CN209387171U - 一种基于电涡流传感器的多维测微力计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电涡流传感器的多维测微力计，由测力单元和感测单元构成，其测力单元为一片铍铜簧片，铍铜簧片利用其外固定环支撑在上盖板上，在其中心盘面的上表面安装测力探头，在其中心盘面的下表面设置四爪测位板，四爪测位板是在中心固定盘的外围均匀分布四根等长的爪臂，各爪臂的前端设有金属薄片形成四个电涡流测头；感测单元是在圆筒形内腔中设置电涡流传感器，呈十字分布的同一平面中的四只电涡流传感器与四个电涡流测头一一对应，形成四只电涡流检测器；以四只电涡流检测器的检测信号为测微力计的检测输出信号。本实用新型具有精度高、灵敏度高、量程可调、可测不同方向力等优势。

Description

一种基于电涡流传感器的多维测微力计

技术领域

本实用新型属于高精度微小力测量领域，更具体地说是一种基于电涡流传感器的多维测微力计。

背景技术

近年来，微机电器件(MEMS)得到了很大的发展，应用范围越来越广。为了评估MEMS器件的性能需要使用高精度的微纳米探头才能实现，而精确确定高精度微纳米探头的力学参数则需要使用高精度的测微力计来实现。此外，高精度的测微力计还可应用于精密称重，例如药品成分分析等，应用较为广泛。

现有技术中的测力计，如应变式力传感器，其灵敏度较低，且易受温度和湿度影响，加工成本高；MEMS测力计的检测精度高，但是其加工成本高，输出信号弱，易受测试环境温度的影响，对于后处理电路有着很高的要求；光纤布拉格光栅(FBG)测力计可以实现很高的灵敏度，但是检测精度取决于后处理的解调过程，达到高精度需要的成本较高；此外，还有磁电式测力计，该种测力计检测范围小，对于测量环境要求较高，易受环境电磁干扰的影响，且制作工艺复杂。

发明内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于电涡流传感器的多维测微力计，以期实现高精度的微力检测，同时具有量程可调、结构简单、成本低、免调节以及装调方便等优势。

本实用新型为实现发明目的采用如下技术方案：

本实用新型基于电涡流传感器的多维测微力计的结构特点是：在由上盖板和圆筒体形成的圆筒形内腔中设置测力单元和感测单元构成；

所述测力单元为一片铍铜簧片，所述铍铜簧片具有外固定环和中心盘面，在所述外固定环和中心盘面之间由弹性梁相连，所述铍铜簧片利用其外固定环由压环压装并支撑在所述上盖板上，在其中心盘面的上表面利用上固定盘安装测力探头，在其中心盘面的下表面设置四爪测位板，所述四爪测位板是在中心固定盘的外围均匀分布四根等长的爪臂，各爪臂的前端设有金属薄片，形成四个电涡流测头；

所述感测单元是在圆筒形内腔中设置电涡流传感器，呈十字分布的同一平面中的四只电涡流传感器与所述四个电涡流测头一一对应，形成四只电涡流检测器；以所述四只电涡流检测器的检测信号为测微力计的检测输出信号。

本实用新型基于电涡流传感器的多维测微力计的结构特点也在于：所述铍铜簧片中的弹性梁设置为轮辐型、六弹性梁型或四弹性梁型，用于实现不同的微力测量范围和测量灵敏度。

本实用新型基于电涡流传感器的多维测微力计的结构特点也在于：将所述测力探头的顶端设置为六棱柱，所述六棱柱的顶面和六个侧面，共计七个面都能够作为接触面进行微力检测，用于实现多维微力检测。

本实用新型基于电涡流传感器的多维测微力计的结构特点也在于：根据测力范围和灵敏度的要求，选定所述弹性梁的形状，和/或调整所述铍铜簧片的厚度。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型基于电涡流效应，利用四个电涡流传感器实现多个方向上的微力测量，具有精度高、抗干扰性能力强、非线性误差小、对称性好、结构简单、灵敏度高等优点。

2、本实用新型可以根据需要及时更换不同型号的簧片调整测力范围，通过配合高精度、高灵敏度的簧片将力的变化转化成位移的变化，再建立力-位移(或偏转)-输出电压的关系实现测量。

3、本实用新型还可根据需要通过更换不同形状测力探头，比如：采用呈立方体的测力探头、呈多面棱柱的测力探头等实现不同方向微力的测量。

附图说明

图1为本实用新型总体结构示意图；

图2为本实用新型结构分解示意图；

图3a、图3b和图3c为本实用新型不同的形式的铍铜簧片示意图；

图4为本实用新型在Z方向上的测量原理图；

图5为本实用新型在水平方向上的测量原理图；

图中标号：1上盖板，2圆筒体，3铍铜簧片，3a外固定环，3b中心盘面，3c弹性梁，4压环，5测力探头，6四爪测位板，6a中心固定盘，6b爪臂，6c金属薄片，7电涡流传感器。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中基于电涡流传感器的多维测微力计是：在由上盖板1和圆筒体2形成的圆筒形内腔中设置测力单元和感测单元构成。

如图1、图2、图3a和图4所示，测力单元为一片铍铜簧片3，铍铜簧片3具有外固定环3a和中心盘面3b，在外固定环3a和中心盘面3b之间由弹性梁3c相连，铍铜簧片3利用其外固定环3a由压环4压装并支撑在上盖板1上，在其中心盘面3b的上表面利用上固定盘安装测力探头5，在其中心盘面3b的下表面设置四爪测位板6，四爪测位板是在中心固定盘 6a的外围均匀分布四根等长的爪臂6b，各爪臂6b的前端设有金属薄片6c，形成四个电涡流测头。

感测单元是在圆筒形内腔中设置电涡流传感器7，呈十字分布的同一平面中的四只电涡流传感器7与四个电涡流测头一一对应，形成四只电涡流检测器；以四只电涡流检测器的检测信号为测微力计的检测输出信号。

具体实施中，铍铜簧片3中的弹性梁3c可以设置为如图3a所示的轮辐型、如图3b所示的六弹性梁型，或如图3c所示的四弹性梁型，用于实现不同的微力测量范围和测量灵敏度。

为了实施多维力的检测，可以将测力探头5的顶端设置为六棱柱，六棱柱的顶面和六个侧面，共计七个面都能够作为接触面进行微力检测。

具体实施中，根据测力范围和灵敏度的要求选定弹性梁3c的形状，和/或调整铍铜簧片的厚度。

本实施例中，电涡流传感器可以采用美国KAMAN传感器公司的SMT-9700-15N，该传感器的位移监测范围为900μm，灵敏度为30μm/V，分辨率为1nm，具有较好的抗干扰和漂移的性能，满足本实用新型需求。

表1所示为本实施例中可选的铍铜簧片形式及其参数，共九种不同规格的铍铜簧片，最小可实现0.6mN/μN的测力，最小量程在0.58mN—4mN，最大量程可达到3—24mN的测力。

表1

图4所示为Z向力测量原理：在测力探头5上施加竖向力，该竖向力传导至铍铜簧片，使铍铜簧片因受力产生形变，四爪测位板的各爪臂前端金属薄片随着铍铜簧片的形变发生微小的上下移动，四只电涡流检测器因此感测四个金属薄片的位移量，根据力与形变的关系，通过数据处理即可获得力与输出电压之间的关系，实现竖向力的测量。

图5所示为水平力测量原理：在测力探头5上施加水平力，该水平力传导至铍铜簧片，使铍铜簧片因受力产生变形，四爪测位板的各爪臂前端金属薄片随着铍铜簧片的形变发生微小角度的偏转，由于测量的力是微小力，偏移的角度微小，通过爪臂长度和角度换算成爪臂前端金属薄片片的偏移量；因四个爪臂在圆周上均匀分布，因此爪臂末端的四个金属薄片片的偏移量不同，由各电涡流传感器一一对应进行感测获得其不同偏移量，产生不同输出；经数据处理获得测力探头的受力偏移角度，根据水平力与偏移角度的关系，得到力与输出电压之间的关系，实现水平力的测量。

标定方式：

Z向力标定：放置标准质量块于测力探头的顶面，记录四只电涡流传感器的输出信号，从而获得标准重量与电涡流传感器的输出信号之间的对应关系，实现竖向力的标定。

水平力标定：将测微力计水平向固定放置，使测力探头保持水平，具有足够刚度的细线一端绕在测力探头的端部，细线的另一端悬吊标准质量块；由铍铜簧片感测标准质量块作用下四爪测位板产生的角度偏移，进而获得标准重量与电涡流传感器的输出信号之间的对应关系，实现水平力的标定。

Claims (4)

1.一种基于电涡流传感器的多维测微力计，其特征是：在由上盖板(1)和圆筒体(2)形成的圆筒形内腔中设置测力单元和感测单元构成；

所述测力单元为一片铍铜簧片(3)，所述铍铜簧片(3)具有外固定环(3a)和中心盘面(3b)，在所述外固定环(3a)和中心盘面(3b)之间由弹性梁(3c)相连，所述铍铜簧片(3)利用其外固定环(3a)由压环(4)压装并支撑在所述上盖板(1)上，在其中心盘面(3b)的上表面利用上固定盘安装测力探头(5)，在其中心盘面(3b)的下表面设置四爪测位板(6)，所述四爪测位板是在中心固定盘(6a)的外围均匀分布四根等长的爪臂(6b)，各爪臂(6b)的前端设有金属薄片(6c)，形成四个电涡流测头；

所述感测单元是在圆筒形内腔中设置电涡流传感器(7)，呈十字分布的同一平面中的四只电涡流传感器(7)与所述四个电涡流测头一一对应，形成四只电涡流检测器；以所述四只电涡流检测器的检测信号为测微力计的检测输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于电涡流传感器的多维测微力计，其特征是：所述铍铜簧片(3)中的弹性梁(3c)设置为轮辐型、六弹性梁型或四弹性梁型，用于实现不同的微力测量范围和测量灵敏度。

3.根据权利要求1所述的基于电涡流传感器的多维测微力计，其特征是：将所述测力探头(5)的顶端设置为六棱柱，所述六棱柱的顶面和六个侧面，共计七个面都能够作为接触面进行微力检测，用于实现多维微力检测。

4.根据权利要求1所述的基于电涡流传感器的多维测微力计，其特征是：根据测力范围和灵敏度的要求，选定所述弹性梁(3c)的形状，和/或调整所述铍铜簧片的厚度。