CN106932126B - 一种力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种谐振式力传感器，包括薄片式基体。基体包括自由端和固定端，在基体内开有通孔，通孔包括靠近固定端的第一部分和靠近自由端的第二部分。通孔的第一部分和第二部分具有不相等的长度和宽度。该谐振式力传感器还包括沿着从自由端到固定端的方向延伸并固定在通孔内的振弦。振弦被预张紧。该谐振式力传感器还包括用于使振弦产生振动的激励器，以及用于检测振弦振动的检测器。

Description

一种力传感器

技术领域

本发明涉及一种力传感器，尤其是基于谐振检测原理的力传感器。

背景技术

力传感器是在工业领域中得到非常广泛的一种传感器。它的种类繁多，常见的包括电阻应变式力传感器、电容式力传感器、压电式力传感器、谐振式力传感器，等等。

电阻应变片力传感器使用电阻应变片，它是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。通常来说，可将电阻应变片通过粘合剂粘合在产生力学应变的基体上。当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变。这样，应变片的阻值会发生改变，从而使得施加在电阻上的电压发生变化。通过测量该电压变化，便可得到施加在基体上的力值。在实践中，通常将多个这种应变片组成应变电桥来使用。这导致电阻应变片力传感器的结构复杂，其测量精度也不太理想。电阻应变片受温度影响，漂移较大，而且应变片采用粘合剂粘结工艺，长期稳定性不高。

电容式力传感器使用平板电容来实现力敏感结构微位移的检测。其优点是，利用电容进行非接触检测，不存在粘合剂的长期稳定性影响。而缺点在于，电容容易受到外界环境电磁场的影响，难以实现高精度测量。

压电式力传感器采用压电晶体来实现力敏感结构微小交变位移的检测。其优点是灵敏度高，缺点是只对动态交变力敏感而不能对静态力敏感。

基于谐振式检测的力传感器是将力敏感结构产生的微位移或者应变转换为谐振单元的频率变化，通过频率变化计算力的大小。常见的谐振单元有谐振梁、谐振弦。优点是该传感器输出信号为频率信号，准数字量，易于检测，精度高，稳定性好。缺点是结构稍复杂，需要进行材料的温度补偿。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于谐振检测原理的力传感器。本发明的另一个目的在于提供一种差动谐振弦式的检测结构，实现被测力的差动检测。

根据本发明，提供了一种谐振式力传感器，包括薄片式基体。该基体包括自由端和固定端，在所述基体内开有通孔，所述通孔包括靠近所述固定端的第一部分和靠近所述自由端的第二部分。所述通孔的第一部分和第二部分具有不相等的长度和宽度。该谐振式力传感器还包括沿着从自由端到固定端的方向延伸并固定在所述通孔内的振弦，所述振弦被预张紧。该谐振式力传感器还包括用于使所述振弦产生振动的激励器，以及用于检测所述振弦的振动的检测器。

在一个实施例中，所述通孔的第一部分的宽度大于所述第二部分的宽度，和/或所述通孔的第一部分的长度小于所述第二部分的长度。在一个优选的实施例中，所述通孔的第一部分构造成圆形孔，所述通孔的第二部分构造成直径槽段，并且所述第一部分和第二部分之间光滑连接。在另一个优选的实施例中，所述基体的固定端通过弹性件固定，所述通孔的第一部分构造为在所述基体的固定端处敞开的开口直线槽段，所述第二部分构造为圆形孔。在一个特定的实施例中，所述通孔的第一部分的宽度小于所述第二部分的宽度，和/或所述通孔的第一部分的长度大于所述第二部分的长度。

在一个实施例中，在所述通孔内设置有两根振弦，它们分别与所述薄片式基体的上、下表面平齐，并且具有相同的固有频率。在一个优选的实施例中，所述两根振弦相互平行，并且沿着所述基体的纵向中心线延伸。在另一个优选的实施例中，所述两根振弦分别沿着相对于所述基体的纵向中心线成正、负等角的方向延伸，角度范围在0～45度。

在一个实施例中，所述激励器和检测器构造成一体，包括设置在振弦中间位置处的磁性件，以及布置在形成于所述通孔的侧面的凹槽内且与所述磁性件位置相对应的线圈。这样，所述线圈在脉冲信号作用下产生瞬时力，然后由所述线圈检测磁性件在所述线圈中产生的耦合衰减电信号，进而能够检测振弦的振动频率。

根据本发明的谐振式力传感器具有结构简单、测量精度高等优点。尤其是，通过设置两根振弦，能够以差动的方式进行测量，提高系统检测的灵敏度和精度。同时，通过将两根振弦布置成相互间形成一定的角度，还可以实现对扭矩的测量。另外，根据本发明的谐振式力传感器还能够仅仅采用一个磁钢和线圈来进行激励和检测，进一步简化了结构。

附图说明

下面将通过在附图中示意性显示的优选实施例来对本发明进行说明。在图中：

图1显示了根据本发明的第一个实施例的谐振式力传感器的示意性平面图；

图2显示了图1所示的根据本发明的第一个实施例的谐振式力传感器的示意性侧视图；

图3显示了根据本发明的第二实施例的谐振式力传感器的示意性平面图；

图4显示了根据本发明的第三实施例的谐振式力传感器的示意性侧视图；

图5显示了图4所示的根据本发明的第三实施例的谐振式力传感器的示意性平面图；

图6显示了利用同一个线圈施加在图4所示的谐振式力传感器上的脉冲信号与检测波形；

图7显示了根据本发明的第四实施例的谐振式力传感器的示意性平面图。

在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。附图均为示意性示出，未按比例绘制，用于帮助理解本发明。

具体实施方式

下面结合附图来详细地介绍本发明。

图1和2分别显示了根据本发明的第一实施例的谐振式力传感器100的示意性平面图和侧视图。

如图1和2所示，根据本发明的第一实施例的谐振式力传感器100包括基体10，其例如为矩形的薄片。基体10的一端为固定端11，另一端为自由端12。待测量的外力F(见图2)即施加于谐振式力传感器100的基体10的自由端12处。基体10通常可由弹性恢复性能良好的材料制成。在一个优选的实施例中，基体10可由3J53恒弹合金制成。

在谐振式力传感器100的基体10中开有通孔20。在本发明的范畴内，用语“通孔”指的是在基体10的厚度方向(即图2中的垂直方向)上贯通的开孔。在图1所示的实施例中，通孔20包括两个部分，即靠近基体1的固定端11的第一部分21和靠近基体10的自由端12的第二部分22。根据本发明，通孔20的第一部分21和第二部分22构造成具有不同的长度和宽度。在本发明的范畴内，用语“通孔的长度和宽度”分别指通孔沿基体10的纵向和横向的尺寸。在该实施例中，通孔20的第一部分21构造成比第二部分22具有更大的宽度，但具有更小的长度。这种结构能够导致谐振式力传感器100的基体10在靠近固定端的部分允许较大的变形量，以提高测量精度。

在图1所示的特定实施例中，通孔20的第一部分21构造成圆形通孔，而第二部分22构造成直线形通槽，二者光滑连接。这种设计能够方便基体10的制造，降低制造成本。

根据本发明的第一实施例，在通孔20内设置有从第一部分21至第二部分22贯穿式延伸的振弦30。也就是说，振弦30的一端固定在通孔20的第一部分21的端部处，而另一端固定在通孔20的第二部分22的端部处。振弦30处于预张紧状态。在一个未示出的实施例中，振弦30的一端连接在一个弹簧上，借助于弹簧再与通孔20的第一部分21的端部相连。

根据本发明的谐振式力传感器100还包括激励器40。激励器40优选地设置在振弦30的中间位置处。在图1所示的实施例中，激励器40构造成包括套在振弦30上的软铁或磁铁41，以及布置在通孔20的一侧的线圈42。在图示实施例中，在通孔20的第二部分22的一侧在与软铁或磁铁41相对应的位置处开有凹槽，线圈42便布置在该凹槽内。当然，激励器40也可以采用其它的形式，其具体结构可以由本领域的技术人员根据实际需要来自由地选择。

当有力F作用在谐振式力传感器100的基体10的自由端12处时，向线圈42施加正弦连续电压或脉冲电压，从而能够以连续的方式或间歇的方式产生激励。由此，软铁或磁铁41在电磁场的作用下发生振动，带动振弦30也产生振动。这一振动可采用光电检测元件或磁电检测元件来测量。检测元件可布置在振弦30的任何纵向位置处。通过测量振弦30的振动频率，便可计算得到力F的大小。这些检测元件和利用振动频率来计算力F的公式是众所周知的，在此不再详述。

此外，在该谐振式力传感器100还可设置常规的放大器等器件，这些都是本领域所熟知的，在此不再详述。

根据本发明的谐振式力传感器100，其具备结构简单，测量精度高等优点。

图3显示了根据本发明的第二实施例的谐振式力传感器200的示意性平面图。谐振式力传感器200同样包括薄片式基体110。与根据本发明的第一实施例的谐振式力传感器100不同的是，谐振式力传感器200的一端并非直接固定，而是通过两个弹性件150固定住。容易理解，可以根据需要选择更多数量的弹性件150。

另外，谐振式力传感器200的通孔120同样包括两个部分，即靠近固定端的第一部分121和靠近自由端的第二部分122。在这个实施例中，通孔120的第二部分122构造成具有比第一部分121更大的孔径，而第一部分121构造成在基体110的端部敞开的开口通槽。振弦130一端贯穿过通孔120的第一部分121而直接固定在固定座上，另一端固定在通孔120的第二部分122的端部。

谐振式力传感器200的其它结构(例如激励器等)与谐振式力传感器100中的相同，工作原理与类似，因此在此不再详述。

根据本发明的第二实施例，谐振式力传感器200能够允许更大的弹性变形，从而提高了测量灵敏度。

图4和图5分别显示了根据本发明的第三实施例的谐振式力传感器300的示意性侧视图和平面图。如图4和5所示，谐振式力传感器300同样包括薄片式基体210，其一端为固定端而另一端为自由端。基体210包括通孔220，其构造为矩形孔，四角带有圆弧过渡以方便加工。

根据该实施例，在通孔220设置有两根振弦231和232，它们均沿平行于从基体210的固定端到自由端的方向而固定在通孔220的相应端部。其中，第一振弦231设置成与基体210的上表面大致平齐，而第二振弦232设置成与基体210的下表面大致平齐。

根据本发明的该第三实施例，第一振弦231和第二振弦232设置成具有相等的固有频率。这可以通过调节第一振弦231和第二振弦232的预紧力来容易地实现。这样，第一振弦231和第二振弦232的差动频率为零。当有力F(见图4)作用于谐振式力传感器300上时，第一振弦231在预应力的基础上受拉，而第二振弦232在预应力的基础上受压。由此，第一振弦231的固有频率升高，而第二振弦232的固有频率降低，从而构成了一个差动频率输出。通过这种设置，可以提高谐振式力传感器300的灵敏度和抗共模干扰能力。

根据本发明的该第三实施例，激励器和检测元件可以构造成一体。具体地说，第一振弦231和第二振弦232上各自固定一个磁钢242，而在通孔220的平行于振弦延伸的侧面上布置两个线圈241，它们的位置分别与第一振弦231上的磁钢242和第二振弦232上的磁钢242相对应。对两个线圈241分别施加脉冲信号(图6)，通过该脉冲信号会产生脉冲磁场力。当脉冲消失后，振弦接收到脉冲力，从而自由地衰减振动(沿图5箭头所示方向)。此时，线圈241会在磁钢242的作用下切割磁力线，产生交变衰减信号。通过检测交变衰减信号的频率，就获得振弦的固有频率。如图6所示，激励脉冲宽度t一般为10～100μs。

图7显示了根据本发明的第四实施例的谐振式力传感器400的示意性平面图。与第三实施例中的类似，该实施例的谐振式力传感器400也包含两根振弦，即第一振弦331和第二振弦332。不同的是，第一振弦331和第二振弦332设置成相互间不平行。相反，它们分别沿着相对于基体310的纵向中心线370成正α角和负α角的方向延伸。也就是说，第一振弦331和第二振弦332设置成相互间形成一定角度。根据本发明，α角优选在0-45度的范围内。与第三实施例中的类似，该谐振式力传感器400还包括线圈341和磁钢342，在此不再详述。

图7中还以虚线圆360显示了两个力作用点。当力作用点位于基体310的纵向中心线370上时，第一振弦331和第二振弦332构成差动式测量，谐振式力传感器400可以测量作用力。如果力作用点偏离于基体310的纵向中心线370的位置时，则谐振式力传感器400可以测量相对于纵向中心线370的扭转力矩。

利用这种结构，根据本发明的谐振式力传感器还可以测量扭矩，起到了“一器多用”的效果。

容易理解，除以上实施例中的通孔的形状以外，薄片式基体中的通孔还可以为其它形式的孔，例如椭圆孔、菱形孔等。这些形状对应于不同的非线性特性，由此可以通过信号处理来对系统进行非线性补偿，实现所测量的力F和输出频率之间的线性关系。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.一种谐振式力传感器，包括：

薄片式基体，其包括自由端和固定端，在所述基体内开有通孔，所述通孔包括靠近所述固定端的第一部分和靠近所述自由端的第二部分，所述通孔的第一部分和第二部分具有不相等的长度和宽度；

沿着从自由端到固定端的方向延伸并固定在所述通孔内的振弦，所述振弦被预张紧；

用于使所述振弦产生振动的激励器；以及

用于检测所述振弦的振动的检测器。

2.根据权利要求1所述的谐振式力传感器，其特征在于，所述通孔的第一部分的宽度大于所述第二部分的宽度，和/或所述通孔的第一部分的长度小于所述第二部分的长度。

3.根据权利要求2所述的谐振式力传感器，其特征在于，所述通孔的第一部分构造成圆形孔，所述通孔的第二部分构造成直径槽段，并且所述第一部分和第二部分之间光滑连接。

4.根据权利要求1所述的谐振式力传感器，其特征在于，所述基体的固定端通过弹性件固定，所述通孔的第一部分构造为在所述基体的固定端处敞开的开口直线槽段，所述第二部分构造为圆形孔。

5.根据权利要求4所述的谐振式力传感器，其特征在于，所述通孔的第一部分的宽度小于所述第二部分的宽度，和/或所述通孔的第一部分的长度大于所述第二部分的长度。

6.根据权利要求1所述的谐振式力传感器，其特征在于，在所述通孔内设置有两根振弦，它们分别与所述薄片式基体的上、下表面平齐，并且具有相同的固有频率。

7.根据权利要求6所述的谐振式力传感器，其特征在于，所述两根振弦相互平行，并且沿着所述基体的纵向中心线延伸。

8.根据权利要求6所述的谐振式力传感器，其特征在于，所述两根振弦分别沿着相对于所述基体的纵向中心线成正、负角且对称的方向延伸，角度范围在0～45度。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的谐振式力传感器，其特征在于，所述激励器和检测器构造成一体，包括设置在振弦中间位置处的磁性件，以及布置在形成于所述通孔的侧面的凹槽内且与所述磁性件位置相对应的线圈。

10.根据权利要求9所述的谐振式力传感器，其特征在于，所述线圈在脉冲信号作用下产生瞬时力，然后由所述线圈检测磁性件在所述线圈中产生的耦合衰减电信号，进而检测振弦的振动频率。