - Google Patents

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雷卫武
曾朋辉
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Abstract

本发明公开了一种薄膜应变式扭矩传感器，包括转接上法兰，转接下法兰，固接在所述转接上下法兰之间的扭柱组成，其特征在于：所述扭柱是左右侧面分别加工有弧形凹槽、上下部分别加工有三角孔、一侧平面上采用溅射薄膜技术制造有包含四个应变敏感电阻的四个薄膜敏感元件的金属柱。将所述四个应变敏感电阻组成惠斯通电桥电路，当所述转接上下法兰扭动时，惠斯通电桥电路失出平衡，通过测量所述惠斯通电桥电路的输出信号可得到相应的扭矩值大小。由于采用了溅射薄膜技术，将应变敏感元件直接制作在弹性轴上，传感器的迟滞误差、重复性误差、温度漂移误差大大减小，传感器测量精度得到提高。传感器结构简单、加工容易。

Description

薄膜应变式扭矩传感器
技术领域
本发明涉及一种扭矩传感器，尤其涉及一种采用溅射薄膜技术制造应变敏感元件的薄膜应变式扭矩传感器。
背景技术
在机械传动系统中，扭矩是反映系统性能的重要参数之一。扭矩测量在航空航天、军工装备、工程机械、船舶、钻井、交通、冶金、发电、矿山设备等许多行业或领域得到了广泛的应用。扭矩测量方法有多种，其中传统的应变式测量方法应用非常广泛。应变式扭矩传感器是将金属应变片粘贴在弹性轴上组成应变桥，当弹性轴受扭矩变形后引起电桥电阻值变化，通过测量电阻值变化得到相应扭矩值的大小。
现有的应变式扭矩传感器是使用有机胶将应变片粘贴在弹性体上，这种制造方法使传感器的综合性能受如下因素影响，这些影响因素有：弹性体粘贴表面清洁度、粘贴胶的性能、粘贴胶的厚度及均匀性、粘贴位置及其一致性等，另外，粘贴胶受环境温度、湿度以及长时间工作等因素影响也会导致传感器性能发生变化。这些影响主要导致传感器的迟滞误差、重复性误差、温度漂移误差变大，从而降低传感器的测量精度。同时由于有机胶的存在，传感器工作环境受到一定的限制。同时传统的粘贴应变式扭矩传感器结构较复杂，加工也不容易，产品生产效率低，成本高。
因此，开发一种测量精度高、工作稳定性好、结构简单、加工容易、能适用更加严苛环境的高性能扭矩传感器极其重要。
采用溅射薄膜技术，在弹性轴上直接制造薄膜敏感元件的薄膜应变式扭矩传感器能解决上述存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜应变式扭矩传感器，针对现有技术的不足，解决传统应变式扭矩传感器迟滞误差、重复性误差、温度漂移误差大，测量精度低、不适应恶劣环境工作等问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种薄膜应变式扭矩传感器，包括转接上法兰，转接下法兰，固接在所述转接上法兰与转接下法兰之间的扭柱组成，其特征在于：所述扭柱是左右侧面分别加工有弧形凹槽、上下部分别加工有三角孔、一侧平面上采用溅射薄膜技术制造有包含四个应变敏感电阻的四个薄膜敏感元件的金属柱；将所述四个应变敏感电阻组成惠斯通电桥电路，当所述转接上法兰与转接下法兰扭动时，所述扭柱受到扭力作用并传递到所述应变敏感电阻，所述应变敏感电阻阻值发生变化，惠斯通电桥电路失出平衡，通过测量所述惠斯通电桥电路的输出信号可得到相应的扭矩值大小。
所述薄膜敏感元件由绝缘层、应变敏感电阻、焊盘、保护层组成。
所述应变敏感电阻由镍(Ni)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)四种元素组成，原子百分比是42％≤Ni≤47％，40％≤Cr≤47％，8.6％≤Mn≤11％，2.9％≤Mo≤4.9％。
所述扭柱的上部左右二个薄膜敏感元件的图形是镜像对称分布的，上部二个薄膜敏感元件与下部二个薄膜敏感元件的图形是镜像对称分布的。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：由于采用了溅射薄膜技术，将应变敏感元件直接制作在弹性轴上，克服了胶粘应变片带来的缺点，传感器的迟滞误差、重复性误差、温度漂移误差大大减小，传感器测量精度得到提高。同时传感器结构简单，加工容易。
另外，由于制作过程中不使用有机胶，传感器的耐温和长时间稳定工作性能更好，能在更加严苛的环境中长期使用。
附图说明
图1为本发明的薄膜应变式扭矩传感器结构示意图。
图2为本发明的薄膜应变式扭矩传感器的薄膜敏感元件形状图。
图3为本发明的薄膜应变式扭矩传感器的薄膜敏感元件在扭柱上的剖视图(图中薄膜敏感元件部分比例放大)。
图中，1-转接上法兰； 2-转接下法兰；
3-扭柱； 4-薄膜敏感元件；
5-通孔； 31-弧形凹槽；
32-三角孔； 41-绝缘层；
42-应变敏感电阻； 43-焊盘；
44-保护层。
具体实施方式
如图1、2、3所示，本发明的薄膜应变式扭矩传感器，包括转接上法兰1，转接下法兰2，固接在所述转接上法兰1与转接下法兰2之间的扭柱3组成。
所述扭柱3是一种金属材料加工而成的扁形柱。为了增加传感器的灵敏度，所述扭柱3的左右侧面分别加工有弧形凹槽31，上下部分别加工有三角孔32。弧形凹槽31和三角孔32的大小因传感器的量程大小而定。
所述扭柱3的一个平面上采用溅射薄膜技术制造四个薄膜敏感元件4。制造方法是将扭柱3的需要制造薄膜敏感元件4的平行表面研磨抛光，采用溅射薄膜技术在表面上依次制备多层薄膜，通过光刻技术，形成绝缘层41、应变敏感电阻42、焊盘43、保护层44。所述应变敏感电阻42是镍(Ni)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)四种元素组成，原子百分比是42％≤Ni≤47％，40％≤Cr≤47％，8.6％≤Mn≤11％，2.9％≤Mo≤4.9％。
所述扭柱3的上部左右二个薄膜敏感元件4的图形是镜像对称分布的，上部二个薄膜敏感元件4与下部二个薄膜敏感元件4的图形是镜像对称分布的。
所述转接上法兰1和转接下法兰2分别连接电机轴和负载。所述转接上法兰1和转接下法兰2的大小、形状可根据实际情况进行调整变化。所述转接上法兰1和转接下法兰2上均开有多个通孔5，可以通过线缆。
将所述扭柱3上的四个应变敏感电阻42组成惠斯通电桥电路，当所述转接上法兰1与转接下法兰2扭动时，所述扭柱3受到扭力作用并传递到所述应变敏感电阻42，所述应变敏感电阻42阻值发生变化，惠斯通电桥电路失出平衡，输出与扭矩大小成比例的电信号，该电信号利用现有公知技术向外输出。
本发明利用溅射薄膜技术，将敏感元件直接制备在弹性轴上，组成惠斯通电桥电路。克服了现有弹性轴上粘贴应变片的传统技术的缺点，使得传感器的迟滞误差、重复性误差、温度漂移误差大大减小，传感器测量精度得到提高。另外，由于制作过程中不使用有机胶，传感器的耐温和长时间稳定工作性能更好，能在更加严苛的环境中长期使用。同时所述扭柱3加工有弧形凹槽31和三角孔32，可有效提高传感器的灵敏度。这种制造方法结构简单、加工容易，生产效率高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，不应被视为对本发明范围的限制，而且本发明所主张的权利要求范围并不局限于此，凡熟悉此领域技艺的人士，依照本发明所披露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种薄膜应变式扭矩传感器，包括转接上法兰(1)，转接下法兰(2)，固接在所述转接上法兰(1)与转接下法兰(2)之间的扭柱(3)组成，其特征在于：所述扭柱(3)是左右侧面分别加工有弧形凹槽(31)、上下部分别加工有三角孔(32)、一侧平面上采用溅射薄膜技术制造有包含四个应变敏感电阻(42)的四个薄膜敏感元件(4)的金属柱；将所述四个应变敏感电阻(42)组成惠斯通电桥电路，当所述转接上法兰(1)与转接下法兰(2)扭动时，所述扭柱(3)受到扭力作用并传递到所述应变敏感电阻(42)，所述应变敏感电阻(42)阻值发生变化，惠斯通电桥电路失出平衡，通过测量所述惠斯通电桥电路的输出信号可得到相应的扭矩值大小。
2.如权利要求1所述的薄膜应变式扭矩传感器，其特征在于：所述薄膜敏感元件(4)由绝缘层(41)、应变敏感电阻(42)、焊盘(43)、保护层(44)组成。
3.如权利要求1、2所述的薄膜应变式扭矩传感器，其特征在于：所述应变敏感电阻(42)由镍(Ni)、铬(Cr)、锰(Mn)、钼(Mo)四种元素组成，原子百分比是42％≤Ni≤47％，40％≤Cr≤47％，8.6％≤Mn≤11％，2.9％≤Mo≤4.9％。
4.如权利要求1、2所述的薄膜应变式扭矩传感器，其特征在于：所述扭柱(3)的上部左右二个薄膜敏感元件(4)的图形是镜像对称分布的，上部二个薄膜敏感元件(4)与下部二个薄膜敏感元件(4)的图形是镜像对称分布的。
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