TWI553301B - Micro force sensing device - Google Patents

Description

微力量感測裝置

本發明係與精密量測技術有關，特別係指一種用於感測微小施力或重量之微力量感測裝置。

常見的微力量感測器大致上有兩種，其一是以電阻式的方式測量，市面上現有產品的量測範圍最小約10gf~1kgf(FSR 400 series)，而另一種則為應變規的應用，以一組應變規配上一組電路處理器，進而量測出所測量之力量量值多寡。應變規是利用金屬物質受應力伸縮時，電阻值會發生變化的特性作成，經過電路測量其電阻變化即可換算出待測值為多少，應變規由電阻之材質可分為金屬線式、金屬箔膜式以及單晶半導體式；其使用時是貼附於某一接受應力之物件表面，當該物件產生應變時應變規也跟著發生應變，通常此應變甚小，很難以機械式的尺寸計測器測定之，但因應變規可將此應變轉成電阻變化，並藉著電橋電路及電壓放大器轉成較大的電子訊號，使用前須進行零位調整，並進行測距度調整。常見之應變規電阻值R最小為120Ω，金屬之應變係數K為2，則計算應變電阻變化：dR=R×K×E=120×2×2×10^-6=4.8×10^-4若應變計訊號放大器為NI系列的SCXI-1520，其輸出電壓0~10V，放大器增益0~1000，則電橋電路輸出： 放大器放大1000倍，則輸出：V_o=0.0124(volt)此電壓值經過放大電路處理後其值仍然非常小，不容易量測更小之力量值，例如要計算滾珠螺桿效率時，是指計算滾珠螺桿把扭矩轉換成推力的指標 (或反向計算亦可)。有兩種方式可以來評估這個指標。第一種為當馬達產生扭矩帶動螺桿旋轉時，有多少扭矩可以轉換成有效推力；第二種為當外界有推力作用在螺帽上時，會在螺桿上產生多少扭矩。此兩種方式均可反推計算出滾珠螺桿之效率，假設選用第二種方式，以外加推力的方式測量在滾珠螺桿上產生的有效扭矩，一般使用此種量測方式之推力約在10克(10gf)以下，從前述之應變規計算方式可知，若要10克對應10V，需將應變規之訊號放大10⁶，除了放大器難以找到如此高倍率，訊號亦容易失真，因此10gf以下之力量量測並不適合用應變規，且應變規所製成之力量感測器除了應變規本身，尚須一組訊號處理電路，造價不斐，有鑑於上述種種原因，對於微小力量之量測，應變規並不適用。

霍爾元件是一半導體元件，該半導體元件之上下兩端供應V_CC電壓，有微弱電流I_BIAS流過霍爾元件。當外界無磁力線垂直穿透霍爾元件時，霍爾元件左右兩側並無電位差。當外界有磁力線穿透時，因運動的電子在磁場內會受力(稱為勞倫斯力，Lorentz force，可依照電動機原理，以安培左手定則判斷電子受力方向，注意電子運動方向與電流方向相反)，霍爾元件內的電子會往左邊或右邊移動(視磁場及電流方向而定)，造成元件兩側有如電容一般，出現電位差。這種因為靜態磁場產生電壓的效應，稱為霍爾效應。S.E.Hall於1879年發現這個效應。霍爾效應一直到1980年代左右，在半導體技術發展之後才廣受應用。由於霍爾效應所生的電壓非常小，一般只有數μV，因此需要一個穩定且高效能的放大電路放大霍爾元件的輸出電壓，一般都把穩壓與放大器跟霍爾元件一起做在積體電路內，成為霍爾裝置(Hall device)，如圖1所示，這種裝置的輸出電壓與穿過霍爾元件表面的磁通密度成正比，也稱為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)。

鑒於傳統技術之缺點，本發明係提供一種微力量感測裝置，係利用霍爾效應感測施加於長條體一端之施力大小，以做為微小施力之精確感測裝置。

本發明係提供一種微力量感測裝置，係包括：一長條體，其 一端固定不動，另一端具有一受力點；一磁性元件，係設置於該長條體固定處與受力點之間；一霍爾元件，係設置於該長條體一側，對齊該磁性元件並與該磁性元件具有一間隔距離；一微控制器，係連接該霍爾元件；其中該長條體之受力點承受一施加力量而使該長條體產生形變時，該磁性元件隨之移動，使該磁性元件與該霍爾元件之間隔距離改變，該霍爾元件偵測該磁性元件移動產生之磁場變化，將該磁場變化之信號傳輸至該微控制器，由該微控制器計算出該施加力量之大小。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

11、21‧‧‧長條體

111‧‧‧夾具

112‧‧‧受力點

12‧‧‧磁性元件

22‧‧‧磁塊

13、23‧‧‧霍爾元件

14‧‧‧微控制器

圖1係為現有技術之線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)結構圖。

圖2係為本發明之微力量感測裝置架構圖。

圖3係為本發明實施例之近接式感測器第一測試之電壓輸出圖。

圖4係為本發明實施例之近接式感測器第一測試之電壓輸出圖。

圖5係為本發明實施例之霍爾感測器以不同重量重複量測驗證之結果示意圖。

圖6係為本發明實施例之霍爾感測器量測驗證誤差量示意圖。

圖7係為本發明使用二磁塊夾設於該長條體兩側之實施例示意圖。

圖8係為本發明應用於天候偵測之實施例示意圖。

圖9係為本發明應用於風力檢測之實施例示意圖

表1係為本發明實施例之重現性實驗表。

表2係為本發明實施例之近接式感測器第一測試輸出表。

表3係為本發明實施例之近接式感測器第二測試輸出表。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功 效。

本發明之微力量感測裝置架構圖如圖2所示，係包括：一長條體11，係為一薄鋼片，其一端係以夾具111固定形成一懸臂樑結構，另一端具有一受力點112；一磁性元件12，係設置於該長條體11固定處與受力點112之間；一霍爾元件13，該霍爾元件係為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)，該霍爾元件係設置於該長條體11一側，對齊該磁性元件12並與該磁性元件12具有一間隔距離；一微控制器14，係連接該霍爾元件13；其中該長條體11之受力點112承受一施加力量而使該長條體產生形變時，該磁性元件12隨之移動，使該磁性元件12與該霍爾元件13之間隔距離改變，該霍爾元件13偵測該磁性元件12移動產生之磁場變化或磁通量變化，將該磁場變化或磁通量變化之信號傳輸至該微控制器14，由該微控制器14計算出該施加力量之大小。該磁性元件可為方形橫向充磁雙極磁塊、方形縱向充磁雙極磁塊、圓形軸向充磁雙極磁塊或圓形徑向充磁雙極磁塊；該霍爾元件亦可為數位霍爾裝置(Digital Hall-effect device)或霍爾開關(Hall-effect digital switch,Hall switch)；該微控制器(Micro Control Unit)係具有一信號放大電路，以將該霍爾元件感測之磁場變化信號或磁通量變化信號放大，便於計算該施加力量之大小；該微控制器係可為單晶片控制器；該微控制器係可附加一轉換輸出單元，可將計算出該施加力量信號藉由不同轉換介面輸出，該轉換介面係可為並列數位輸出介面、串列UART(RS232/422/485)、CAN、SPI、LIN、I²C或以PWM方式輸出。

本發明之微力量感測裝置係利用懸臂樑原理作為量測微小施力或重量之依據，懸臂樑單點施力之公式為： 其中F為施力(N)，L為施力力臂長(m)，E為楊氏係數(pa)，I為轉動慣量(m⁴)，在受力未超過一定範圍內，在懸臂樑上不同位置所施力可進行疊加。由上述懸臂樑單點施力公式可知理論形變量應與所施力量成正比關係，在厚度夠薄的情況下，微小力量亦能使之產生應變，故本發明係利用霍爾元件感測懸臂樑(長條體)上之磁性元件位置，再藉由該微控制器(MCU)輸出對應該 位置的電壓，此【位置-電壓】的對應曲線係以預先寫好的資料表構成，可視使用需求調整，將相關的關係曲線寫入MCU記憶體中，再將該磁性元件【位置-力量】關係完成比對，最終即可推出【力量-電壓】關係，以本發明之微力量感測裝置完成所感測力量之判讀。

為驗證本發明之概念，以2顆雙極磁塊、1顆LHE(霍爾元件)製作一組本發明之微力量感測裝置實施例，分別進行重現性以及線性度測試。本實施例測試最重要的一點即為重現性，以鋼片作為懸臂樑，若施力相同每次形變皆不一，或是無施力時其零點位置不一樣，代表鋼片已受到超過降伏強度的應力作用，則以5g重物反覆進行實驗，結果如表1。

根據懸臂樑原理，相同位置變形量應與施力成正比，進行以下實驗進行驗證：將近接式感測器放置於13mm處，重物懸掛約50mm處，磁塊位置35mm，測試結果如表2所示： 近接式感測器第一測試之電壓輸出圖如圖3所示，可看出曲線雖有微小抖動，但基本走向是線性的。更改變因，將重物懸掛於70mm處，近接式感測器置於20mm處，則測試結果如表3所示： 近接式感測器第二測試之電壓輸出圖如圖4所示，此結果亦近乎線性，由以上結果，可推測力量與形變量應為線性關係。接著以霍爾感測器量測訊號，驗證各力量重現性以及其誤差，圖5為以不同重量重複進行量測驗證 三次之結果示意圖，於懸掛重量為零時，由於懸臂樑於正放、直立或倒放時，本身會受到磁塊重量不同的影響，因此會有三個不同的值，而其誤差量示意圖如圖6所示，縱軸為電壓，誤差量大多介於正負20mV之間，僅有單項誤差量達到30mV，證明其重現性高且誤差小之特性。

本發明係提供一種微力量感測裝置，其中該長條體係可使用薄鋼片或其他金屬、非金屬材料，唯於實際應用中，當該長條體使用薄鋼片或其他導磁性材質製成、且該磁性元件設置於該長條體之一側時，由於導磁原理、該磁性元件之磁力線分佈將被該長條體分散，造成該霍爾元件實際能感測到之磁力線強度不足，導致輸出信號不穩、過於微弱或精度不佳；如圖7所示，本發明之微力量感測裝置之磁性元件係可使用二磁塊22分別夾設於該長條體21之兩側，該二磁塊22係異極相對，使該二磁塊之磁力線分布集中於該霍爾元件23量測處，以增強信號強度與精度；本發明之磁性元件亦可採用貫穿式設置，該磁性元件係穿透該長條體(薄鋼片)，以確保該磁性元件之磁力線分布集中於該霍爾元件量測處。

本發明可用於檢測滾珠螺桿之效率外，其餘可應用之領域相當廣泛，各種微震動、微力量之場合皆可應用。當本發明用於感測微小施力時，本發明之微控制器會將該長條體受到瞬間施力、造成該長條體來回震動擺盪之信號濾除，以避免量測錯誤；本發明亦可利用該長條體受到瞬間施力而來回震動擺盪之現象，作為震動偵測或動作偵測使用，如降雨量偵測、風力檢測等用途。

本發明可應用於天候偵測，一般而言，在同一區域內每單位面積內的降雨機率應是相同的，因此在此區域的任一位置擺放此裝置，可量測當下雨勢之大小，通常雨勢皆連綿不斷，可擷取其瞬間最大力量，將資料存於內建之記憶體或及時傳送資料至電腦回報當下之雨勢，本發明應用於天候偵測之實施例示意圖如圖8所示，雨滴落下之平均重量將造成裝置產生應變，進而由訊號處理電路判斷出此時雨勢之大小，唯整體機構須經由防水之處理。

本發明可應用於風力檢測，本發明應用於風力檢測之實施例示意圖如圖9所示，在X,Y,Z三軸向各一組裝置，檢測風力之方向與各軸 向之大小，然而如何將風力與雨滴的力量分開檢測亦是值得考慮的問題，當此裝置可同時偵測雨勢大小及風的強度時，可適用於檢測一個地方土石流發生率，當風力與雨勢大小超過一定值，此裝置可連結電腦，適時的提出警告，以即早疏散人群，降低天災所造成之傷害。

本發明之微力量感測裝置對於微小力量或震動相當敏感，可應用於各種會有震動的場合作為震動檢測裝置，而微力量之感測可應用於魚卵穿刺、細胞穿刺等力量相當微小之感測器，其力量應都小於1gf，此時感測器之應變裝置可更換為更容易產生形變之材質。本發明可使用容易產生形變卻不容易超過其降伏應力之材質，例如鈦合金等，力量作用於鈦合金上，容易產生形變，但卻不容易對其造成永久形變，因此本發明之應用領域相當廣泛，熟知該領域技術者只要使用正確材質以及厚度，訂定合理的力量承受範圍，即可利用本發明精確量測物體所受之力量或震動量多寡。

本發明係為一種微力量感測裝置，其架構與功能為目前市面上所未見，使用市面上相當普遍且價格低廉之霍爾元件、磁性元件以及單晶片控制器，本發明設置方式簡單可靠，且能將量測之霍爾磁場訊號作進一步類比或數位轉換，可應用於更廣泛之技術領域。目前檢測滾珠螺桿效率之機構使用之應變計、應變規及其附加之放大電路，滿刻度訊號為500克重，對於數克以下之微小力量量測誤差很大，本發明之微力量感測裝置可精確量測5g重以下之力量，大幅提升訊號解析度與準確性。本發明具有成本低廉、附加功能高、應用範圍廣之優點，可應用在如雨滴、防盜、風力偵測等多方面，且可輸出多組類比或數位形式之控制訊號，具備多方應用之實用性。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

11‧‧‧長條體

111‧‧‧夾具

112‧‧‧受力點

12‧‧‧磁性元件

13‧‧‧霍爾元件

14‧‧‧微控制器

Claims (10)

1. 一種微力量感測裝置，係包括：一長條體，其一端固定不動，另一端具有一受力點；一磁性元件，係設置於該長條體固定處與受力點之間；一霍爾元件，係設置於該長條體一側，對齊該磁性元件並與該磁性元件具有一間隔距離；一微控制器，係連接該霍爾元件；其中該長條體之受力點承受一施加力量而使該長條體產生形變時，該磁性元件隨之移動，該霍爾元件偵測該磁性元件移動產生之磁場變化，將該磁場變化之信號傳輸至該微控制器，由該微控制器計算出該施加力量之大小，該磁性元件之磁力線分布係集中於該霍爾元件量測處。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該長條體係為薄鋼片。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該長條體之一端係以夾具固定形成一懸臂樑結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該磁性元件係具有二磁塊，該二磁塊分別夾設於該長條體之兩側，該二磁塊係異極相對，使該二磁塊之磁力線分布集中於該霍爾元件量測處。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該磁性元件係穿透該長條體，使該磁性元件之磁力線分布集中於該霍爾元件量測處。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該磁性元件係為方形橫向充磁雙極磁塊或方形縱向充磁雙極磁塊。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該磁性元件係為圓形軸向充磁雙極磁塊或圓形徑向充磁雙極磁塊。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該霍爾元件係為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該霍爾元件係為數位霍爾裝置(Digital Hall-effect device)。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微力量感測裝置，其中該霍爾元件係為霍 爾開關(Hall-effect digital switch,Hall switch)。