[發明專利]二維小量程力傳感器

有效

• 申請號: 200710132017.2
• 申請日: 2007-09-07
• 公開（公告）號: CN101131335A
• 公開（公告）日: 2008-02-27
• 發明（設計）人: 戴振東;文智平;吉愛紅
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 南京蘇高專利事務所
• 代理人: 闕如生

技術領域

本發明的二維小量程力傳感器屬力學測試技術，可用于摩擦實驗機的摩擦磨損測試。

背景技術

在進行一些小量程摩擦磨損實驗時，需要很高的測試精度，這樣就需要研制一種能同時測量水平方向和垂直方向力的二維小量程力傳感器。當周圍環境溫度的變化時，傳感器還要求具有溫度自補償功能。為了滿足動態測試的要求傳感器的固有頻率不能太低。

目前很多的用于摩擦試驗的二維力傳感器一種是組合式傳感器，如文獻“用于摩擦系數測試的二維力傳感器”[史炎，內燃機車，2002，336(2)：41-43]，這種傳感器結構復雜，安裝不方便，且只適用于較大量程力的測量。

2004年中科院長春研究所在“微摩擦測試儀力傳感器的研究”[黎海文，精密工程，2002年8月，第10卷第四期]中提出了一種新型硅微力傳感器，把傳感器彈性體設計成帶有懸臂梁薄膜和應變片電阻的硅梁，該傳感器的靈敏度為65V/N，分辨率為46μN，總精度為2.3％。這種傳感器結構采用微機械工藝，加工較復雜，雖然測試的力比較小，但測量范圍小，沒有考慮溫度對傳感器的影響，傳感器的精度不高。

在中國專利公開號200510094990.0的“二維小量程力傳感器”和專利公開號200510023641.x的“二維微力測量傳感器”，均采用彈性體懸臂結構，由于懸臂梁的剛度太小，其傳感器的固有頻率過低，動態特性較差，改傳感器也沒有考慮溫度對測試結果的影響。

實驗要求傳感器本身隨著外界環境溫度在一定范圍內變化，始終能保證精確的測試結果，同時還必需達到一定的動態測試特性。上述的傳感器在傳感器本身的精度和固有頻率等方面都不能很好的滿足實驗的要求。

發明內容

本發明目的在于提出了一種二維小量程力傳感器，該傳感器能同時測量垂直方向和水平方向的力，兩個方向均具有很高的精度，并且具有比較高的固有頻率。

一種二維小量程力傳感器，包括彈性體和應變片兩部分，其特征在于所述彈性體由懸臂梁、與懸臂梁一端相連的加載端長方塊、與懸臂梁另一端相連的固定端長方塊組成；貫穿懸臂梁上下表面有一通槽，該通槽由位于懸臂梁加載端的“井”型孔和接近固定端的“口”型孔連通形成，貫穿懸臂梁前后表面還有另一個通槽，該通槽由位于懸臂梁固定端的“井”型孔和接近加載端的“口”型孔連通形成，兩組通槽結構對稱并相互交叉；在懸臂梁加載端的“井”型孔前后薄壁外表面分別沿中心線對稱的各貼兩片應變片，懸臂梁固定端的“井”型孔上下薄壁外表面分別沿中心線對稱的各貼兩片應變片，在固定端長方塊前后表面分別貼有一組補償片，每一組都包括彈性模量補償片、零點溫度補償片和零點不平衡補償片；一組補償片和加載端的四片應變片組成一個用于測量水平方向力的惠斯登全橋；另一組補償片和固定端的四片應變片組成一個用于測量垂直方向力的惠斯登全橋。

兩個“井”型孔分別位于懸臂梁的兩端，通過一些具體尺寸的優化設計，在加載端同時施加相同大小的水平力和垂直力時，兩個“井”型孔表面均能產生較大的應變量。彈性采用平行梁結構比采用懸臂梁結構的固有頻率明顯要高。

本發明的二維小量程傳感器結構簡單，彈性體整體剛度高，很好的結合傳感的制造工藝。傳感器的量程為0-5N，分辨率為2mN，單方向精度達到0.03％F.S(萬分之三)，故有頻率為1397.0Hz，溫度補償的范圍是-10°～+40°，自重對傳感器的影響很小，各項指標均滿足本試驗要求。

附圖說明

圖1.二維小量程力傳感器結構主視圖。

圖2.二維小量程力傳感器結構俯視圖。

圖3.惠斯登補償電路。

圖1的標號名稱：1、2、3、4為測Y方向力應變片，5、6、7、8為測Z方向力應變片。

圖2的標號名稱：9、10、11為Y方向的補償片，12、13、14為Z方向的補償片。

圖3的符號名稱：Rx₁-Rx₄-應變片電阻；U--供電電壓；Rm、Rt、Ro分別為彈性模量、零點溫度、零點不平衡補償片。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明做進一步描述：