CN205593682U - 一种应变式三向压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应变式三向压力传感器，包括底座、固定在底座上的弹性敏感元件以及固定在弹性敏感元件上部的压盖；所述弹性敏感元件包括外圈圆环、位于外圈圆环中心的中心圆柱以及固定在外圈圆环和中心圆柱之间的上十字梁组和下十字梁组；所述上十字梁组和下十字梁组上下平行且均包括四根十字梁，四根十字梁均匀分布在外圈圆环和中心圆柱之间；所述上十字梁组和下十字梁组的各个十字梁上均粘贴有应变片，所述应变片的电阻作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。本实用新型的应变式三向压力传感器通过在外圈圆环及中心圆柱之间设置上十字梁组和下十字梁组，从设计上消除了向间耦合的问题。

Description

一种应变式三向压力传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及一种应变式三向压力传感器。

背景技术

应变式压力传感器作为传感器家族的重要成员，因其结构简单、性能稳定和使用方便，使其得到广泛应用。三向应变式压力传感器是由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来能够实现对空间相互正交的三个方向的压力进行测量的一类传感器，其基本原理是：将应变片粘贴在弹性敏感元件表面特定位置上，当弹性敏感元件受到外作用力作用时，弹性敏感元件将产生相应应变，电阻应变片将应变变化转换成电阻的变化，通过电桥电路把电阻变化转化成电压变化输出电压信号，从而实现对外作用力的测量。

现有应变式多向力传感器主要有三类：一类是双孔悬臂梁组合结构式力传感器，通过不同方位的双孔悬臂梁感应不同方向的作用力从而实现对多向力的测量，此类传感器主要存在加工、贴片困难，且存在一定的向间耦合问题。所谓向间耦合是指在没有受到力的方向上也有输出，向间耦合是制约应变式多向力传感器多向力测量能力和工艺性的关键因素。一类是柱式多向力传感器，采用在柱形表面布置多个位置和方位的应变片，并通过求解输入与输出的转换矩阵，实现对多向力的测量，这类传感器转换矩阵求解工作量大，且贴片复杂。另一类是十字梁式多向力传感器，通在各梁的表面粘贴应变片，同样通过求解输入与输出转换矩阵实现对多向力的测量，且这种十字梁式多向力传感器向间耦合问题较为严重。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本实用新型提供了一种应变式三向压力传感器。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种应变式三向压力传感器，包括底座、固定在底座上的弹性敏感元件以及固定在弹性敏感元件上部的压盖；所述弹性敏感元件包括外圈圆环、位于外圈圆环中心的中心圆柱以及固定在外圈圆环和中心圆柱之间的上十字梁组和下十字梁组；所述上十字梁组和下十字梁组上下平行且均包括四根十字梁，四根十字梁均匀分布在外圈圆环和中心圆柱之间；所述上十字梁组和下十字梁组的各个十字梁上均粘贴有应变片，所述应变片的电阻作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。

进一步地，所述上十字梁组和下十字梁组相互交错呈45度夹角。

进一步地，所述上十字梁组的十字梁的上表面为平面，其下表面为凹弧状，所述上十字梁组的十字梁的上表面粘贴有应变片。

进一步地，所述下十字梁组的十字梁的下表面为平面，其上表面为凹弧状，所述下十字梁组的十字梁的下表面粘贴有应变片。

进一步地，所述弹性敏感元件通过第一螺钉固定在底座上。

进一步地，所述压盖通过第二螺钉固定在弹性敏感元件的上部。

进一步地，所述上十字梁组位置相对的两个十字梁上的应变片的电阻，作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。

进一步地，所述下十字梁组的相邻两个十字梁上的应变片的电阻两两串联，并作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。

相对于现有技术，本实用新型的应变式三向压力传感器通过在外圈圆环及中心圆柱之间设置上十字梁组和下十字梁组，从设计上消除了向间耦合的问题；本实用新型的应变式三向压力传感器还可通过加工不同的上十字梁组和下十字梁组的十字梁，实现不同的量程以及轴向与水平测量不同的量程差。本实用新型的应变式三向压力传感器具有贴片容易，贴片数量少，结构简单，加工方便等特点。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1是本实用新型的应变式三向压力传感器的立体图。

图2是本实用新型的应变式三向压力传感器的爆炸示意图。

图3是下十字梁组的结构示意图。

图4是半桥形式的电桥电路示意图。

图5是串联的半桥形式的电桥电路示意图。

具体实施方式

请参阅图1-图5。图1是本实用新型的应变式三向压力传感器的立体图。图2是本实用新型的应变式三向压力传感器的爆炸示意图。图3是下十字梁组的结构示意图。图4是半桥形式的电桥电路示意图。图5是串联的半桥形式的电桥电路示意图。

本实用新型的应变式三向压力传感器，包括底座13、固定在底座1上的弹性敏感元件2以及固定在弹性敏感元件2上部的压盖3；弹性敏感元件2包括外圈圆环21、位于外圈圆环21中心的中心圆柱22以及固定在外圈圆环21和中心圆柱22之间的上十字梁组23和下十字梁组24；上十字梁组23和下十字梁组24上下平行且均包括四根十字梁，四根十字梁均匀分布在外圈圆环21和中心圆柱22之间；上十字梁组23和下十字梁组24的各个十字梁上均粘贴有应变片，应变片的电阻作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。

上十字梁组23和下十字梁组24相互交错呈45度夹角。上十字梁组23由231、232、233、234四根十字梁组成，上十字梁组23的十字梁的上表面为平面，其下表面为凹弧状，这样十字梁的凹弧状一侧位于弹性敏感元件2的内侧，在上十字梁组23的十字梁的上表面粘贴应变片。上十字梁组23用来测量水平测量方向的作用力，水平测量方向是指与传感器顶端受力面相切且与传感器中心轴相垂直的两个相互正交的受力方向，更直观地可以将水平测量方向定义为分别沿上十字梁组23的正交的两根十字梁的梁长方向。当弹性敏感元件2受到沿水平测量方向的某一作用力时，受结构对称的影响，中心圆柱22两侧位置相对的两根十字梁变形情况相反，一根受拉，另一根受压，即位置相对的两根十字梁离中心圆柱22距离相等的点上的应变值的绝对值相同，且符号相反；而与此作用力方向垂直的两根十字梁受到弯曲的作用力，这两根十字梁产生的变形一致。如图2所示，当弹性敏感元件2受X正向作用力时，十字梁234受压，十字梁232受拉，十字梁233和十字梁231受弯曲且变形情况一致。

上十字梁组23位置相对的两个十字梁上的应变片的电阻，作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。如图4所示，R1和R2分别为应变片a1和应变片a3的电阻，应变片a1与应变片a3的电阻作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。同理，应变片a2与应变片a4对应的电阻作为另一个半桥形式的电桥电路的接入被测量。

下十字梁组24的十字梁的下表面为平面，其上表面为凹弧状，下十字梁组24的十字梁的下表面粘贴有应变片。下十字梁组24用来测量沿弹性敏感元件2的中心轴方向的作用力，当弹性敏感元件2受沿轴向的作用力时，所有十字梁受弯曲作用，其中上十字梁组23的四根十字梁产生的变形一致，下十字梁组24的四根十字梁产生的变形也一致。受沿轴向的作用力时，下十字梁组24的四根十字梁上的应变片沿中心轴方向产生局部应变，部分为正应变，部分为负应变，考虑到水平测量方向受力时，下十字梁组24的四根十字梁也会产生一定的应变，且应变片远离中心圆柱22的应变值的绝对值小于靠近中心圆柱的应变值的绝对值，因此，为减少水平测量方向受力对轴向测量的影响，下十字梁组24的十字梁的下表面沿十字梁的长度方向靠进下表面外侧且远离中心圆柱22的位置，每个十字梁只粘贴一个应变片。

下十字梁组24的相邻两个十字梁上的应变片的电阻两两串联，并作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。应变片b1和应变片b2串联、应变片b3和应变片b4串联，串联后作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。如图5所示，R1和R2分别作为应变片b1和应变片b2的电阻，R3和R4分别作为应变片b3和应变片b4的电阻，串联后的R1和R2、R3和R4分别作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。

利用结构的对称性和惠斯通电桥的特定的组桥方式，当受沿Z向(轴向)作用力的作用时，上十字梁组23的a1、a2、a3、a4四个应变片的电阻变化相同，于是，测量X向和Y向(水平测量方向)的电桥电路无信号输出；当X向受作用力时，位于Y向上的a1和a3两个应变片产生的应变大小相同，则，a1和a3作为接入被测量的电桥电路没有信号输出。受上十字梁组23和下十字梁组24上下交错布置的影响，当水平测量方向受力时，下十字梁组24的四个应变片产生的应变值小上十字梁组23的应变片的应变值两个量级，因此，当X向或Y向满载时，测量Z向的电桥电路输出信号变化非常小。可以将Z向输出信号变化量小于某个值置零的办法，对测量Z向的电桥电路进行校核，可实现水平测量方向受力时，测量Z向电桥电路无信号输出，从而解决了向间耦合的问题。

弹性敏感元件2通过多个第一螺钉4固定在底座1上。底座1中心采用一紧定螺钉6，通过调整紧定螺钉6的底部与中心圆柱22下表面的距离，实现对轴向测量的过载保护，并能够实现量程调节。压盖3通过多个第二螺钉5固定在弹性敏感元件2的上部。第一螺钉4和第二螺钉5的规格不同，第一螺钉4的直径大于第二螺钉5。压盖3用来防止水平测量方向过载，起到过载保护的作用，可以在压盖3上刻图文来指示标准加载方向。压盖3中心有一比中心圆柱22直径稍大的圆孔，当弹性敏感元件2受水平方向作用力过载时，中心圆柱22与压盖3相接触，从而实现对弹性敏感元件2在水平方向测量时的过载保护。

相对于现有技术，本实用新型的应变式三向压力传感器通过在外圈圆环及中心圆柱之间设置上十字梁组和下十字梁组，从设计上消除了向间耦合的问题；本实用新型的应变式三向压力传感器还可通过加工不同的上十字梁组和下十字梁组的十字梁，实现不同的量程以及轴向与水平测量不同的量程差。本实用新型的应变式三向压力传感器具有贴片容易，贴片数量少，结构简单，加工方便等特点。

本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。

Claims (8)

1.一种应变式三向压力传感器，其特征在于：包括底座、固定在底座上的弹性敏感元件以及固定在弹性敏感元件上部的压盖；所述弹性敏感元件包括外圈圆环、位于外圈圆环中心的中心圆柱以及固定在外圈圆环和中心圆柱之间的上十字梁组和下十字梁组；所述上十字梁组和下十字梁组上下平行且均包括四根十字梁，四根十字梁均匀分布在外圈圆环和中心圆柱之间；所述上十字梁组和下十字梁组的各个十字梁上均粘贴有应变片，所述应变片的电阻作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。

2.根据权利要求1所述的应变式三向压力传感器，其特征在于：所述上十字梁组和下十字梁组相互交错呈45度夹角。

3.根据权利要求1所述的应变式三向压力传感器，其特征在于：所述上十字梁组的十字梁的上表面为平面，其下表面为凹弧状，所述上十字梁组的十字梁的上表面粘贴有应变片。

4.根据权利要求1所述的应变式三向压力传感器，其特征在于：所述下十字梁组的十字梁的下表面为平面，其上表面为凹弧状，所述下十字梁组的十字梁的下表面粘贴有应变片。

5.根据权利要求1所述的应变式三向压力传感器，其特征在于：所述弹性敏感元件通过第一螺钉固定在底座上。

6.根据权利要求1所述的应变式三向压力传感器，其特征在于：所述压盖通过第二螺钉固定在弹性敏感元件的上部。

7.根据权利要求1所述的应变式三向压力传感器，其特征在于：所述上十字梁组位置相对的两个十字梁上的应变片的电阻，作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。

8.根据权利要求1所述的应变式三向压力传感器，其特征在于：所述下十字梁组的相邻两个十字梁上的应变片的电阻两两串联，并作为半桥形式的电桥电路的接入被测量。