CN1124476C - 一种电容型力传感器 - Google Patents

Abstract

一种电容型力传感器，由弹性体和电容组成，其特征在于：弹性体(20)为中空的管状结构；弹性体(20)的端部设置有上、下盖(30)(40)，电容安置于弹性体(20)中，并且电容上电极(70)与上盖(30)固接，电容下电极(80)与下盖(40)固接。本发明结构简单，易于加工，并且具有很高的灵敏度。

Description

一种电容型力传感器

本发明涉及传感器技术，特别提供了一种电容型力传感器。

目前力传感器主要以电阻应变式测力传感器为主，它主要包括弹性敏感元件和电阻应变计两个部分。电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，被测的力首先转换为弹性体的应变值，然后通过电阻应变计同步地转换为力的变化。利用此原理可以制成测量重量、力、压力、加速度、位移和扭矩的各种物理量的传感器。按照弹性体结构的不同，电阻应变式称重传感器的典型结构有柱式弹性体、环式弹性体、梁式弹性体、剪切应力型弹性体、扭环式弹性体、力标机用高精度弹性体、多分量力传感器弹性体等，种类较多，但一些问题仍未得到很好地解决。其精度受到滞后、蠕变及温度的影响较大，难以在较恶劣的环境中工作，同时对弹性体、应变计及粘贴工艺等要求严格。电容型传感器结构简单，灵敏度系数高，具有良好的动态性能，能经受很大的温度变化及辐射等恶劣环境条件，被广泛应用于压力、位移、振动、液位等参量的测量，是目前压力传感器的主要形式之一。美国专利4448085，4649759，4558600，4463614等报道电容型力传感器，这些传感器基本上沿用了传统应变式传感器的结构，由两块镀有电极的弹性体通过焊接的方法连接到一起。

本发明的目的在于提供一种电容型力传感器，其结构简单，易于加工，并且具有很高的灵敏度。

本发明提供了一种电容型力传感器，由弹性体和电容组成，其特征在于：弹性体(20)为中空的管状结构；弹性体(20)的端部设置有上、下盖(30)(40)，电容安置于弹性体(20)中，并且电容上电极(70)与上盖(30)固接，电容下电极(80)与下盖(40)固接。

本发明中所述弹性体(20)可以是在体壁上开有1～10根5～1000μm宽螺旋线的刚性管状体，螺旋线的总圈数1～30整数圈；弹性体(20)的剖面可以为圆形，或多边形；弹性体(20)的材料可以是金属、陶瓷或石英；螺旋线的总圈数最好是1～10整数圈。所述电容可以为变间距型、变面积型或变介质型。

本发明管状弹性体端部受力，弹性体沿轴向产生弹性变形，使弹性体中电容随外力大小和方向的变化而变化，从而通过测量电容值得到外力的大小和方向。为提高传感器的灵敏度，管状弹性体被切割出一条线宽在5～1000μm左右的螺旋线。通过改变螺旋线的螺距、线宽、螺旋圈数等参数及选择不同壁厚、材料、尺寸的弹性体可以方便地设计传感器的量程、灵敏度等指标。

总之，本发明电容型传感器结构简单、灵敏度高，易于加工和质量控制，易于形成批量生产。测量电容被屏蔽在金属弹性体中，避免了外界的电磁干扰。同时通过选择不同弹性体材料、壁厚、螺旋线螺距等可以方便地调节传感器的量程和其他性能。弹性体螺旋线可以采用激光加工的方法制备，由于激光可以方便地加工陶瓷、石英等，可以采用陶瓷或石英作弹性体。由于陶瓷和石英具有非常小的蠕变和滞后，可以制备更高精度和长期稳定性的传感器。对多边形弹性体可以采用常规加工工艺加工成板材，然后通过焊接工艺连接在一起。

下面通过实施例详述本发明。

附图1为平板电容型力传感器结构示意图。

附图2为管状电容型力传感器结构示意图。

附图3为I型弹性体结构示意图。

附图4为II型弹性体结构示意图。

附图5为III型弹性体结构示意图。

附图6为IV型弹性体结构示意图。

附图7为V型弹性体结构示意图。

附图8为VI型弹性体结构示意图。

附图9为VII型弹性体结构示意图。

附图10为VIII型弹性体结构示意图。

实施例1：

如图1所示，电容型力传感器10由弹性体20、上盖30、下盖40、电容上电极、电容下电极等组成。弹性体20用激光切割的方法加工出一条圈数为二的螺旋线(见图4)，或者其他形状如图3～10所示。上盖30和下盖40中心处有圆形凸起和开孔130、140。圆形凸起分别用于连接电容上电极的连接管50和下电极的连接管60。开孔130用于连接上电极引线110，开孔140用于连接下电极引线120。上电极包括连接管50、平板电极70，平板电极选用陶瓷等绝缘材料制成，上镀有导电膜90。下电极包括连接管60、平板电极80，平板电极选用陶瓷等绝缘材料制成，上镀有导电膜100。平板电极70有凸起用于连接连接管50，平板电极80有凸起用于连接连接管60。连接管50与上盖30和平板电极70、连接管60与上盖40和平板电极80等连接采用低温钎焊的方法连接。上盖30、下盖40与弹性体20采用热影响区小的激光焊接、微束等离子焊接等工艺连接。被测的力加在上盖30，电容的变化通过引线110、引线120与测试电路连接，传感器有非常高的灵敏度。

实施例2：

如图2所示，电容型力传感器10由弹性体20，上盖30、下盖40、电容上电极、电容下电极等组成。弹性体20用激光切割的方法加工出一条圈数为二的螺旋线(见图4)，或者其他形状如图3～10所示。上盖30和下盖40中心处有圆形凸起和开孔130、140。圆形凸起分别用于连接电容上电极70和下电极80。开孔130用于连接上电极引线110，开孔140用于连接下电极引线120。电容为管状变面积型，包括上电极70和下电极80。上电极70与上盖30、下电极80与下盖等采用低温钎焊的方法连接。上盖30、下盖40与弹性体20采用热影响区小的激光焊接、微束等离子焊接等工艺连接。被测的力加在上盖30，电容的变化通过引线110、引线120与测试电路连接，传感器电容变化与被测的力有非常好的线形关系。

Claims (7)

1.一种电容型力传感器，由弹性体和电容组成，弹性体为中空的管状结构；弹性体的端部设置有上、下盖，电容安置于弹性体中，并且电容上电极与上盖固接，电容下电极与下盖固接，其特征在于：弹性体(20)是在体壁上开有1～10根5～1000μm宽螺旋线的刚性管状体，螺旋线的总圈数1～30整数圈。

2.按照权利要求1所述电容型力传感器，其特征在于：弹性体(20)的剖面为圆形，或多边形。

3.按照权利要求1所述电容型力传感器，其特征在于：螺旋线的总圈数1～10整数圈。

4.按照权利要求1所述电容型力传感器，其特征在于：电容为变间距型、变面积型或变介质型。

5.按照权利要求1所述电容型力传感器，其特征在于：电容为变间距型、变面积型或变介质型。

6.按照权利要求1所述电容型力传感器，其特征在于：弹性体(20)的材料是金属、陶瓷或石英。

7.按照权利要求1所述电容型力传感器，其特征在于：弹性体(20)的材料是金属、陶瓷或石英。

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