CN114323397A - 一种电容式二维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体为一种电容式二维力传感器，主要用于通过检测电容提高响应速度以及实现传感器的数字化输出。本发明包括应变结构体，所述应变结构体包括设于外围的固定外壳、设于中心的应变台、连接在所述应变台和所述固定外壳之间的多个弹性件，还包括设于所述多个弹性件下端的电路集成板，所述电路板包括一导电平面，所述多个弹性件与单一的所述导电平面组成多组检测电容；所述电路板上集成有：电容检测模块，用以检测检测电容的电容变化值；处理模块，用以将所述电容变化值处理为数字信号；通讯模块，用以将所述数字信号输出至客户端。本发明减少了为作为可动极板的多个弹性件匹配设置多个固定极板的操作，制作省时、省力。

Description

一种电容式二维力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体为一种电容式二维力传感器，主要用于通过检测电容变化以及数字化输出，提高响应速度以及实现传感器的数字化智能化。

背景技术

根据应变测试方法不同，力传感器分为电阻应变、电容应变、压电等测量方式、电阻应变式及压电式传感器的结构简单，测量精度高，但存在动态响应慢，贴片连线困难的问题，不利于批量生产。同时随着工业数字化、智能化的不断发展，对传感器的数字化智能化要求进一步提高。

公开号为CN109974916B的专利公开了一种变极距型电容式三维力传感器结构，包括外壳、弹性件、四块可动极板、四块固定极板和一块Z向固定极板；弹性件包括一体设置的凸台和四根横梁，四根横梁呈十字形布设在凸台的外周，位于同一直线上的其中两根横梁为X向横梁，另外两根横梁为Y向横梁；每根横梁的外端均连接一块呈弧形的可动极板，其中，位于X向横梁外端的可动极板称为X向可动极板，位于Y向横梁外端的可动极板称为Y向可动极板；外壳同轴套设在弹性件的外周，可动极板底部与外壳相连接；四块固定极板设置在外壳内壁面，且与四块可动极板形状相同，位置相对应；其中，与X向可动极板位置相对应的固定极板称为X向固定极板，与Y向可动极板位置相对应的固定极板称为Y向固定极板；X向固定极板与对应的X向可动极板组成X向变极距型电容，Y向固定极板与对应的Y向可动极板组成Y向变极距型电容；Z向固定极板设置在凸台正下方，位置固定，且与凸台相平行；Z向固定极板和凸台形成Z向变极距型电容。

该专利中在通过需要为每个十字梁端部的可动极板设置单独的、与每个可动极板一一对应的固定极板，制作时需要考虑每个可动极板与对应的固定极板之间的位置关系一确保检测的准确度，制作时比较费时费力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式二维力传感器，主要用于通过检测电容变化以及数字化输出，提高响应速度以及实现传感器的数字化智能化。

本申请为了解决上述技术问题，提供了一种电容式二维力传感器，包括应变结构体，所述应变结构体包括设于外围的固定外壳、设于中心的应变台、连接在所述应变台和所述固定外壳之间的多个弹性件，还包括设于所述多个弹性件下端的电路集成板，所述电路板包括一导电平面，所述多个弹性件与单一的所述导电平面组成多组检测电容；所述电路板上集成有：电容检测模块，用以检测检测电容的电容变化值；处理模块，用以将所述电容变化值处理为数字信号；通讯模块，用以将所述数字信号输出至客户端。

本申请中，受力时可变形的多个弹性件与电路集成板的导电平面之间形成多组检测电容，其中，弹性件为一般的压力传感器必不可少的存在，而电路集成板也为传感器工作的核心，利用多个弹性件作为多个可动极板，电路集成板的唯一的导电平面作为一个固定极板，使得多个弹性件与单一的导电平面形成多组检测电容，减少了为作为可动极板的每个弹性件一一匹配设置固定极板的操作，制作时较为省时、省力，且可有效利用变形量结构和电路板结构的资源，结构简单易实现，且便于制造。除此之外，本申请中，处理模块通过将电容检测模块检测到的电容变化值处理成数字信号，再通过通讯模块实现数字化的输出，数字化输出方式抗干扰能力强，稳定性好、测量精度高，且安装维护比较方便。

作为优选，所述弹性件设有四个，四个弹性件呈十字梁型分布，分别与所述导电平面形成四组检测电容；所述电路板上集成有分别对应于四组检测电容的四组电容检测模块。

作为优选，所述二维力传感器还包括电路仓后盖；所述电路仓后盖连接在所述应变结构体下端，与所述应变结构体之间形成一电路仓，所述电路集成板设于所述电路仓内。

作为优选，所述电路集成板与所述电路仓后盖固定连接。

作为优选，所述检测电容、电容检测模块、处理模块、通讯模块依次连接，以实现电容变化值的检测、处理、输出。

作为优选，所述电路集成板还集成有电源模块，所述电源模块与所述电容检测模块、处理模块、通讯模块连通，用于为各模块供电。

作为优选，所述电源模块的电压为5-30V。

作为优选，所述二维力传感器还包括加载结构体，所述加载结构体设于所述应变结构体上端与所述应变台连接。

作为优选，所述通讯模块使用MODBUS-RTU协议与客户端通讯。

本发明具有如下技术效果：

1.四个弹性件呈十字梁型分布，使得四弹性件均匀连接在固定外壳与应变台之间，使得每个弹性件受到固定壳、应变台的影响大大降低。四个弹性件与设于其下端的导电平面形成四组检测电容，四组检测电容在测量推拉力扭矩时可以增大输出信号，提高传感器灵敏度和精度。

2.电路仓后盖设于应变结构体下端，使得放置有电路集成板的电路仓被密封起来，避免电路集成板受到外界因素的影响，进而保证二维力传感器的正常工作。

3.电路集成板在电路仓内与电路仓后盖固定连接，使得电路集成板的导电平面被固定，形成一固定极板，在传感器受到压力时，仅仅使得弹性柱发送变形而使得整个检测电容发生变化，防止导电平面移动而造成测量误差，保证了力传感器的检测精确度。

4.电容检测模块与检测电容连接，便于检测检测电容的电容变化，处理模块与电容检测模块连接，使得电容检测模块检测到的电容变化数据被发送至处理电路经锅解耦算法和数字标定算法，将模拟量转化成对应的数字力值，通讯模块与处理模块连接，接受到处理模块得到的数字力值后，直接通过通讯协议发送至客户端进行显示。

5.电源模块与电容检测模块、处理模块、通讯模块连通，为整个电路集成板的工作进行供电，确保各模块的工作能够顺利进行。

6.加载结构体为传感器的受力端，加载结构体通过与应变台连接，使得加载在其上的力被传到应变台上使得应变台发送位移变化，进而使得弹性件变形，弹性件变形导致检测电容的电容发生变化。

7.通讯模块使用MODBUS-RTU协议与客户端通讯，可进行远程传输，同时可以有效的解决共模干扰问题。

附图说明

图1 传感器应变结构体结构图。

图2 传感器应变结构体俯视图。

图3 传感器电路仓后盖俯视图。

图4 传感器加载结构体俯视图。

图5 传感器电路集成板示意图。

其中，1-应变结构体；1-1-固定外壳；1-11-连接孔；1-12-对外接口；1-2-应变台；1-3-弹性件；1-4-电路集成板；1-41-导电平面；1-42-检测电容；1-43-电容检测模块；1-44-处理模块；1-45-通讯模块；1-46-电源模块；2-电路仓后盖；3-加载结构体；4-第一螺栓；5-第二螺栓；6-第三螺栓。

具体实施方式

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。本公开将被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制到特定实施例。

本实施例提供了一种电容式二维力传感器，如图1、图2,、图5，包括应变结构体1，所述应变结构体1包括设于外围的固定外壳1-1、设于中心的应变台1-2、连接在所述应变台1-2和所述固定外壳1-1之间的弹性件1-3，还包括设于所述弹性件1-3下端的电路集成板1-4，所述电路板包括一导电平面1-41，所述弹性件1-3与所述导电平面1-41组成检测电容1-42；所述电路板上集成有：电容检测模块1-43，用以检测检测电容1-42的电容变化值；处理模块1-44，用以将所述电容变化值处理为数字信号；通讯模块1-45，用以将所述数字信号输出至客户端。

本实施例中，采用弹性件1-3作为可动电极，采用电路集成板1-4上的导电平面1-41为固定电极，形成检测电容1-42，进而实现推拉力、扭矩二维力的检测，不需要另外增设一一对应的可动电极和固定电极，结构简单易实现，且便于安装。本实施例中，力传感器在受到压力时，弹性件1-3发生变形，使得弹性件1-3与导电平面1-41之间的距离发生变化，进而使得检测电容1-42的电容值发生变化，电路集成电路板上的电容检测模块1-43用以采集检测电容1-42的电容变化值，并将采集到的电容变化数据发送到处理模块1-44进行处理，本实施例中，处理模块1-44实现将电容变化值处理成数字信号，进而发送到通讯模块1-45，使得通讯模块1-45将数字信号发送至客户端，实现数字化输出，提高力传感器的动态相应速度。

本实施例中，如图3，所述二维力传感器还包括加载结构体3，所述加载结构体3设于所述应变结构体1上端与所述应变台1-2连接。加载结构体3所在的一端作为受力端，通过第一螺栓4与应变台1-2连接，压力施加到加载结构体3上，加载结构体3将力通过与第一螺栓4连接而施加在应变台1-2上，使得应变台1-2朝下运动，本实施例中应变结构体1的固定外壳1-1被固定在需要测力的结构体上，因而固定外壳1-1被固定，在应变台1-2朝下运动时，连接在固定外壳1-1与应变台1-2之间的弹性件1-3弯折，使得弹性件1-3与导电平面1-41所组成的检测电容1-42的电容发生变化，进而通过检测电容1-42的变化值实现力的检测。

本实施例中，所述弹性件1-3设有四个，四个弹性件1-3呈十字梁型分布，分别与所述导电平面1-41形成四组检测电容1-42；所述电路板上集成有分别对应于四组检测电容1-42的四组电容检测模块1-43。四个的弹性件1-3呈十字梁型分布，即爱格弹性件1-3均匀环绕设置在固定外壳1-1与应变台1-2之间，使得应变台1-2受力时，固定外壳1-1多弹性件1-3的影响周向均衡，减小差异性。其中，四组电容检测模块1-43分别对应与四组检测电容1-42连接，分别对应检测四组检测电容1-42的电容变化值，四组检测电容1-42在测量二维力（推拉力、扭矩）时，经过处理模块1-44通过解耦算法以及数字标定算法后转化为一组二维力值的数字信号。其中，数字标定算法用于建立四组检测电容1-42的电容变化值与输出的数字信号之间的关系，解耦算法可以减小或消除多个维度的力分量之间互相影响产生的耦合误差。通过四组检测电容1-42进行数字标定算法建立输入与输出之间的关系，可以增大输出信号，便于提高里传感器的灵敏度和精度。

本实施例中电容式压力传感器弹性件1-3作为检测电容1-42的一个极板使用，承载力较低，本实施例中可通过将弹性体分为上部承载部和下部电极部，承载部具有一定的承载力，实际为下部电极部与导电平面1-41之间形成检测电容1-42。不仅仅实现了通过检测电容1-42实现力的检测，也一定程度上加强了电容式传感器的承载力。除此之外，本实施例中，还可通过在应变台1-2与固定外壳1-1之间增加额外的加强梁，加强梁设置在弹性件1-3的多根弹性柱的间隙处，在不影响弹性体作为可动电极的基础上，使得传感器具有一定的承载力。

本实施例中，如图4，所述二维力传感器还包括电路仓后盖2；所述电路仓后盖2连接在所述应变结构体1下端，与所述应变结构体1之间形成一电路仓，所述电路集成板1-4设于所述电路仓内。即通过电路仓后盖2将应变结构体1下端密封起来，形成密封的电路仓结构，可有效防止外部环境中灰尘、雨水等环境的影响，可保护里传感器的正常工作。其中，电路仓后盖2通过螺栓与应变结构体1的固定外壳1-1连接，连接方便。本实施例中所述的导电平面1-41为电路集成板1-4所形成的平整的下端面，为了使得导电平面1-41形成检测电容1-42的固定电极，所述电路集成板1-4与所述电路仓后盖2固定连接。在安装时，可先将电路集成板1-4与电路仓后盖2的内端面固定连接，再将电路仓后盖2通过第二螺栓5连接到应变结构体1的下端。

本实施例中，为了保证电路集成板1-4上个模块之间的数据传输，所述检测电容1-42、电容检测模块1-43、处理模块1-44、通讯模块1-45依次连接，以实现电容变化值的检测、处理、输出。其中，电容检测模块1-43检测到检测电容1-42的电容变化值，将电容变化值传输至处理模块1-44，本实施例中处理模块1-44将电容变化值进行滤波后，通过解耦算法和数字标定算法，将电容变化值转化成对应的数字力值（即数字信号），发送至通讯模块1-45进行力值数据的输出。本实施例中，通讯电路采用RS485通信电路，所述通讯模块1-45使用MODBUS-RTU协议与客户端通讯。可实现通讯模块1-45向客户端进行数据的远程传输，且传输速度较快，使得力传感器的动态响应速度较快。本实施例中，应变结构体1的固定外壳1-1上设有对外接口1-12，与电路集成板1-4连接，用于信号传输。

本实施例中，为了确保电路集成板1-4上各模块的正常工作，所述电路集成板1-4还集成有电源模块1-46，所述电源模块1-46与所述电容检测模块1-43、处理模块1-44、通讯模块1-45连通，用于为各模块供电。其中，所述电源模块1-46的电压为5-30V。

本实施例中，通过第三螺栓6将力传感器固定到特定的位置，其中，第三螺栓6贯穿整个传感器的上下两端，为了便于连接，应变结构体1的固定外壳1-1上设有贯通上下两端的连接孔1-11，第三螺栓6穿过连接孔1-11将力传感器固定到特定的位置。

虽然描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (9)

1.一种电容式二维力传感器，包括应变结构体，所述应变结构体包括设于外围的固定外壳、设于中心的应变台、连接在所述应变台和所述固定外壳之间的多个弹性件，其特征在于：

还包括设于所述多个弹性件下端的电路集成板，所述电路板包括一导电平面，所述多个弹性件与单一的所述导电平面组成多组检测电容；

所述电路板上集成有：

电容检测模块，用以检测检测电容的电容变化值；

处理模块，用以将所述电容变化值处理为数字信号；

通讯模块，用以将所述数字信号输出至客户端。

2.根据权利要求1所述的一种电容式二维力传感器，其特征在于：

所述弹性件设有四个，四个弹性件呈十字梁型分布，分别与所述导电平面形成四组检测电容；

所述电路板上集成有分别对应于四组检测电容的四组电容检测模块。

3.根据权利要求1所述的一种电容式二维力传感器，其特征在于：

所述二维力传感器还包括电路仓后盖；

所述电路仓后盖连接在所述应变结构体下端，与所述应变结构体之间形成一电路仓，所述电路集成板设于所述电路仓内。

4.根据权利要求3所述的一种电容式二维力传感器，其特征在于：

所述电路集成板与所述电路仓后盖固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种电容式二维力传感器，其特征在于：

所述检测电容、电容检测模块、处理模块、通讯模块依次连接，以实现电容变化值的检测、处理、输出。

6.根据权利要求5所述的一种电容式二维力传感器，其特征在于：

所述电路集成板还集成有电源模块，所述电源模块与所述电容检测模块、处理模块、通讯模块连通，用于为各模块供电。

7.根据权利要求6所述的一种电容式二维力传感器，其特征在于：

所述电源模块的电压为5-30V。

8.根据权利要求1所述的一种电容式二维力传感器，其特征在于：

所述二维力传感器还包括加载结构体，所述加载结构体设于所述应变结构体上端与所述应变台连接。

9.根据权利要求1所述的一种电容式二维力传感器，其特征在于：

所述通讯模块使用MODBUS-RTU协议与客户端通讯。

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