CN109459168A - 一种电磁平衡式拉压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁平衡式拉压力传感器,包括电磁结构、加载杆和信号反馈***;所述电磁结构包括壳体、挠性梁、永磁动圈式力发生器和差动电容传感器;所述挠性梁的一端固定在壳体内,永磁动圈式力发生器的线圈骨架与挠性梁连接;所述差动电容传感器设置在挠性梁的另一端;所述加载杆的一端与挠性梁的另一端连接,加载杆的另一端用于加载待测力;所述信号反馈***的一端与差动电容传感器连接,另一端与永磁动圈式力发生器连接。本发明测量原理简单,形成闭环测量***,因此具有测量精度高、体积小、抗干扰能力强并可判断所受力方向的特点。
Description
技术领域
本发明涉及力测量的传感器技术领域,具体涉及一种电磁平衡式拉压力传感器。
背景技术
国内力传感器产业的发展可以追溯到二十世纪的七十年代末,那个时期的传感器,主要是仿制欧美、日等国的设计与制造技术,只能进行小批量生产,当时企业规模普遍较小、工艺装配水平较差、产量和技术性能也较低。经过三十多年的发展,特别是近十年来,随着国民经济、科学技术,特别是电子和计算机技术的快速发展,基础研究投入的加大,为力传感器的发展提供很大的空间并奠定了良好的基础,使其在国民经济各个领域的应用得到了快速的发展,形成了强大的产业。近年来随着物联网和数字技术的兴起,又为力传感器产业升级创造了条件。
传统型力测量传感器是通过在弹性梁上粘贴应变片,当梁受力变形时产生的应变传给应变片,应变片的电阻发生改变,由应变片构成的电桥电路输出与弹性梁上所加力成正比的电压信号。由于弹性梁结构本身存在非线性及迟滞问题,再加上应变片是用胶粘贴于弹性梁上,胶对应变片的粘贴牢固程度受温度的影响且会出现老化现象,因此会导致测力***性能变差。由应变片制成的测力***其精度难以突破0.02%FS。并且,传统型力测量传感器在使用和制造过程中,还有一些不足:
1金属应变片式传感器:对于大应变有较大的非线性;输出信号较弱;尽管金属应变片的温度系数较小,但其电阻毕竟会随温度变化;横向效应给测量带来误差;金属应变片的应变灵敏系数小。
2半导体应变片传感器:虽然这种应变片的灵敏度高,但其非线性误差大,其最大缺点是输出电压受温度影响大,因此在温度变化的环境中使用,要保证一定的精度,必须进行温度补偿,但这种补偿只是在一定程度上减小了温度的影响,很难在一年四季的环境温度变化的情况下得以很好地补偿。
为提高传感器的测量精度,解决应变片式传感器存在的缺陷,人们提出了一种电磁平衡式力传感器。
昆山大百科实验室设备工程有限公司一种高精度多功能电子天平的发明专利,该专利所述的电子天平在称量时,被称量物体的重力使电磁力平衡传感器的可动部分发生位移,其位移量由对称的光电元件给出,并在反馈线圈中产生一补偿电流,使电磁力平衡传感器的可动部分恢复平衡位置,补偿电流的大小反映了被测物体产生的重力。
西门子奥钢联冶金技术公司的施琴于2013年设计了一款电磁式重力平衡传感器,该传感器也是通过光电装置判断与杠杆相连的线圈的位移量,通过调节线圈内电流的大小,使杠杆恢复到平衡位置。
重庆大学的王秋晓等人于2016年基于电磁力杠杆机构原理和电磁力平衡原理设计了一款传感器,该传感器在杠杆位置发生改变时,通过调整电磁铁两端电压使其产生电磁力,吸附衔铁,使杠杆恢复到初始平衡位置。
湖南大学的邵万里等人于2012年设计了一款精密电磁力平衡传感器,该传感器采用光电装置判断横梁平衡,通过间接测定稳恒磁场中气隙处的线圈中通过的电流强度大小,获得被称物体的质量。
以上设计是基于重力与电磁力平衡的原理的力或质量测量方法,都采用两只光电器件实现力平衡的调节,因此这两只光电器件的性能一致性决定了所制得的仪器的性能。若用光电装置检测梁的位移量,两只光电器件的性能指标的一致性很难做到,因此这就制约了研制的仪器的性能的进一步提高。此外,上述的电磁平衡式力检测装置体积较大。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此本发明提供一种电磁平衡式拉压力传感器。该传感器测量原理简单,具有测量精度高、体积小、抗干扰能力强和可判断所受力方向的特点。
本发明的技术方案是:一种电磁平衡式拉压力传感器,包括电磁结构、加载杆和信号反馈***;
所述电磁结构包括壳体、挠性梁、永磁动圈式力发生器和差动电容传感器;所述挠性梁的一端固定在壳体内,永磁动圈式力发生器的线圈骨架与挠性梁连接;所述差动电容传感器设置在挠性梁的另一端;
所述加载杆的一端与挠性梁的另一端连接,加载杆的另一端用于加载待测力;
所述信号反馈***的一端与差动电容传感器连接,另一端与永磁动圈式力发生器连接。
上述方案中,所述差动电容传感器包括上定极板、上动极板、下动极板和下定极板;
所述上定极板和下定极板分别安装于壳体上;所述上动极板和下动极板分别安装在挠性梁另一端;
所述上定极板和上动极板的位置相对应;所述下动极板和下定极板的位置相对应;
所述上定极板、下定极板、上动极板和下动极板的极面均镀有金属膜。
上述方案中,所述信号反馈***包括依次连接的电桥电路、差动放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路和功率放大电路。
上述方案中,所述永磁动圈式力发生器包括线圈和磁回路;
所述线圈缠绕在线圈骨架上;
所述磁回路与壳体连接,所述磁回路包括两个对称的E形磁路,线圈位于两个对称的E形磁路之间。
上述方案中,所述壳体设有支架通孔;所述加载杆的一端穿过支架通孔与挠性梁的另一端连接。
上述方案中,所述壳体还设有线圈导线通孔和检测电路导线通孔。
上述方案中,所述挠性梁为石英材料。
上述方案中,所述线圈骨架由硅钢片层叠而成。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.本发明电磁平衡式拉压力传感器测量原理简单,且具有测量精度高、体积小和抗干扰能力强,并可判断所受力方向的特点。
2.本发明采用差动电容传感器来检测梁的位移量,因电容传感器检测位移的灵敏度高,故所设计的力检测仪器的灵敏度也会相应提高;且差动电容传感器不易受到强磁场干扰,稳定性好。
3.本发明电容传感器信号处理电路中采用相敏检波电路处理位移信号,该方法简单易行,其最大的优点在于可以判断挠性梁的位移方向,进而判断出梁所受力是压力还是拉力。
4.本发明利用电容传感器检测位移时具有高的灵敏度特点,采用差动结构电容传感器来检测电磁力与重力的平衡,克服了上述力检测***要求光电器件性能指标对称的难题。在结构设计上,本发明采用梁式结构来缩小检测装置的体积。再者本发明不仅能测量重力,还能检测拉力。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明一实施方式的电磁平衡式拉压力传感器的内部结构剖面示意图;
图2是本发明一实施方式的电磁平衡式拉压力传感器的外观视图;
图3是本发明一实施方式的信号反馈***连接图。
图中,1、壳体;2、挠性梁;3、线圈;4、磁回路;5、线圈骨架;6、上固定极板;7、上可动极板、8、下可动极板;9、下固定极板;10、差动电容传感器;11、加载杆;12、支架通孔;13、线圈导线通孔;14、检测电路导线通孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的电磁平衡式拉压力传感器。
图1所示为本发明所述电磁平衡式拉压力传感器的一种实施方式,所述电磁平衡式拉压力传感器,包括电磁结构、加载杆11和信号反馈***。
所述电磁结构包括壳体1、挠性梁2、永磁动圈式力发生器和差动电容传感器10。所述挠性梁2的一端固定在壳体1内,永磁动圈式力发生器的线圈骨架5固定在挠性梁2的中间部分;所述差动电容传感器10设置在挠性梁2的另一端。
所述加载杆11的一端与挠性梁2的另一端连接,加载杆11的另一端用于加载待测力。
所述信号反馈***的一端与差动电容传感器10连接,另一端与永磁动圈式力发生器连接。
优选的,所述永磁动圈式力发生器包括线圈3和磁回路4;线圈骨架5上缠绕两组线圈3,两组线圈3串联反接;所述磁回路4与壳体1连接,所述磁回路4包括两个对称的E形磁路,线圈3位于两个对称的E形磁路之间。磁回路4与线圈3构成永磁动圈式力发生器,互为推挽结构,大大提高了磁路的利用率和抗干扰性。
优选的,所述差动电容传感器10包括上定极板6、上动极板7、下动极板8和下定极板9;所述上定极板6和下定极板9分别安装于壳体1上;所述上动极板7和下动极板8分别安装在挠性梁2另一端;所述上定极板6和上动极板7的位置相对应;所述下动极板8和下定极板9的位置相对应;所述上定极板6、下定极板9、上动极板7和下动极板8的极面均镀有金属膜形成电极,构成差动电容传感器10。
如图2所示,所述壳体1设有支架通孔12;所述加载杆11的一端穿过支架通孔12与挠性梁2的另一端连接。
所述壳体1还设有两个线圈导线通孔13和两个检测电路导线通孔14。
如图3所示,优选的,所述信号反馈***包括依次连接的C/U转换电桥电路、差动放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路和功率放大电路。
所述上定极板6和下定极板9分别连接导线,导线分别从检测电路导线通孔14穿出依次与C/U转换电桥电路、差动放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路和功率放大电路连接,功率放大电路通过导线穿过线圈导线通孔13与线圈3的一端连接;电压采集装置可以通过导线与线圈3的另一端连接,用于采集输出的电压。
优选的,所述挠性梁2为石英材料。所述上定极板6、上动极板7、下动极板8和下定极板9均为石英材料制成。
优选的,所述线圈骨架5由硅钢片层叠而成。
本发明工作原理:
传感器工作时,力通过加载杆11作用于挠性梁2,使挠性梁2产生位移;
所述挠性梁2的偏移量可由差动电容传感器10检出,并把电桥输出电压通过信号处理电路、功率放大电路传递给反馈电路,在反馈电路的线圈中产生电流,通有电流的线圈3在磁场内产生一个与待测力方向相反的电磁力,调整电磁力的大小,可使产生位移的挠性梁2又恢复到原来的平衡位置;
所述挠性梁2再次平衡时,与被测力相对应的补偿电流,通过取样电阻后,在电阻两端可获得输出电压,输出电压与被测力成正比。
所述挠性梁2所受到的拉力或压力由采样电阻两端的输出电压的正、负来反映。
本发明在电磁结构中,线圈骨架5由石英挠性梁2弹性支承;挠性梁2一端固定在壳体1上;固定于壳体1的两个石英定极板与挠性梁2上的两个动极板的电极由金属镀膜构成,作为差动电容传感器10的极板;两个对称E形磁路与线圈构成互为推挽结构永磁动圈式力发生器。在被测力的作用下,挠性梁2产生位移。差动电容传感器10检测挠性梁2的偏移量,并把偏移量传递给信号反馈***,由信号反馈***给线圈3一个补偿电流,通有电流的线圈3在磁场内产生一个与待测力方向相反的电磁力,调整电磁力的大小,可使产生位移的挠性梁2又能恢复到原来的平衡位置。该发明测量原理简单,形成闭环测量***,因此具有测量精度高、体积小、抗干扰能力强并可判断所受力方向的特点。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种电磁平衡式拉压力传感器,其特征在于,包括电磁结构、加载杆(11)和信号反馈***;
所述电磁结构包括壳体(1)、挠性梁(2)、永磁动圈式力发生器和差动电容传感器(10);所述挠性梁(2)的一端固定在壳体(1)内,永磁动圈式力发生器的线圈骨架(5)与挠性梁(2)连接;所述差动电容传感器(10)设置在挠性梁(2)的另一端;
所述加载杆(11)的一端与挠性梁(2)的另一端连接,加载杆(11)的另一端用于加载待测力;
所述信号反馈***的一端与差动电容传感器(10)连接,另一端与永磁动圈式力发生器连接。
2.根据权利要求1所述的电磁平衡式拉压力传感器,其特征在于,所述差动电容传感器(10)包括上定极板(6)、上动极板(7)、下动极板(8)和下定极板(9);
所述上定极板(6)和下定极板(9)分别安装于壳体(1)上;所述上动极板(7)和下动极板(8)分别安装在挠性梁(2)另一端;
所述上定极板(6)和上动极板(7)的位置相对应;所述下动极板(8)和下定极板(9)的位置相对应;
所述上定极板(6)、下定极板(9)、上动极板(7)和下动极板(8)的极面均镀有金属膜。
3.根据权利要求2所述的电磁平衡式拉压力传感器,其特征在于,所述信号反馈***包括依次连接的电桥电路、差动放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路和功率放大电路。
4.根据权利要求1所述的电磁平衡式拉压力传感器,其特征在于,所述永磁动圈式力发生器包括线圈(3)和磁回路(4);
所述线圈(3)缠绕在线圈骨架(5)上;
所述磁回路(4)与壳体(1)连接,所述磁回路(4)包括两个对称的E形磁路,线圈(3)位于两个对称的E形磁路之间。
5.根据权利要求1所述的电磁平衡式拉压力传感器,其特征在于,所述壳体(1)设有支架通孔(12);所述加载杆(11)的一端穿过支架通孔(12)与挠性梁(2)的另一端连接。
6.根据权利要求1所述的电磁平衡式拉压力传感器,其特征在于,所述壳体(1)还设有线圈导线通孔(13)和检测电路导线通孔(14)。
7.根据权利要求1所述的电磁平衡式拉压力传感器,其特征在于,所述挠性梁(2)为石英材料。
8.根据权利要求1所述的电磁平衡式拉压力传感器,其特征在于,所述线圈骨架(5)由硅钢片层叠而成。
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