CN211668673U

CN211668673U - 一种力传感器

Info

Publication number: CN211668673U
Application number: CN201922380670.1U
Authority: CN
Inventors: 李炳生; 陈爱忠
Original assignee: LIYANG CHAOYUAN INSTRUMENT FACTORY
Current assignee: LIYANG CHAOYUAN INSTRUMENT FACTORY
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-10-13
Anticipated expiration: 2029-12-26

Abstract

本实用新型涉及一种力传感器，其特征在于，包括：通过电连接的弹性体、敏感组件、导线；所述弹性体为钢材料；所述敏感组件包括金属电阻应变计。本实用新型提供的力传感器，性能稳定、输出灵敏系数高、准确度级别高、量程范围大、体积小、自重轻,横向干涉度小、动态性能好，有极高的性价比,可广泛应用于各项科研和地震模拟振动台的静态、动静态和动态测试和分析中。

Description

一种力传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，更具体地说，涉及一种力传感器。

背景技术

力能够产生多种物理效应，可采用多种不同的原理和工艺，针对不同的需要设计制造力传感器。力传感器主要有：被测力使弹性体(如弹簧、梁、波纹管、膜片等)产生相应的位移，通过位移的测量获得力的信号；弹性构件和应变片共同构成传感器，应变片牢固粘贴在构件表面上。弹性构件受力时产生形变，使应变片电阻值变化(发生应变时，应变片几何形状和电阻率发生改变，导致电阻值变化)，通过电阻测量获得力的信号。应变片可由金属箔制成，也可由半导体材料制成；利用压电效应测力。通过压电晶体把力直接转换为置于晶体两面电极上的电位差；力引起机械谐振***固有频率变化，通过频率测量获取力的相关信息；通过电磁力与待测力的平衡，由平衡时相关电磁参数获得力的信息。

力传感器(force sensor)是将力的量值转换为相关电信号的器件。力是引起物质运动变化的直接原因。力传感器能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。具体的器件有金属应变片、压力传感器等，在动力设备、工程机械、各类工作母机和工业自动化***中，成为不可缺少的核心部件。

现有的力传感器性能不够稳定丶输出灵敏系数不够高丶准确度级别不够高。

因此，现有技术亟待有很大的进步。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的缺陷，提供一种力传感器，至少包括：通过电连接的弹性体、敏感组件、导线；所述弹性体为钢材料；所述敏感组件包括金属电阻应变计。

优选地，所述钢材料屈服强度在1370MPa以上，抗拉强度在1620MPa以上。

优选地，所述金属电阻应变计采用全桥连接方式。

实施本实用新型的力传感器，具有以下有益效果：性能稳定、输出灵敏系数高、准确度级别高、量程范囲大、体积小、自重轻,横向干涉度小、动态性能好，有极高的性价比,可广泛应用于各项科研和地震模拟振动台的静态、动静态和动态测试和分析中。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型力传感器电阻应变电桥工作原理图。

具体实施方式

请参阅图1，为本实用新型力传感器电阻应变电桥工作原理图。如图1所示，在本实用新型第一实施例提供的力传感器中，至少包括，通过电连接的弹性体、敏感组件、导线；所述弹性体为钢材料；所述敏感组件包括金属电阻应变计。具体实施时，钢材料屈服强度在1370MPa以上，抗拉强度在1620MPa以上。金属电阻应变计采用全桥连接方式。

本实用新型力传感器的机电转换过程中，首先采用粘贴在弹性组件上的金属电阻应变计的电阻效应，即如(1)式表示：

R＝ρL/F (1)

式中：R——金属丝栅的电阻值(Ω)；

ρ——金属丝栅的电阻率(Ω/mm²/m)；

L——金属丝栅的长度(m)；

F——金属丝栅的横截面面积(mm²)。

利用电阻应变计灵敏度系数K值，来实现非电量的相对应变量(ε)转换成为电阻量的相对变化量之比的关系式，如(2)式表示：

K＝(△R/R)/(△L/L) (2)

式中：K——电阻应变计的灵敏度系数；

△R/R——电阻应变计电阻与相对变化的电阻之比；

△L/L——被测试件受力后的相对变化量即ε。

机电转换是利用惠斯登电桥原理(即电阻应变电桥的桥臂和加减特性)，实现把非电量的应变量转换成为电压信号输出，其电阻应变电桥工作原理参见图1所示。图中：

R₁，R₂，R₃和R₄——电阻应变电桥的4个桥臂电阻(Ω)；

u——电桥供桥电压(V)；

u——电桥输出电压(mV)。

根据图1所示，可得出电阻应变电桥的电压输出关系式如(3)式所示：

△u＝uK(ε₁－ε₂+ε_3－ε₄)/4 (3)

式中：u——电桥供桥电压V；

ε₁，ε₂，ε₃和ε₄——电桥4个桥臂相对应变；

K——电阻应变计的灵敏系数。

本实用新型力传感器采用全桥接法，又根据贴片在弹性体上的受力机理，当已知ε₁＝ε₂＝ε₃＝ε₄且绝对值相等条件下，即其电压输出值△u为：

△u＝uKε (4)

本实用新型力传感器充分利用上述式(1)-(4)式的关系，根据应变电桥桥臂系数,不难看出其输出灵敏系数K比半桥独立补偿电桥提高了2(1+μ)倍或4倍，且温度又得到了自动补偿的目的。

具体实施时，量程范围(KN):Fx＝Fy，从10-100，Fz，从30-300，Fx-m＝Fy-m和Fz-m，可以根据需要自定义设置；过载能力N(％)：在额定范围内的120；输出灵敏系数S(mv/v):从0.5-1.5，或(με/KN)30-100，具体以出厂标定为准；接桥方式:全桥；桥路电阻(R):350Ω或700Ω；准确度级(级％FS)：±0.2、±0.5或±1.0等；零漂和满漂(％FS/με)：≤±0.2％±3.0；重复性和滞迟(％FS/με)：≤±0.2％±3；温度范围(℃)：－35～+80；湿度范围RH(％)：≤90；供桥电压(V)：≤10.0；横向干涉度(％):≤±5.0；引出线长度(m)：1.0米，也可根据用户需要变化；使用寿命(次)：1×10⁶；使用应变测试分析***灵敏度系数：K＝2.00；输出导线连接方式:A(红)、B(黄)、C(蓝)、D(白或黑)。

具体实施时，可以根据用户要求,正确选用本实用新型力传感器的尺寸，对号入座至需要被检测节点或支座处，用扭力扳手均匀旋紧固定用连接螺母，并使其施加外力尽量相似。

把安装好的该实用新型力传感器引出导线正确接入应变测试分析***中，在对连接螺栓施加连接外力的同时,检测相应的测试数值，使予加力值尽力在予定数值范围之内。

当选用应变测试分析***时，不论该力传感器接成何种电桥方式，一律设为半桥(即单独补偿方式如方式二)，使其测试值为1：1，此时只要取测得的应变增量值△ε(με)，除以力传感器输出灵敏度S(με/KN)，即是有被测试的力值P(KN)，用公式(5表示)。如S用KN/με表示的话，可用乘法。

P(KN)＝△με/S (5)

如测试分析***采用传感器模式进行参数设置的话，只需把相应的参数正确设置，如传感器标定系数(S)，长导线电阻值(R)等，此时所测试结果，即为被测得的力值P(KN)。

用户为测试方便起见,也可亊先通过下述各分项系数的计算，可利用测试分析***综合修正系数K值来计祘,在已知各分项系数条件下,可由公式(6)计算所得

式中：K——综合修正系数；

ε——实际应变值(ε)；

εi——测试应变值(ε)；

Kr——长导线电阻阻值修正系数；

KR——电阻应变计电阻阻值修正系数；

K0——测试分析***的灵敏系数；

Ki——电阻应变计出厂灵敏系数(一般由生产厂提供)；

Kn——应变电桥桥臂系数。

在具体计算综合修正系数各分项计算中,如果有缺失项，则以1.00代入，例如采用无线测试分析***方法时，对长导线电阻阻值修正系数可不作修正，即Kr＝1.00。

如在某应变测试分析***中，已经包含了某分项的内容时，则不必作重复修正。例如应变电桥桥臂系数Kn，在测试***中已设置为某种方式接桥时，对该项以1.00代入。

本实用新型通过以上实施例的设计，其有益效果是：性能稳定、输出灵敏系数高、准确度级别高、量程范围大、体积小、自重轻,横向干涉度小、动态性能好，有极高的性价比,可广泛应用于各项科研和地震模拟振动台的静态、动静态和动态测试和分析中。

本实用新型是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本实用新型范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本实用新型技术的特定场合，可对本实用新型进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本实用新型并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims

1.一种力传感器，其特征在于，包括：通过电连接的弹性体、敏感组件、导线；所述弹性体为钢材料；所述敏感组件包括金属电阻应变计；所述钢材料屈服强度在1370MPa以上，抗拉强度在1620MPa以上。

2.根据权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述金属电阻应变计采用全桥连接方式。