CN112556902A - 双量程测力传感器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双量程测力传感器及制造方法，包括：壳体，壳体呈筒状，壳体的侧壁上设有一对插头；第一量程敏感元件和第二量程敏感元件，第一量程敏感元件和第二量程敏感元件沿壳体的轴向分别位于壳体的两端且分别与一个插头电连接，第二量程敏感元件的量程大于第一量程敏感元件的量程，每个量程敏感元件包括弹性膜片及多个电桥，弹性膜片封堵于壳体的一端，多个电桥设置于弹性膜片的表面上，每个电桥包括四个电阻，四个电阻沿弹性膜片的直径方向设置且相对于弹性膜片的中心对称，弹性膜片的中心处设有接头；限位元件，限位元件设置于壳体的安装有第一量程敏感元件的一端，用于限制第一量程敏感元件的应变量。本发明既具有高过载能力，又能保证测量精度和分辨率。

Description

双量程测力传感器及制造方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种双量程测力传感器及制造方法。

背景技术

测力传感器是一种在工业生产、军事装备、航空航天、航海等领域广泛应用的基础力学类传感器。其测量原理大多基于电阻应变计技术，电阻应变计的弹性体受力导致的应变转换为电阻应变计的阻值变化，再通过惠斯通电桥将电阻变化转变为电压信号。此类测力传感器工艺成熟，产业链分工明确，能解决绝大多数应用需求。但电阻应变计本身采用的有机质胶基底直接参与应变，在宽温区的反复交变的热环境下长期或频繁工作，并叠加高真空或超高真空环境条件时，可靠性和寿命方面存在隐患。传统的金属电阻应变式测力传感器受限于金属电阻应变计的灵敏系数和金属材料的机械性能，灵敏度通常为2mV/V，允许过载量一般为120％FS。虽然通过扩散硅等半导体应变计可以将应变计灵敏度提高数十倍，从而降低弹性体工作时的应变，实现提高寿命次数和过载能力的目的，但此类半导体应变计成熟产品较少，使用限制较多，温漂系数和个体间分散性都非常大，匹配困难，在力学环境中的可靠性欠佳，工作温度范围较窄，无法满足目前航天航空等领域的一些高可靠性要求的应用环境需求。如执行采样任务的某些航天器，开始采样时不能准确判断执行任务所需的力值指标范围，因此需要测力传感器具有很高的过载能力，但在安全工作范围内，又需要传感器具有较高的工作精度及分辨率，并且由于此类工作环境下一旦发现故障，无法进行更换和维修，甚至故障诊断和原因识别都存在很大困难，因此高过载、多余度就成了这种环境下的传感器必须具备的特征。

因此，期待研发一种双量程测力传感器及制造方法，既具有高过载能力，又能保证测量精度和分辨率。

发明内容

本发明的目的是提供一种双量程测力传感器及制造方法，用于航天等对可靠性和性能均要求极高的环境下的单向力测量，不仅能监测破坏力值，为紧急终止任务甚至自毁提供可靠依据，同时能在小量程正常任务执行时确保高精度和高分辨率。

为了实现上述目的，本发明提供一种双量程测力传感器，包括：

壳体，所述壳体呈筒状，所述壳体的侧壁上设有一对插头；

第一量程敏感元件和第二量程敏感元件，所述第一量程敏感元件和所述第二量程敏感元件沿所述壳体的轴向分别位于所述壳体的两端且分别与一个所述插头电连接，所述第二量程敏感元件的量程大于所述第一量程敏感元件的量程，每个量程敏感元件包括弹性膜片及多个电桥，所述弹性膜片封堵于所述壳体的一端，所述多个电桥设置于所述弹性膜片的表面上，每个所述电桥包括四个电阻，所述四个电阻沿所述弹性膜片的直径方向设置且相对于所述弹性膜片的中心对称，所述弹性膜片的中心处设有接头；

限位元件，所述限位元件设置于所述壳体的安装有所述第一量程敏感元件的一端，用于限制所述第一量程敏感元件的应变量。

可选地，每个所述量程敏感元件还包括补偿板及补偿板安装座，所述补偿板安装座呈环状，设置于所述弹性膜片的朝向所述壳体内部的一侧，且将所述弹性膜片上的多个电桥环绕在内，所述补偿板设置于所述补偿板安装座的远离所述弹性膜片的一侧，所述补偿板上设有多个连接点，多个所述电桥的端点分别通过引线连接于一个所述连接点上，所述多个连接点分别通过电缆连接于一个所述插头。

可选地，所述弹性膜片、所述补偿板的表面均涂覆有三防保护层，所述补偿板和所述补偿板固定座之间通过硅橡胶粘接，所述补偿板固定座与所述弹性膜片之间通过焊接连接。

可选地，所述补偿板的外周设有环形覆铜层并镀锡，所述补偿板安装座的表面整体镀铜，所述补偿板与所述补偿板安装座之间通过锡钎焊连接。

可选地，所述壳体和所述补偿板上均设有通孔，所述通孔连通所述壳体的内部与外部。

可选地，所述弹性膜片的朝向所述壳体外的表面上设有安装槽，所述安装槽的底面上设有连接螺栓，所述接头的一端设有防偏载转接头，另一端设有螺栓孔，所述接头的轮廓与所述安装槽的形状相适应，所述接头通过所述螺栓孔与所述连接螺栓的配合设置于所述安装槽中，所述防偏载转接头用于连接传力结构或施力结构。

可选地，在所述第一量程敏感元件的接头的外周，沿周向设有限位挡板；

所述限位元件扣设于所述壳体的设有所述第一量程敏感元件的一端，在所述限位元件与所述第一量程敏感元件之间形成空腔，所述限位元件的中心设有安装孔，所述第一量程敏感元件的接头的设有防偏载转接头的一端由所述安装孔伸出，所述限位挡板位于所述限位元件与所述第一量程敏感元件之间的空腔中。

可选地，在所述弹性膜片上，根据所述弹性膜片受力变形时的应变方向划分为内圈和外圈，所述电桥为惠斯通电桥，所述电桥的四个电阻分为两组，一组位于所述内圈中，另外一组位于所述外圈中。

可选地，所述电桥中的电阻为薄膜电阻，所述插头为航空插头；

每个所述电桥中还包括至少一个补偿电阻，用于补偿温度或零点。

本发明还提供一种用于制造上述的双量程测力传感器的方法，所述方法包括如下步骤：

1)制作第一量程敏感元件和第二量程敏感元件；

2)将第一量程敏感元件安装于壳体的一端，并连接于对应的插头；

3)将接头连接于电源及测试仪表，利用标准砝码和工装在所述第一量程敏感元件的接头上施加标准力值，测量接头在力值测量方向的位移量和压力方向的限位功能；

4)在壳体的安装有所述第一量程敏感元件的一端安装限位元件；

5)利用标准砝码和工装在所述第一量程敏感元件的接头上施加标准力值，根据接头在力值测量方向的位移量调整限位元件与量程敏感元件之间的距离；

6)将第二量程敏感元件安装于壳体的另一端，并连接于另一个插头；

7)进行整体的调试和检验。

可选地，每个所述量程敏感元件还包括补偿板及补偿板安装座，所述补偿板安装座呈环状，设置于所述弹性膜片的带有所述电桥的一侧，且将所述弹性膜片上的多个电桥环绕在内，所述补偿板设置于所述补偿板安装座的远离所述弹性膜片的一侧，所述补偿板上设有多个连接点，多个所述电桥的端点分别通过引线连接于不同的所述连接点上，所述多个连接点分别通过电缆连接于一个所述插头；

所述步骤1)包括：

1.1)制作两个厚度不同的弹性膜片；

1.2)利用溅射薄膜工艺在两个弹性膜片上分别加工相同布局的电桥；

1.3)将弹性膜片分别与各自的补偿板安装座通过激光焊接连接；

1.4)在弹性膜片的电桥的端点上焊接引线，并涂覆三防保护层后固化；

1.5)将引线的另一端焊接于补偿板的对应的连接点上；

1.6)在补偿板的正反两面涂覆三防保护层，并固化，再利用硅橡胶将补偿板粘接于对应的补偿板安装座上，形成第一量程敏感元件和第二量程敏感元件。

本发明的有益效果在于：

1、将本发明的传感器通过两端的接头接入传力结构中，电器部分通过两个插头连接，通电后传感器输出初始零点信号；当接头承受的载荷改变时，第一量程敏感元件和第二量程敏感元件的弹性膜片会朝着受力方向变形，电桥中的电阻会被压缩或拉伸，产生一个正比于力值变化量的输出电信号变化量；设置多个电桥同时测量力值并输出，具有独立多余度输出，且不增加应用系统的结构或机构复杂性，并具有表决器功能，大幅提高信号可靠性，剔除意外情况下的无效错误以及低质量数据，极大提高综合测量数据的可靠性，配合适当算法，还可以实现滤波等功能，保证了测量精度及灵敏度；当接头承受的载荷进一步增加并超过第一量程敏感元件的量程时，限位元件限制第一量程敏感元件的应变量，因此超出的力值被限位元件抵消，使第一量程敏感元件的弹性膜片不会进一步发生形变导致损坏，而第二量程敏感元件能够正常工作，输出力值变化的电信号，不仅能监测破坏力值，而且能为紧急终止任务甚至自毁提供可靠依据；本发明有效解决了高过载能力和低量程段高精度、高分辨率测量的矛盾，适用于航天以及其他具有高可靠性要求且一经使用无法维修更换的场合。

2、本发明的制造双量程测力传感器的方法所采用的技术成熟且便捷容易，十分适合机器化、流水线形式的批量生产。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的双量程测力传感器的示意性结构图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的电桥的示意性结构图。

附图标记说明

1、第一量程敏感元件；2、补偿板安装座；3、引线；4、补偿板；5、航空插头；6、壳体；7、第二量程敏感元件；8、防偏载转接头；9、限位挡板；10、内圈；11、外圈；12、薄膜电阻；13、电缆；14、限位元件；15、通孔；16、接头；17、连接螺栓；18、弹性膜片；19、补偿电阻。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明公开了一种双量程测力传感器，包括：

壳体，壳体呈筒状，壳体的侧壁上设有一对插头；

第一量程敏感元件和第二量程敏感元件，第一量程敏感元件和第二量程敏感元件沿壳体的轴向分别位于壳体的两端且分别与一个插头电连接，第二量程敏感元件的量程大于第一量程敏感元件的量程，每个量程敏感元件包括弹性膜片及多个电桥，弹性膜片封堵于壳体的一端，多个电桥设置于弹性膜片的表面上，每个电桥包括四个电阻，四个电阻沿弹性膜片的直径方向设置且相对于弹性膜片的中心对称，弹性膜片的中心处设有接头；

限位元件，限位元件设置于壳体的安装有第一量程敏感元件的一端，用于限制第一量程敏感元件的应变量。

具体地，将本发明的传感器通过两端的接头接入传力结构中，电器部分通过两个插头连接，通电后传感器输出初始零点信号；

当接头承受的载荷改变时，第一量程敏感元件和第二量程敏感元件的弹性膜片会朝着受力方向变形，电桥中的电阻会被压缩或拉伸，产生一个正比于力值变化量的输出电信号变化量；设置多个电桥同时测量力值并输出，具有独立多余度输出，且不增加应用系统的结构或机构复杂性，并具有表决器功能，大幅提高信号可靠性，剔除意外情况下的无效错误以及低质量数据，极大提高综合测量数据的可靠性，配合适当算法，还可以实现滤波等功能，保证了测量精度及灵敏度；

当接头承受的载荷进一步增加并超过第一量程敏感元件的量程时，限位元件限制第一量程敏感元件的应变量，因此超出的力值被限位元件抵消，使第一量程敏感元件的弹性膜片不会进一步发生形变导致损坏，而第二量程敏感元件能够正常工作，输出力值变化的电信号，不仅能监测破坏力值，而且能为紧急终止任务甚至自毁提供可靠依据；本发明有效解决了高过载能力和低量程段高精度、高分辨率测量的矛盾，适用于航天以及其他具有高可靠性要求且一经使用无法维修更换的场合。

更进一步地，沿直径方向设置四个电阻组成电桥，可以有效抵消偏载影响。

作为可选方案，每个量程敏感元件还包括补偿板及补偿板安装座，补偿板安装座呈环状，设置于弹性膜片的朝向壳体内部的一侧，且将弹性膜片上的多个电桥环绕在内，补偿板设置于补偿板安装座的远离弹性膜片的一侧，补偿板上设有多个连接点，多个电桥的端点分别通过引线连接于一个连接点上，多个连接点分别通过电缆连接于一个插头。

具体地，电桥端点引出的引线普遍较细，容易断裂，通过设置补偿板并在补偿板上设置连接点，实现了单根引线向多股电缆的转换，使电桥与插头之间的电信号传递更加结实可靠；另外，设置补偿板也能起到温度补偿的作用。

进一步地，为防止混线，引线选用漆包线，具体种类根据使用温度等工况选择不同的国标标准的漆包线。

作为可选方案，弹性膜片、补偿板的表面均涂覆有三防保护层，补偿板和补偿板固定座之间通过硅橡胶粘接，补偿板固定座与弹性膜片之间通过焊接连接。

具体地，在恶劣环境下，如湿热、结霜污染等可能造成传感器损坏，因此对弹性膜片表面，补偿板正反面及所有焊点，引线和导线电缆根部进行三防处理，以使其能在恶劣环境下长期稳定的实现高精度测量，三防类型根据工作温度及具体环境选用。

作为可选方案，补偿板的外周设有环形覆铜层并镀锡，补偿板安装座的表面整体镀铜，补偿板与补偿板安装座之间通过锡钎焊连接。

具体地，当面临十分严酷的力学环境或不易使用硅橡胶材料粘接时，选用上述连接结构，以保证传感器的正常工作。

作为可选方案，壳体和补偿板上均设有通孔，通孔连通壳体的内部与外部。

具体地，在壳体和补偿板上设置通孔，用于在真空或低气压环境下使内外压力平衡，保证测量精度不受影响；

进一步地，对于较小量程，内外压差会影响传感器测量精度和长期稳定性，因此补偿板上预留透气孔，保证小量程的测量精度和灵敏度。

作为可选方案，弹性膜片的朝向壳体外的表面上设有安装槽，安装槽的底面上设有连接螺栓，接头的一端设有防偏载转接头，另一端设有螺栓孔，接头的轮廓与安装槽的形状相适应，接头通过螺栓孔与连接螺栓的配合设置于安装槽中，防偏载转接头用于连接传力结构或施力结构。

具体地，通过在弹性膜片上设置安装槽，使接头通过螺栓孔与连接螺栓的配合设置于安装槽中，接头与安装槽在周向的间隙配合，具有抗偏载和防止因偏载导致过载的功能。

作为可选方案，在第一量程敏感元件的接头的外周，沿周向设有限位挡板；

限位元件扣设于壳体的设有第一量程敏感元件的一端，在限位元件与第一量程敏感元件之间形成空腔，限位元件的中心设有安装孔，第一量程敏感元件的接头的设有防偏载转接头的一端由安装孔伸出，限位挡板位于限位元件与第一量程敏感元件之间的空腔中。

具体地，当弹性膜片的形变达到量程极限时，限位挡板与限位元件接触，在限位元件的阻碍作用下，弹性膜片不再继续形变，避免了弹性膜片过载破裂；并且通过限位元件与外壳的旋入量、接头的螺栓孔与连接螺栓之间配合螺纹的旋入量，能够实现对弹性膜片变形量的限制程度的调整。

作为可选方案，在弹性膜片上，根据弹性膜片受力变形时的应变方向划分为内圈和外圈，电桥为惠斯通电桥，电桥的四个电阻分为两组，一组位于内圈中，另外一组位于外圈中。

具体地，弹性膜片在拉(或压)力作用下，会朝着受力方向变形，根据圆形弹性膜片在轴向力作用下的变形规律，在其电阻所在表面必定有一个表面拉伸的圆环区域，即外圈，和一个表面压缩的圆环区域，即内圈，因为同一个电桥的四个电阻两两分布在两个区域内，因此将产生一个正比于力值变化量的输出电信号变化量。

例如，当电桥设置于弹性膜片的朝向壳体内侧的表面上，且弹性膜片上的接头受向外的拉力时，弹性膜片被拉升，向壳体外侧拱起；此时，在其设有电桥的一侧，靠近弹性膜片边缘的表面被拉伸，则设置于该表面区域的电阻被拉伸；而靠近接头的表面则被压缩，则设置在该表面区域的电阻被压缩。

进一步地，每个弹性膜片上的多个电桥之间相对于弹性膜片的轴线中心对称，因此，每个弹性膜片上的多个电桥的输出电信号的变化量基本相同。

作为可选方案，电桥中的电阻为薄膜电阻，插头为航空插头；

每个电桥中还包括至少一个补偿电阻，用于补偿温度或零点。

具体地，薄膜电阻输出一致性和温度一致性好，使用方便，且薄膜电阻易于制作大阻值电阻，另外，薄膜电阻工作电流下，发热小，可不预热直接使用；

补偿电阻根据电桥初始零点正负情况串入电桥，已达到补偿零点的目的。

本发明还公开了一种用于制造上述的双量程测力传感器的方法，方法包括如下步骤：

1)制作第一量程敏感元件和第二量程敏感元件；

2)将第一量程敏感元件安装于壳体的一端，并连接于对应的插头；

3)将接头连接于电源及测试仪表，利用标准砝码和工装在第一量程敏感元件的接头上施加标准力值，测量接头在力值测量方向的位移量和压力方向的限位功能；

4)在壳体的安装有第一量程敏感元件的一端安装限位元件；

5)利用标准砝码和工装在第一量程敏感元件的接头上施加标准力值，根据接头在力值测量方向的位移量调整限位元件与量程敏感元件之间的距离，保证在力值达到第一量程敏感元件的量程极限时，限位元件能够起到限位的作用，阻挡第一量程敏感元件继续发生形变；

6)将第二量程敏感元件安装于壳体的另一端，并连接于另一个插头；

7)进行整体的调试和检验。

具体地，本发明的制造双量程测力传感器的方法所采用的技术成熟且便捷容易，十分适合机器化、流水线形式的批量生产。

作为可选方案，每个量程敏感元件还包括补偿板及补偿板安装座，补偿板安装座呈环状，设置于弹性膜片的带有电桥的一侧，且将弹性膜片上的多个电桥环绕在内，补偿板设置于补偿板安装座的远离弹性膜片的一侧，补偿板上设有多个连接点，多个电桥的端点分别通过引线连接于不同的连接点上，多个连接点分别通过电缆连接于一个插头；

步骤1)包括：

1.1)制作两个厚度不同的弹性膜片；

1.2)利用溅射薄膜工艺在两个弹性膜片上分别加工相同布局的电桥；

1.3)将弹性膜片分别与各自的补偿板安装座通过激光焊接连接；

1.4)在弹性膜片的电桥的端点上焊接引线，并涂覆三防保护层后固化；

1.5)将引线的另一端焊接于补偿板的对应的连接点上；

1.6)在补偿板的正反两面涂覆三防保护层，并固化，再利用硅橡胶将补偿板粘接于对应的补偿板安装座上，形成第一量程敏感元件和第二量程敏感元件。

具体地，采用溅射薄膜工艺更易实现小型化，且使用温度范围宽，确保了宽温区工作以及低温漂特性，未补偿时全温区温度性能已十分优良，如在-50℃至125℃内，全温区零点漂移值大多数在1％FS以内，甚至0.5％FS以内，通过温度补偿可近一步提高。另外，溅射薄膜工艺镀膜工序在高真空(10^-2Pa)环境下完成，经长期验证，能够满足宇航超高真空(10^-6Pa)环境下的环境要求。

实施例1

图1示出了本实施例的双量程测力传感器的示意性结构图；图2示出了本实施例的电桥的示意性结构图。

如图1所示，本实施例的双量程测力传感器，包括壳体6，壳体6呈筒状，壳体6的侧壁上设有一对航空插头5，第一量程敏感元件1和第二量程敏感元件7沿壳体的轴向分别位于壳体6的两端且第二量程敏感元件7的量程大于第一量程敏感元件1的量程；

每个量程敏感元件包括圆形的弹性膜片18及三个惠斯通电桥，弹性膜片18封堵于壳体6的一端，弹性膜片18的朝向壳体6外的表面中心处设有安装槽，安装槽的底面中心处设有连接螺栓17；接头16的一端设有防偏载转接头8，另一端设有螺栓孔，接头16的轮廓与安装槽的形状相适应，接头16通过螺栓孔与连接螺栓17的配合设置于安装槽中，接头16与相应安装槽在周向的间隙配合可实现抗偏载和防止因偏载导致过载的功能，防偏载转接头8用于连接传力结构或施力结构；

如图2所示，三个电桥设置于弹性膜片18的朝向壳体6内的表面上，每个电桥包括四个薄膜电阻12及两个补偿电阻19，四个薄膜电阻12沿弹性膜片18的直径方向设置且相对于弹性膜片18的圆心对称，每个薄膜电阻12有两个焊盘，相邻的薄膜电阻12共用一个焊盘，两个补偿电阻19根据电桥初始零点正负情况串入电桥，以达到补偿零点的目的；在弹性膜片18上，根据弹性膜片18受力变形时的应变方向划分为内圈10和外圈11，当防偏载转接头8受拉力使弹性膜片18变形时，在弹性膜片18的朝向壳体6内的表面上，内圈10表面被压缩，外圈11表面被拉伸，因此每个电桥的四个薄膜电阻12中，两个位于内圈10中，另外两个位于外圈11中，以到达三个电桥输出电流的变化基本一致的目的，通过三路电桥，实现三路同时测量力值并输出，具有表决器功能；通常情况下，以上配置足以满足相关应用需求，当实际应用需要增加冗余度和更加精确的零点补偿时，可进一步增加相应的电桥及补偿电阻数量；

补偿板安装座2呈环状，焊接于弹性膜片18的朝向壳体6内部的一侧，且将弹性膜片18上的三个电桥环绕在内，补偿板4通过硅橡胶粘接于补偿板安装座2的远离弹性膜片18的一侧，补偿板4上设有多个连接点，每个电桥的四个端点分别通过引线3连接于不同的连接点上，为了避免相互搭接断路，引线3采用漆包线；多个连接点分别通过电缆13连接于一个航空插头5；弹性膜片18表面，补偿板4正反面及所有焊点，引线3和电缆13根部进行三防处理，以使其能在恶劣环境下长期稳定的实现高精度测量；

限位元件14设置于壳体6的安装有第一量程敏感元件1的一端，与壳体6通过螺纹连接，用于限制第一量程敏感元件1的应变量，在第一量程敏感元件1的接头16的外周，沿周向设有限位挡板9；限位元件14的中心设有安装孔，限位元件14扣设于壳体6的端部，且在限位元件14与第一量程敏感元件1之间形成空腔，第一量程敏感元件1的接头16上的防偏载转接头8由安装孔伸出，限位挡板9位于限位元件14与第一量程敏感元件1之间的空腔中，当第一量程敏感元件1的形变量到达量程极限时，限位挡板9与限位元件14接触，起到阻止第一量程敏感元件1的进一步形变的目的，避免弹性膜片18破裂；另外，可以通过调整限位元件14与壳体6、接头16与第一量程敏感元件1之间配合螺纹的旋入量，实现对弹性膜片18变形量的限制程度的调整；

壳体6和补偿板4上均设有通孔15，通孔15连通壳体6的内部与外部，用于在真空或低气压环境下使传感器内外压力平衡，防止内外压差影响传感器测量精度和长期稳定性，保证测量精度不受影响。

补偿板安装座2、外壳6、接头16、限位元件14常用采用不锈钢材质，也可选用铝合金、钛合金等，也可混合使用。

在使用时，将传感器的两端通过防偏载转接头接入传力结构或施力结构，电气部分通过航空插头连接。通电后，传感器输出初始零点信号。当载荷改变时，壳体两端敏感元件中的弹性膜片会朝着受力方向变形，根据圆形薄膜在轴向力作用下的变形规律，在其薄膜电阻所在表面必定有一个表面拉伸的圆环区域和一个表面压缩的圆环区域(如2所示虚线构成的外圈和内圈圆环)，因为同一个电桥的四个电阻两两一组，分别分布在两个区域内，因此将产生一个正比于力值变化量的输出电信号变化量。三路输出电桥因为关于轴中心对称，因此输出电信号的变化量基本一致。当力值进一步增加并超过第一量程敏感元件的测力上限后，第一量程敏感元件的弹性膜片中心(即抗偏载转接头)的位移(挠度)超出限位量，限位挡板与限位元件接触，因为后者刚度相对大的多，因此超出限位的力值被限位元件抵消，且弹性膜片不会进一步发生形变导致损坏。

实施例2

本实施例公开了一种用于制造实施例1的双量程测力传感器的方法，方法包括如下步骤：

1)制作两个厚度不同的弹性膜片；

2)利用溅射薄膜工艺在两个弹性膜片上分别加工相同布局的电桥；

3)将弹性膜片分别与各自的补偿板安装座通过激光焊接连接；

4)在弹性膜片的电桥的端点上焊接引线，并涂覆三防保护层后固化；

5)将引线的另一端焊接于补偿板的对应的连接点上；

6)在补偿板的正反两面涂覆三防保护层，并固化，再利用硅橡胶将补偿板粘接于对应的补偿板安装座上，形成第一量程敏感元件和第二量程敏感元件。

7)将第一量程敏感元件通过激光焊接于壳体的一端，将补偿板的连接点通过导线电缆连接于对应的航空插头，并在第一量程敏感元件上安装接头，安装时涂覆螺纹胶；

8)将航空接头连接于电源及测试仪表，利用标准砝码和工装在量程敏感元件的接头上施加标准力值，测量接头在力值测量方向的位移量和压力方向的限位功能，根据位移量对接头的旋入长度进行适当调整；

9)在壳体的安装有第一量程敏感元件的一端安装限位元件，安装时涂覆螺纹胶；

10)利用标准砝码和工装在量程敏感元件的接头上施加标准力值，根据接头在力值测量方向的位移量调整限位元件与量程敏感元件之间的旋入距离，测试限位功能满足要求后，等待螺纹胶固化；

11)将第二量程敏感元件安装于壳体的另一端，将补偿板的连接点通过导线电缆连接于对应的航空插头；

12)在第二量程敏感元件上安装接头，安装时涂覆螺纹胶；

13)进行整体的调试和检验。

整个传感器所采用的所有加工制造方法成熟容易，敏感元件加工制造使用的溅射薄膜工艺本身十分适合机器化、流水线形式的批量生产。其余零件都可以通过传统机械加工工艺、印刷电路板工艺及集成电路封装、焊接以及装配工艺等实现，相对的瓶颈是人工焊接、装配、调试和检验，通过成熟的普通传感器生产线已经广泛使用的电动工具、特制工装、焊接设备可解决人工焊接、装配的问题。整体方案在工序上可以按照成熟传感器生产流程的工序划分，并根据需求规模配置适当数量的装配工装和标定检验工装实现批生产。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (11)

1.一种双量程测力传感器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体呈筒状，所述壳体的侧壁上设有一对插头；

第一量程敏感元件和第二量程敏感元件，所述第一量程敏感元件和所述第二量程敏感元件沿所述壳体的轴向分别位于所述壳体的两端且分别与一个所述插头电连接，所述第二量程敏感元件的量程大于所述第一量程敏感元件的量程，每个量程敏感元件包括弹性膜片及多个电桥，所述弹性膜片封堵于所述壳体的一端，所述多个电桥设置于所述弹性膜片的表面上，每个所述电桥包括四个电阻，所述四个电阻沿所述弹性膜片的直径方向设置且相对于所述弹性膜片的中心对称，所述弹性膜片的中心处设有接头；

限位元件，所述限位元件设置于所述壳体的安装有所述第一量程敏感元件的一端，用于限制所述第一量程敏感元件的应变量。

2.根据权利要求1所述的双量程测力传感器，其特征在于，每个所述量程敏感元件还包括补偿板及补偿板安装座，所述补偿板安装座呈环状，设置于所述弹性膜片的朝向所述壳体内部的一侧，且将所述弹性膜片上的多个电桥环绕在内，所述补偿板设置于所述补偿板安装座的远离所述弹性膜片的一侧，所述补偿板上设有多个连接点，多个所述电桥的端点分别通过引线连接于一个所述连接点上，所述多个连接点分别通过电缆连接于一个所述插头。

3.根据权利要求2所述的双量程测力传感器，其特征在于，所述弹性膜片、所述补偿板的表面均涂覆有三防保护层，所述补偿板和所述补偿板固定座之间通过硅橡胶粘接，所述补偿板固定座与所述弹性膜片之间通过焊接连接。

4.根据权利要求2所述的双量程测力传感器，其特征在于，所述补偿板的外周设有环形覆铜层并镀锡，所述补偿板安装座的表面整体镀铜，所述补偿板与所述补偿板安装座之间通过锡钎焊连接。

5.根据权利要求2所述的双量程测力传感器，其特征在于，所述壳体和所述补偿板上均设有通孔，所述通孔连通所述壳体的内部与外部。

6.根据权利要求1所述的双量程测力传感器，其特征在于，所述弹性膜片的朝向所述壳体外的表面上设有安装槽，所述安装槽的底面上设有连接螺栓，所述接头的一端设有防偏载转接头，另一端设有螺栓孔，所述接头的轮廓与所述安装槽的形状相适应，所述接头通过所述螺栓孔与所述连接螺栓的配合设置于所述安装槽中，所述防偏载转接头用于连接传力结构或施力结构。

7.根据权利要求6所述的双量程测力传感器，其特征在于，在所述第一量程敏感元件的接头的外周，沿周向设有限位挡板；

所述限位元件扣设于所述壳体的设有所述第一量程敏感元件的一端，在所述限位元件与所述第一量程敏感元件之间形成空腔，所述限位元件的中心设有安装孔，所述第一量程敏感元件的接头的设有防偏载转接头的一端由所述安装孔伸出，所述限位挡板位于所述限位元件与所述第一量程敏感元件之间的空腔中。

8.根据权利要求1所述的双量程测力传感器，其特征在于，在所述弹性膜片上，根据所述弹性膜片受力变形时的应变方向划分为内圈和外圈，所述电桥为惠斯通电桥，所述电桥的四个电阻分为两组，一组位于所述内圈中，另外一组位于所述外圈中。

9.根据权利要求1所述的双量程测力传感器，其特征在于，所述电桥中的电阻为薄膜电阻，所述插头为航空插头；

每个所述电桥中还包括至少一个补偿电阻，用于补偿温度或零点。

10.一种用于制造根据权利要求1-9中任意一项所述的双量程测力传感器的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)制作第一量程敏感元件和第二量程敏感元件；

2)将第一量程敏感元件安装于壳体的一端，并连接于对应的插头；

3)将接头连接于电源及测试仪表，利用标准砝码和工装在所述第一量程敏感元件的接头上施加标准力值，测量接头在力值测量方向的位移量和压力方向的限位功能；

4)在壳体的安装有所述第一量程敏感元件的一端安装限位元件；

5)利用标准砝码和工装在所述第一量程敏感元件的接头上施加标准力值，根据接头在力值测量方向的位移量调整限位元件与第一量程敏感元件之间的距离；

6)将第二量程敏感元件安装于壳体的另一端，并连接于另一个插头。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，每个所述量程敏感元件还包括补偿板及补偿板安装座，所述补偿板安装座呈环状，设置于所述弹性膜片的带有所述电桥的一侧，且将所述弹性膜片上的多个电桥环绕在内，所述补偿板设置于所述补偿板安装座的远离所述弹性膜片的一侧，所述补偿板上设有多个连接点，多个所述电桥的端点分别通过引线连接于不同的所述连接点上，所述多个连接点分别通过电缆连接于一个所述插头；

所述步骤1)包括：

1.1)制作两个厚度不同的弹性膜片；

1.2)利用溅射薄膜工艺在两个弹性膜片上分别加工相同布局的电桥；

1.3)将弹性膜片分别与各自的补偿板安装座通过激光焊接连接；

1.4)在弹性膜片的电桥的端点上焊接引线，并涂覆三防保护层后固化；

1.5)将引线的另一端焊接于补偿板的对应的连接点上；

1.6)在补偿板的正反两面涂覆三防保护层，并固化，再利用硅橡胶将补偿板粘接于对应的补偿板安装座上，形成第一量程敏感元件和第二量程敏感元件。

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