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一種高靈敏度小型光電式力傳感器的研制的制作方法
【專利摘要】傳統(tǒng)的應(yīng)變式力傳感器一般存在著靈敏度較低，加工、裝配要求較高，應(yīng)變片過載易發(fā)生永久變形等缺陷；傳統(tǒng)應(yīng)變式力傳感器的使用受到其使用場合的限制。本發(fā)明涉及一種小型光電式力傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及一種以撲翼飛行機器人飛行動力性能測試和沖板流量計應(yīng)用為目標的高靈敏度小型（滿量程50N)力傳感器。本發(fā)明采用光電測量原理，利用其測量靈敏度高、反應(yīng)快的優(yōu)點以適用于一些工作頻率較高、實時性測量要求較高的場合。如圖所示為本發(fā)明小型光電式力傳感器樣機，本發(fā)明具有制造成本低，裝配、使用簡單，靈敏度高，遲滯小優(yōu)點。
【專利說明】一種高靈敏度小型光電式力傳感器的研制
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種小型光電式力傳感器。更具體地，本發(fā)明涉及一種以撲翼飛行機器人飛行動力性能測試和沖板流量計應(yīng)用為目標的高靈敏度小型(滿量程50N)力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的力傳感器通常采用應(yīng)變片作為敏感元件，在仔細設(shè)計彈性體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將應(yīng)變片緊密粘接在彈性體的最大應(yīng)變位置，通過設(shè)計橋電路來實現(xiàn)力信號的提取?；趹?yīng)變橋的力傳感器的主要局限性包括:(I)為了保證力傳感器的安全過載能力和疲勞壽命，彈性體的滿載應(yīng)變量一般很小，通常只有幾個微米，使得力傳感器的靈敏度較低，通常只有2-5mV/V左右。為了將敏感信號放大到工業(yè)標準信號范圍(例如0/1-5V ；0/l-10V ；0-20mA ;4-20mA等)通常需要放大1000倍左右，對信號調(diào)理電路的穩(wěn)定性提出較高要求；
[2]為保證應(yīng)變橋電路的零點輸出達到一定精度要求，粘貼應(yīng)變片具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度，通常需要具有較高技術(shù)水平的專業(yè)技術(shù)人員來完成；(3)應(yīng)變片為精密元件，對焊接技術(shù)要求較高；(4)應(yīng)變片通常表現(xiàn)出一定的蠕變特征，給高精度力傳感器的研制帶來一定困難；(5)應(yīng)變片及其安裝基礎(chǔ)通常均為金屬材料，有明顯的溫度漂移特征。基于應(yīng)變橋電路的力傳感器通常需要設(shè)計專門的溫度補償電路；(6)應(yīng)變式力傳感器一般在過載后會發(fā)生永久變形，傳感器無法修復(fù)。克服或盡量避免上述缺陷，主要有以下兩種解決途徑:(I)提高傳感器的精工精度和技術(shù)要求；(2)改變測量原理。
[0003]當(dāng)今社會光電式敏感元件以其多方面的優(yōu)點在傳感器設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。例如光柵尺、光電編碼器、光電耦合器等。光電敏感元件的主要優(yōu)點包括:(I)靈敏度高，響應(yīng)速度快；(2)輸入輸出電信號隔離；(3)抵抗沖擊振動能力強；(4)易于實現(xiàn)絕熱處理，可獲得很小的溫度漂移效果；(5)信號調(diào)理電路設(shè)計簡單，易于使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是基于光電敏感元件的上述優(yōu)點，通過改變傳統(tǒng)的力傳感器的測量原理，研究和設(shè)計出一種基于發(fā)光/光電二極管的小型力傳感器。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了該光電式小型力傳感器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和專用放大電路設(shè)計。在設(shè)計過程中，本發(fā)明還應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件對傳感器的彈性體進行了仿真，仿真結(jié)果表明，該彈性體受力后，力-位移特性線性度好；并且由于彈性體的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計，其溫度漂移極小。
[0006]本發(fā)明具體
【發(fā)明內(nèi)容】
如下所述。
[0007]傳感器的總體結(jié)構(gòu)除了使傳感器具有足夠的機械強度和實現(xiàn)測力的要求外，還必須滿足傳感器整體易于裝配，并充分考慮傳感器的使用和抗干擾能力。為了實現(xiàn)上述要求，本發(fā)明在仔細設(shè)計傳感器彈性體的基礎(chǔ)上，對彈性體進行有限元仿真，并充分考慮本發(fā)明的封裝設(shè)計；同時為滿足上述要求，本發(fā)明設(shè)計了專用的放大電路。
[0008]基于上述要求，本發(fā)明所設(shè)計的小型光電式力傳感器機械部分包括彈性體2 (I個),招合金制作成的殼體I (I個)，夾布膠木制作成的上下膠木座4、5 (各I個),45鋼制作成的底座6,包括由一個發(fā)光二極管和光電二極管組成的發(fā)光/光電二極管對11、12 (2對)，墊圈(3個)，十字槽沉頭螺釘M2.5X5 (4個)和內(nèi)六角圓柱頭螺釘M4 X 10 (I個)。
[0009]所述彈性體I由65Mn彈簧鋼制造，彈性體經(jīng)熱處理后屈服強度高于700Mpa，具備上述要求的機械強度，同時彈性體具備了一定的抗彈減性能，疲勞性能以及物理化學(xué)性能(耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等)，從而保證所述發(fā)明傳感器的精度受各種力測量環(huán)境的影響盡可能小。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示彈性體2。
[0010]所述彈性體結(jié)構(gòu)采用柔性杠桿放大機構(gòu)，可以將彈性體外圍框架的受力形變位移在擋光板末端處放大。由于傳感器測量的電信號為兩對發(fā)光/光電二極管對的差分信號，所以彈性體放大后的有效位移為擋光板末端A、B結(jié)點位移輸出之差。為方便對該彈性體結(jié)構(gòu)進行應(yīng)變和熱應(yīng)變分析，本發(fā)明采用ABAQUS軟件對彈性體結(jié)構(gòu)進行有限元仿真；ABAQUS軟件中定義材料屬性:材料定義為6 5Mn，其密度
P = TMBS %/層氣彈性模量2E11 Pa，泊松比0.3，熱傳導(dǎo)系數(shù)為25.96，比熱為451熱膨脹系數(shù)為11E-6 /°C。如圖5所示，給出了彈性體受50N力時的應(yīng)力-應(yīng)
變云圖；如圖6所示，給出了彈性體擋光板末端A、B結(jié)點處的力-位移特性曲線圖；如圖7所示，給出了彈性體在70°C下的熱應(yīng)變分析云圖；圖8所示，給出了彈性體擋光板末端A、B結(jié)點處溫度-位移特性曲線圖。通過有限元分析，彈性體放大機構(gòu)A、B結(jié)點滿量程輸出位移為32.769 _,放大倍數(shù)為7.567倍；彈性體力-位移特性曲線非線性度小于萬分之一；彈性體最大應(yīng)力值為I_106XIO8Pa，遠小于65Mn材料的許用應(yīng)力值;70°C環(huán)境下彈性體受熱應(yīng)變影響，A、B結(jié)點輸出位移之差||公= (1110?!?,該值相較于彈性體滿量程輸出位移32.769 I*足夠小，這樣 有效減少了本發(fā)明因彈性體熱變形而造成傳感器精度下降的影響。
[0011]所述殼體I根據(jù)GB/T 11379對其電鍍鉻層。底座6根據(jù)GB/T 9799對其電鍍鋅層。這樣有效防止殼體和底座由于長期暴露在外而造成的銹蝕，同時提高了本發(fā)明傳感器的耐磨性、抗腐蝕性以及增進美觀。
[0012]所述上、下膠木座4、5由夾布膠木制作而成，由于夾布膠木具有良好的電絕緣性和熱絕緣性，這樣防止了傳感器內(nèi)部走線漏電的情況，同時為傳感器提供了良好的熱絕緣層，減小了傳感器因溫度漂移對精度的影響。上、下膠木座設(shè)計緊湊，并設(shè)計有光電二極管的安裝孔和內(nèi)部走線槽。
[0013]所述發(fā)光/光電二極管選用型號為EL-1KL3紅外光電發(fā)射管和ST-1KLA紅外光電接收管，其管徑為4.6mm，在設(shè)計本發(fā)明前，首先對該發(fā)光、光電二極管進行了光電一位移特性測試實驗，通過實驗測得光電二極管的近似線性區(qū)，并以此為擋光板初始擋光位置選取的依據(jù)。
[0014]基于上述要求，本發(fā)明設(shè)計了該傳感器的專用放大電路如圖10所示。
[0015]所述放大電路分為兩個模塊；第一個為電源模塊，電源模塊分為12V和5V電，12V電用于對AD620芯片供電，5V電是由12V電通過LM7805CT穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換而成，用于對發(fā)光/光電二極管供電，同時該模塊對12V和5V電進行了濾波處理，以減少外部噪聲信號對該放大電路的干擾。第二個為放大模塊，放大模塊包括輸入信號、輸出信號和將信號放大的集成運放AD620芯片，輸入信號采用差分輸入到第一級AD620芯片，并且在輸入之前接RC濾波電路，采用這樣的處理方式將大大減少信號中的高頻毛刺噪聲和外部環(huán)境的干擾，信號經(jīng)第一級AD620芯片后再經(jīng)低頻RC電路，輸入到第二級AD620芯片放大，這樣經(jīng)過兩級放大后，最終將信號經(jīng)輸出端子接入電壓測量設(shè)備，用于信號測試。同時，本發(fā)明所選用的AD620芯片支持放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，在該電路中可通過R4可調(diào)電位器對放大倍數(shù)進行調(diào)整。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明小型光電式力傳感器的俯視圖。
[0017]所述圖1中的標號說明:1外殼，2彈性體，3墊圈。
[0018]圖2為本發(fā)明小型光電式力傳感器的主視圖。
[0019]所述圖2中的標號說明:4下膠木座，5上膠木座，6底座，7十字槽沉頭螺釘 M2.5X5 (GB/T819.2-1997)，8 小墊圈-A 級(GB/T848-2002)，9 內(nèi)六角圓柱頭螺釘M4X10 (GB/T70.1-2000)，10 輕型彈簧墊圈(GB859-1987)。
[0020]圖3為本發(fā)明小型光電式力傳感器的左視圖。
[0021]所述圖3中的標號說明:11發(fā)光二極管，12光電二極管(接收二極管)。
[0022]圖4為本發(fā)明小型光電式力傳感器的三維爆炸視圖。
[0023]圖5為本發(fā)明小型光電式力傳感器的彈性體應(yīng)力-應(yīng)變云圖。
[0024]圖6為彈性體A、B結(jié)點處力-位移特性曲線圖。
[0025]圖7為本發(fā)明小型光電式力傳感器的彈性體熱應(yīng)變分析云圖。
[0026]圖8為彈性體A、B結(jié)點處溫度-位移特性曲線圖。
[0027]圖9為本發(fā)明小型光電式力傳感器的樣機。
[0028]圖10為本發(fā)明小型光電式力傳感器信號放大電路原理圖。
[0029]圖11為本發(fā)明小型光電式力傳感器的信號放大器。
【具體實施方式】
[0030]為更清楚的理解本發(fā)明，現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的關(guān)鍵裝配要求和使用作進一步說明。應(yīng)當(dāng)指出本發(fā)明附圖為量程50N的小型光電式力傳感器，僅為說明本發(fā)明用，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護范圍由所附的權(quán)力要求書進行限定。
[0031 ] 如圖2、3所示，裝配時首先將兩對發(fā)光/光電二極管11、12順序裝入上、下膠木座
4、5的安裝孔內(nèi)，同時必須保證同一對光電二極管對相對安裝并完全同心，安裝完成后用704硅橡膠固定。
[0032]如圖1、2所示，將彈性體2、底座6和上下膠木座4、5通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘9固定安裝，螺釘與底座之間裝有輕型彈簧墊圈10和小墊圈8 ;同時在安裝前保證墊片3已夾在膠木座4、5與彈性體2之間，上、下膠木座的發(fā)光/光電二極管安裝孔嚴格同心，并保證彈性體除頭部部分的其余部分不與上、下膠木座有任何接觸。
[0033]上述安裝步驟完成后將細導(dǎo)線與發(fā)光/光電二極管的管腳焊接，并將導(dǎo)線沿著上、下膠木座的走線槽布線。
[0034]上述安裝步驟完成后，將已固定在一起的彈性體2、底座6和上下膠木座4、5裝入外殼I，并用四個十字槽沉頭螺釘緊定安裝。上述安裝前要保證導(dǎo)線已通過外殼I上的通孔引到傳感器外部。上述步驟完成后，傳感器的機械部分裝配完成，如圖9所示傳感器樣機。[0035]傳感器使用時先將傳感器通過底座上的四個安裝螺紋孔固定安裝在固定面上，然后通過彈性體頭部的安裝螺紋與施力物體相安裝。傳感器引出的導(dǎo)線按順序分別接入放大電路(如圖11)的輸入端子，輸出端子引出的導(dǎo)線與電壓測量設(shè)備相連，然后將放大電路與+12V電源相連。通過以上步驟后，打開電源開關(guān)，對傳感器施力就可以實現(xiàn)對力信號的讀取和測量。
[0036]本發(fā)明對該傳感器進行了標定實驗，測得傳感器指標如下:線性度
【權(quán)利要求】
1.一種小型光電式力傳感器,主要包括:彈性體，殼體，膠木座，底座，發(fā)光二極管和光電二極管組成的發(fā)光/光電二極管對，墊圈，M2.5十字槽沉頭螺釘和M4內(nèi)六角圓柱頭螺釘以及本發(fā)明傳感器專用放大電路；其特征是: 所述彈性體2采用柔性杠桿放大機構(gòu)，彈性體結(jié)構(gòu)保證了溫度一位移特性極小；彈性體2除頭部部分其其余部分不與膠木座4、5有任何接觸，保證了發(fā)光/光電二極管的非接觸測量；膠木座4、5與殼體I和底座6之間結(jié)合緊湊，保證傳感器在受外力時的測量精度；殼體I根據(jù)GB/T 11379對其電鍍鉻層，底座6根據(jù)GB/T 9799對其電鍍鋅層，有效防止殼體和底座由于長期暴露在外而造成的銹蝕，同時提高了本發(fā)明傳感器的耐磨性、抗腐蝕性以及增進美觀；膠木座4、5上制造有傳感器內(nèi)部導(dǎo)線的走線槽，方便走線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型光電式力傳感器，其特征在于:測量力加載于傳感器上，彈性體受力變形，同時彈性體通過微位移放大機構(gòu)將微小形變放大，其位移大小與光電二極管產(chǎn)生的電信號呈近似線性關(guān)系，通過光電二極管對該位移量進行測量，電信號經(jīng)過放大電路，連接電壓測量設(shè)備，讀取電壓值，從而實現(xiàn)對力的測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型光電式力傳感器，其特征在于:發(fā)光/光電二極管對的電信號采用差分連接的方式接入放大電路，有效減少外部環(huán)境對傳感器精度的干擾。
【文檔編號】G01L5/00GK103994849SQ201410218478
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】何廣平, 李中一, 馬強, 狄杰建, 袁俊杰 申請人:北方工業(yè)大學(xué), 何廣平