[發明專利]一種力傳感器

有效

• 申請號: 201710277735.2
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN106932126B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 馮一然
• 申請（專利權）人: 馮一然
• 主分類號: G01L1/10
• 分類號: G01L1/10
• 代理公司: 北京聿華聯合知識產權代理有限公司11611
• 代理人: 劉華聯

技術領域

本發明涉及一種力傳感器，尤其是基于諧振檢測原理的力傳感器。

背景技術

力傳感器是在工業領域中得到非常廣泛的一種傳感器。它的種類繁多，常見的包括電阻應變式力傳感器、電容式力傳感器、壓電式力傳感器、諧振式力傳感器，等等。

電阻應變片力傳感器使用電阻應變片，它是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。通常來說，可將電阻應變片通過粘合劑粘合在產生力學應變的基體上。當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變。這樣，應變片的阻值會發生改變，從而使得施加在電阻上的電壓發生變化。通過測量該電壓變化，便可得到施加在基體上的力值。在實踐中，通常將多個這種應變片組成應變電橋來使用。這導致電阻應變片力傳感器的結構復雜，其測量精度也不太理想。電阻應變片受溫度影響，漂移較大，而且應變片采用粘合劑粘結工藝，長期穩定性不高。

電容式力傳感器使用平板電容來實現力敏感結構微位移的檢測。其優點是，利用電容進行非接觸檢測，不存在粘合劑的長期穩定性影響。而缺點在于，電容容易受到外界環境電磁場的影響，難以實現高精度測量。

壓電式力傳感器采用壓電晶體來實現力敏感結構微小交變位移的檢測。其優點是靈敏度高，缺點是只對動態交變力敏感而不能對靜態力敏感。

基于諧振式檢測的力傳感器是將力敏感結構產生的微位移或者應變轉換為諧振單元的頻率變化，通過頻率變化計算力的大小。常見的諧振單元有諧振梁、諧振弦。優點是該傳感器輸出信號為頻率信號，準數字量，易于檢測，精度高，穩定性好。缺點是結構稍復雜，需要進行材料的溫度補償。

發明內容

本發明的一個目的在于提供一種基于諧振檢測原理的力傳感器。本發明的另一個目的在于提供一種差動諧振弦式的檢測結構，實現被測力的差動檢測。

根據本發明，提供了一種諧振式力傳感器，包括薄片式基體。該基體包括自由端和固定端，在所述基體內開有通孔，所述通孔包括靠近所述固定端的第一部分和靠近所述自由端的第二部分。所述通孔的第一部分和第二部分具有不相等的長度和寬度。該諧振式力傳感器還包括沿著從自由端到固定端的方向延伸并固定在所述通孔內的振弦，所述振弦被預張緊。該諧振式力傳感器還包括用于使所述振弦產生振動的激勵器，以及用于檢測所述振弦的振動的檢測器。

在一個實施例中，所述通孔的第一部分的寬度大于所述第二部分的寬度，和/或所述通孔的第一部分的長度小于所述第二部分的長度。在一個優選的實施例中，所述通孔的第一部分構造成圓形孔，所述通孔的第二部分構造成直徑槽段，并且所述第一部分和第二部分之間光滑連接。在另一個優選的實施例中，所述基體的固定端通過彈性件固定，所述通孔的第一部分構造為在所述基體的固定端處敞開的開口直線槽段，所述第二部分構造為圓形孔。在一個特定的實施例中，所述通孔的第一部分的寬度小于所述第二部分的寬度，和/或所述通孔的第一部分的長度大于所述第二部分的長度。

在一個實施例中，在所述通孔內設置有兩根振弦，它們分別與所述薄片式基體的上、下表面平齊，并且具有相同的固有頻率。在一個優選的實施例中，所述兩根振弦相互平行，并且沿著所述基體的縱向中心線延伸。在另一個優選的實施例中，所述兩根振弦分別沿著相對于所述基體的縱向中心線成正、負等角的方向延伸，角度范圍在0～45度。

在一個實施例中，所述激勵器和檢測器構造成一體，包括設置在振弦中間位置處的磁性件，以及布置在形成于所述通孔的側面的凹槽內且與所述磁性件位置相對應的線圈。這樣，所述線圈在脈沖信號作用下產生瞬時力，然后由所述線圈檢測磁性件在所述線圈中產生的耦合衰減電信號，進而能夠檢測振弦的振動頻率。

根據本發明的諧振式力傳感器具有結構簡單、測量精度高等優點。尤其是，通過設置兩根振弦，能夠以差動的方式進行測量，提高系統檢測的靈敏度和精度。同時，通過將兩根振弦布置成相互間形成一定的角度，還可以實現對扭矩的測量。另外，根據本發明的諧振式力傳感器還能夠僅僅采用一個磁鋼和線圈來進行激勵和檢測，進一步簡化了結構。

附圖說明

下面將通過在附圖中示意性顯示的優選實施例來對本發明進行說明。在圖中：

圖1顯示了根據本發明的第一個實施例的諧振式力傳感器的示意性平面圖；

圖2顯示了圖1所示的根據本發明的第一個實施例的諧振式力傳感器的示意性側視圖；

圖3顯示了根據本發明的第二實施例的諧振式力傳感器的示意性平面圖；

圖4顯示了根據本發明的第三實施例的諧振式力傳感器的示意性側視圖；