CN219121603U - 一种圆环形高精度力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于力传感器技术领域，具体涉及一种圆环形高精度力传感器，包括圆环形力传感器端子以及贴装在圆环形力传感器端子上端的圆环形金属应变计。本申请采用圆环形力传感器端子，通过面接触传导应力。金属应变计被贴装至力传感器端子上，其用于感知力，以及转化为电信号输出。一方面，通过对力传感器端子进行设计，可以实现在小尺寸下的大量程检测，中空圆环形的外形，也可以与特殊应用系统相适配；另一方面，金属应变计可以覆盖整个力传感器端子变形面，表征整个变形面的应力信号，即使在力传感器使用过程中力作用位点有所偏移，仍然可以实现高检测精度。

Description

一种圆环形高精度力传感器

技术领域

本实用新型属于力传感器技术领域，具体涉及一种圆环形高精度力传感器。

背景技术

力传感器是一种可以将力转换为电信号的装置，在动力设备、工程机械，以及各类工作母机和工业自动化系统中，是不可缺少的核心部件。

在一些特殊的应用场景，对于力传感器的尺寸、形状、量程均有着严格的限定要求。例如，在汽车电控制动系统中，需要将力传感器装配在卡钳的螺杆上，需要采用异形结构，即中空圆环形结构；需要小尺寸，外径约40毫米，厚度约10毫米；需要大量程，最大夹紧力30~100kN。

现有的中空圆环形力传感器技术方案，例如公开号为CN 114981627A的发明专利申请，公开了一种力传感器设备及其组装方法，在力柔顺元件的顶表面上贴装四个玻璃微熔芯片作为传感元件，每个传感元件均可生成电信号，该信号用以指示力柔顺元件响应于向传感器施加力而变形的程度，从而建立施加力与电信号之间的关联，实现对施加力的检测。然而，这种方案并不能准确的表征力传感器实际受到的施加力，在长时间使用过程中会发生信号的漂移，这是因为施加给力传感器的力实际作用位点会在长期使用过程中发生小幅度的偏移，而该方案用平面上的四点来表征整个平面的情况，当力实际作用位点发生偏移时，信号输出值也同样会发生小幅度的偏移，从而导致力传感器精度降低。

现有技术中，一种用于解决力作用位点偏移而导致力传感器精度降低的方案是利用称重传感器的原理，例如公开号为CN101603849A的发明专利申请公开了一种多点式秤以及其制造方法，采用四个彼此远离的、独立的应变计，放置在称重面的四个角，四个应变计通过点接触与称重面接触，当力作用位点位于四个应变计包围而成的矩形内部时，即使作用力施加位点有所偏差，也不会影响最终的检测结果。然而，对于量程较大的力传感器，采用称重传感器原理制作的力传感器需要非常大的体积，以避免接触点被较大的力压溃，导致传感器失效。因此，对于一些对力传感器尺寸有严格限制的应用环境下，该方案并不适用。

实用新型内容

针对上述不足，本实用新型的目的是提供一种圆环形高精度力传感器。

本实用新型提供了如下的技术方案：

一种圆环形高精度力传感器，包括圆环形力传感器端子以及贴装在圆环形力传感器端子上端的圆环形金属应变计。

圆环形力传感器端子上端设有低于应变面的第一力作用端面，圆环形力传感器端子下端设有第二力作用端面；

所述圆环形金属应变计贴装于应变面上。

位于第二力作用端面外侧的圆环形力传感器端子下端面、位于圆环形力传感器端子内侧面均设有弧形槽。

所述弧形槽截面呈U形且倒圆角。

所述圆环形金属应变计从下到上包括下基底层、金属层、上基底层。

所述金属层内外层共4只电阻，引出6个焊盘，通过电路连接形成惠斯通电桥结构。

内层电阻有两只，呈切向分布。

外层电阻有两只，呈径向分布。

所述下基底层为聚酰亚胺或改性酚醛树脂；所述上基底层为聚酰亚胺或改性酚醛树脂。

所述金属层为卡玛合金、康铜合金、伊文合金中的一种。

本实用新型的有益效果是：本申请采用圆环形力传感器端子，通过面接触传导应力。金属应变计被贴装至力传感器端子上，其用于感知力，以及转化为电信号输出。一方面，通过对力传感器端子进行设计，可以实现在小尺寸下的大量程检测，中空圆环形的外形，也可以与特殊应用系统相适配；另一方面，金属应变计可以覆盖整个力传感器端子变形面，表征整个变形面的应力信号，即使在力传感器使用过程中力作用位点有所偏移，仍然可以实现高检测精度。

附图说明

图1是本申请结构示意图；

图2是应变面和第一力作用端面示意图；

图3是第二力作用端面示意图；

图4是圆环形力传感器端子截面示意图；

图5是本申请金属层示意图。

图中标记为：圆环形力传感器端子1、应变面101、第一力作用端面102、第二力作用端面103、弧形槽104、焊盘201、内层电阻202、外层电阻203。

具体实施方式

实施例一

如图1-5所示，一种圆环形高精度力传感器，包括圆环形力传感器端子1以及贴装在圆环形力传感器端子1上端的圆环形金属应变计2。其中，圆环形力传感器端子1是一个多边形沿指定轴线旋转而得到。

圆环形力传感器端子1上端设有低于应变面101的第一力作用端面102，圆环形力传感器端子1下端设有第二力作用端面103。

圆环形力传感器端子1上端设有应变面101，所述圆环形金属应变计2贴装于应变面101上。由于圆环形金属应变计被覆盖在整个变形端面，因此可以有效表征整个变形面的应力信号，即使在力传感器使用过程中，力作用位点有所偏移，仍然可以实现高检测精度。

位于第二力作用端面103外侧的圆环形力传感器端子1下端面、位于圆环形力传感器端子1内侧面均设有弧形槽104。环形槽104可以将第一力作用端面102、第二力作用端面103处施加的力转移至应变面101处。

弧形槽104截面呈U形且倒圆角，可以避免应力集中，提升整个力传感器端子的耐压或耐拉强度，实现小尺寸下的高量程。可以通过改变尺寸，对应力传导进行控制，需要用有限元分析方法进行设计。量程为50kN的压力传感器端子的圆环内径为13mm，外径为36mm，高度为10mm。而常规力传感器高度约为20~40mm。

圆环形金属应变计2从下到上包括下基底层、金属层、上基底层。下基底层为聚酰亚胺或改性酚醛树脂；所述上基底层为聚酰亚胺或改性酚醛树脂。金属层为卡玛合金、康铜合金、伊文合金中的一种。

金属层内外层共4只电阻，引出6个焊盘201，通过电路连接形成惠斯通电桥结构，以补偿温度、力作用位点对于传感器信号的影响，提升力传感器的精度。

内层电阻202有两只，呈切向分布，一方面是因为靠近内侧，应变计所受切向应力更大；另一方面，靠近内侧，空间上不利于电阻径向排布。

外层电阻203有两只，呈径向分布，这主要是因为靠近外侧的切向应力为正值，与内侧的切向应力符号相同，若将外侧电阻设为切向分布，会造成力传感器灵敏度下降。

实施例二

在本实施例中，上下基底层选用聚酰亚胺，可以耐受-40~150℃的温度区间，适应于大多数的应用场景。

金属层采用高电阻率、低电阻温度系数的卡玛合金，且热膨胀系数可以与不锈钢力传感器端子匹配，电阻阻值较高，为1000~5000Ω，用于降低系统功耗，匹配后续的调理电路。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种圆环形高精度力传感器，其特征在于：包括圆环形力传感器端子（1）以及贴装在圆环形力传感器端子（1）上端的圆环形金属应变计（2）；

圆环形力传感器端子（1）上端设有应变面（101），所述圆环形金属应变计（2）贴装于应变面（101）上；

所述圆环形金属应变计（2）从下到上包括下基底层、金属层、上基底层。

2.根据权利要求1所述的圆环形高精度力传感器，其特征在于：圆环形力传感器端子（1）上端设有低于应变面（101）的第一力作用端面（102），圆环形力传感器端子（1）下端设有第二力作用端面（103）。

3.根据权利要求2所述的圆环形高精度力传感器，其特征在于：位于第二力作用端面（103）外侧的圆环形力传感器端子（1）下端面、位于圆环形力传感器端子（1）内侧面均设有弧形槽（104）。

4.根据权利要求3所述的圆环形高精度力传感器，其特征在于：所述弧形槽（104）截面呈U形且倒圆角。

5.根据权利要求1所述的圆环形高精度力传感器，其特征在于：所述金属层内外层共4只电阻，引出6个焊盘（201），通过电路连接形成惠斯通电桥结构。

6.根据权利要求5所述的圆环形高精度力传感器，其特征在于：内层电阻（202）有两只，呈切向分布。

7.根据权利要求6所述的圆环形高精度力传感器，其特征在于：外层电阻（203）有两只，呈径向分布。

8.根据权利要求1所述的圆环形高精度力传感器，其特征在于：所述下基底层为聚酰亚胺或改性酚醛树脂；所述上基底层为聚酰亚胺或改性酚醛树脂。

9.根据权利要求5-8中任意一项所述的圆环形高精度力传感器，其特征在于：所述金属层为卡玛合金、康铜合金、伊文合金中的一种。

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