CN115060405A - 一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,它涉及微型化六维力传感器技术领域。它包括铝合金基座、六维力弹性体、信号调理线路板,六维力弹性体的下端法兰连接在铝合金基座,且信号调理线路板的下侧螺钉连接在六维力弹性体的上端。本发明有益效果为:本六维力传感器的尺度可微型化,测量精度得到提高,生产效率得以提升,可以更好的运用于微空间的使用场景,且解决了传统六维力传感器产品在量程条件和输出灵敏度条件下的小型化难题,同时解决了传统六维力传感器结构复杂,加工生产效率低下,产品一致性低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微型化六维力传感器技术领域,具体涉及一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器。
背景技术
多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器,在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量,因此,多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器,即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器,广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。
传统的六维力传感器其感测应变片是通过粘贴工艺固定在弹性体上的,粘贴工艺带来的蠕变,迟滞和长期老化等问题,这些问题会直接影响传感器的测量精度和使用寿命。另外感测应变片的个体面积较大,需要大的粘贴位置,从而严重影响传感器产品的小型化市场应用,目前市场上需要更加微型化的六维力传感器,而传通的六维力传感器的弹性体材料主要为不锈钢和金属合金等材料,由于材料的力学性能限制,制作的六维力传感器在量程条件和灵敏度条件下产品几何尺度比较大,从而限制了其市场应用,尤其是在小型化,微空间的应用场景受到制约,另外,现有的六维力传感器的弹性体都是CNC机械加工成型的,对于一些复杂结构的弹性体加工生产效率低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中不足与缺陷,提供一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,本六维力传感器的尺度可微型化,测量精度得到提高,生产效率得以提升,可以更好的运用于微空间的使用场景,且解决了传统六维力传感器产品在量程条件和输出灵敏度条件下的小型化难题,同时解决了传统六维力传感器结构复杂,加工生产效率低下,产品一致性低的问题。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案是:一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,它包括铝合金基座1、六维力弹性体2、信号调理线路板3,所述六维力弹性体2的下端法兰连接在铝合金基座1,且信号调理线路板3的下侧螺钉连接在六维力弹性体2的上端。
作为本发明更为具体的:所述六维力弹性体2采用非径向的三横梁结构,三横梁结构同近似的十字梁结构相比较,在相同尺度下有更高的灵敏度并克服了径向效应的干扰,且采用了特殊的非晶合金材料,其材料的杨氏模量同不锈钢和金属合金相比较要小的多,从而使传感器的灵敏度更高,提高了传感器的抗干扰能力,另外,该材料的屈服强度和比强度同不锈钢和铝合金相比较要高很多,从而在相同量程条件下可通过更小的几何尺度来达成,有利于产品的小型化,使用热压模铸的生产工艺一体化制成的,极大减少了后续CNC的工作量,提高了生产效率,也有利于产品性能的一致性。
作为本发明更为具体的:所述六维力弹性体2上设有力敏感测电阻21,且力敏感测电阻21设有24个,且均通过真空镀膜工艺设置在六维力弹性体2上,从而构成六组惠斯通电桥电路,具有测量精度高,工作温度高,使用寿命长的优点。
作为本发明更为具体的:所述六维力弹性体2所采用的非晶合金材料是非晶合金材料Zr62Cu17Ni13Al8或Zr52、5Cu18Ni14、5Al10Nb5或Zr55Cu30Al10Ni5中的一种,该种非晶合金材料的力学性能优良,杨氏模量可低达40GPa,屈服强度可高达1600MPa,比强度可高达304不锈钢的8-9倍,硬度高达500HV,热涨系数为7-9同玻璃陶瓷接近,密度为5克每立方厘米略高于铝合金,热压模铸的工艺璧厚可低于0.25mm,是优良的弹性体材料。
作为本发明更为具体的:所述六维力弹性体2包括了外圆毂22、内圆毂23、斜横梁24,所述斜横梁24设有三组,斜横梁24一端连接外圆毂22,斜横梁24另一端连接内圆毂23,且24个力敏感测电阻21分别沉积在三组的斜横梁侧面上。
作为本发明更为具体的:所述外圆毂22、内圆毂23及斜横梁24是在同一个平面上的同心一体化结构。
作为本发明更为具体的:所述外圆毂22的轴相截面为矩形,内圆毂23的轴相截面为矩形。
本发明的工作原理:六维力弹性体2是采用特殊的非晶合金材料通过热压模铸工艺制作的非径向三横梁结构再通过真空镀膜工艺在其三横梁上制作力敏感测电阻21构成惠斯通电桥电路而成的,由于所采用的非晶合金材料的优良力学性能尤其是它的杨氏模量低,屈服强度和比强度大的特性,在相同的量程和灵敏度条件下可成倍的减小弹性体的几何尺度,从而大大降低了整个传感器的尺寸,实现了整个传感器的微型化。
采用上述技术方案后,本发明有益效果为:
1.采用了特殊的非晶合金材料通过热压模铸工艺制作的非径向三横梁结构再通过真空镀膜工艺在其三横梁上制作力敏感测电阻构成惠斯通电桥电路,在保证传感器灵敏度和使用量程的前提下,可大大减小传感器几何尺度,提高传感器的测量精度和使用工作温度;
2.采用了特殊的非径向三横梁结构作为弹性体,在相同尺度条件下有更大的梁长,从而提高了灵敏度,并克服了传统十字梁结构六维力传感器的径向效应,提高了测量精度和抗干扰能力;
3.采用了热压模铸的弹性体成型工艺,对于微型化的弹性体在批量生产时一模多出,从而大大提高了生产效率,保证了产品的一致性;
4.采用了真空镀膜工艺将用于感测的应变电阻直接沉积在弹性体上,实现了敏感元件同弹性体的化学结晶接合,解决了传统粘贴工艺带来的蠕变,迟滞和长期老化等问题,提高了传感器的工作温度,测量精度和使用寿命,同时克服了传统粘贴工艺在应变片粘接时由于应变片的尺寸对弹性体尺度的制约难题;
通过上述设计和工艺后,六维力传感器的尺度可微型化,测量精度得到提高,生产效率得以提升,可以更好的运用于微空间的使用场景,且解决了传统六维力传感器产品在量程条件和输出灵敏度条件下的小型化难题,同时解决了传统六维力传感器结构复杂,加工生产效率低下,产品一致性低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中六维力弹性体2的结构示意图。
图3是本发明中力敏感测电阻21的正面位置示意图。
图4是本发明中力敏感测电阻21的反面位置示意图。
图5是本发明对应的六维力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz方向定义示意图。
图6是本发明中力敏感测电阻21组成的六组惠斯通电桥中法向力Fx测量电桥的电路示意图。
图7是本发明中力敏感测电阻21组成的六组惠斯通电桥中法向力Fy测量电桥的电路示意图。
图8是本发明中力敏感测电阻21组成的六组惠斯通电桥中法向力Fz测量电桥的电路示意图。
图9是本发明中力敏感测电阻21组成的六组惠斯通电桥中弯矩Mx测量电桥的电路示意图。
图10是本发明中力敏感测电阻21组成的六组惠斯通电桥中弯矩My测量电桥的电路示意图。
图11是本发明中力敏感测电阻21组成的六组惠斯通电桥中弯矩Mz测量电桥的电路示意图。
附图标记说明:铝合金基座1、六维力弹性体2、信号调理线路板3、力敏感测电阻21、外圆毂22、内圆毂23、斜横梁24。
具体实施方式
参看图1-图4所示,本具体实施方式采用的技术方案是:它包括铝合金基座1、六维力弹性体2、信号调理线路板3,所述六维力弹性体2的下端法兰连接在铝合金基座1,且信号调理线路板3的下侧螺钉连接在六维力弹性体2的上端,所述六维力弹性体2采用非径向的三横梁结构,三横梁结构同近似的十字梁结构相比较,在相同尺度下有更高的灵敏度并克服了径向效应的干扰,且采用了特殊的非晶合金材料,其材料的杨氏模量同不锈钢和金属合金相比较要小的多,从而使传感器的灵敏度更高,提高了传感器的抗干扰能力,另外,该材料的屈服强度和比强度同不锈钢和铝合金相比较要高很多,从而在相同量程条件下可通过更小的几何尺度来达成,有利于产品的小型化,使用热压模铸的生产工艺一体化制成的,极大减少了后续CNC的工作量,提高了生产效率,也有利于产品性能的一致性,所述六维力弹性体2上设有力敏感测电阻21,且力敏感测电阻21设有24个,且均通过真空镀膜工艺设置在六维力弹性体2上,从而构成六组惠斯通电桥电路,具有测量精度高,工作温度高,使用寿命长的优点,所述六维力弹性体2所采用的非晶合金材料是非晶合金材料Zr62Cu17Ni13Al8或Zr52、5Cu18Ni14、5Al10Nb5或Zr55Cu30Al10Ni5中的一种,该种非晶合金材料的力学性能优良,杨氏模量可低达40GPa,屈服强度可高达1600MPa,比强度可高达304不锈钢的8-9倍,硬度高达500HV,热涨系数为7-9同玻璃陶瓷接近,密度为5克每立方厘米略高于铝合金,热压模铸的工艺璧厚可低于0.25mm,是优良的弹性体材料。
所述六维力弹性体2包括了外圆毂22、内圆毂23、斜横梁24,所述斜横梁24设有三组,斜横梁24一端连接外圆毂22,斜横梁24另一端连接内圆毂23,且24个力敏感测电阻21分别沉积在三组的斜横梁侧面上,所述外圆毂22、内圆毂23及斜横梁24是在同一个平面上的同心一体化结构,所述外圆毂22的轴相截面为矩形,内圆毂23的轴相截面为矩形。
参看图5-图11,通过金属键合工艺将所述的24个力敏感测电阻21相应的连接为六组惠斯通电桥以分别检测六维力Fx、Fy、Fz、Mx、My及Mz,力敏感测电阻R1,R2,R3,R4组成第一组惠斯通电桥,测量法向力Fx,力敏感测电阻R5,R6,R7,R8组成第二组惠斯通电桥,测量法向力Fy,力敏感测电阻R9,R10,R11,R12组成第三组惠斯通电桥,测量法向力Fz,力敏感测电阻R13,R14,R15,R16组成第四组惠斯通电桥,测量弯矩Mx,力敏感测电阻R17,R18,R19,R20组成第五组惠斯通电桥,测量弯矩My,力敏感测电阻R21,R22,R23,R24组成第六组惠斯通电桥,测量弯矩Mz。
本发明的工作原理:六维力弹性体2是采用特殊的非晶合金材料通过热压模铸工艺制作的非径向三横梁结构再通过真空镀膜工艺在其三横梁上制作力敏感测电阻21构成惠斯通电桥电路而成的,由于所采用的非晶合金材料的优良力学性能尤其是它的杨氏模量低,屈服强度和比强度大的特性,在相同的量程和灵敏度条件下可成倍的减小弹性体的几何尺度,从而大大降低了整个传感器的尺寸,实现了整个传感器的微型化。
以上所述,仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,其特征在于:它包括铝合金基座(1)、六维力弹性体(2)、信号调理线路板(3),所述六维力弹性体(2)的下端法兰连接在铝合金基座(1),且信号调理线路板(3)的下侧螺钉连接在六维力弹性体(2)的上端。
2.根据权利要求1所述的一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,其特征在于:所述六维力弹性体(2)采用非径向的三横梁结构,且采用了特殊的非晶合金材料,使用热压模铸的生产工艺一体化制成的。
3.根据权利要求2所述的一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,其特征在于:所述六维力弹性体(2)上设有力敏感测电阻(21),且力敏感测电阻(21)设有24个,且均通过真空镀膜工艺设置在六维力弹性体(2)上,从而构成六组惠斯通电桥电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,其特征在于:所述六维力弹性体(2)所采用的非晶合金材料是非晶合金材料Zr62Cu17Ni13Al8或Zr52、5Cu18Ni14、5Al10Nb5或Zr55Cu30Al10Ni5中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,其特征在于:所述六维力弹性体(2)包括了外圆毂(22)、内圆毂(23)、斜横梁(24),所述斜横梁(24)设有三组,斜横梁(24)一端连接外圆毂(22),斜横梁(24)另一端连接内圆毂(23),且24个力敏感测电阻(21)分别沉积在三组的斜横梁侧面上。
6.根据权利要求5所述的一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,其特征在于:所述外圆毂(22)、内圆毂(23)及斜横梁(24)是在同一个平面上的同心一体化结构。
7.根据权利要求5所述的一种基于特殊非晶合金材料的微型化六维力传感器,其特征在于:所述外圆毂(22)的轴相截面为矩形,内圆毂(23)的轴相截面为矩形。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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