[发明专利]双比率力传感器

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求第60/707,322号美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明一般涉及测量装置，并且尤其涉及一种力传感器，其应用了一根机器加工制造的弹簧，来提供两种不同的弹簧比率和多个传感器以测量不同的比率。

背景技术

在现有技术中，两种单独的力传感器被用来测量两个不同的力范围。这需要每个传感器的单独的设置方案，由此增加了机械复杂度，并使整体的硬件方案的重量增加。

发明内容

一种双比率力传感器包括在相对的部件之间相耦合的双比率弹簧。弹簧的一个部分有第一弹簧比率，弹簧的另一个部分有第二弹簧比率。多个传感器相耦合以测量弹簧位移(displacement)。机械停止器用来限制弹簧的压缩。

附图说明

通过参照附图，所描述的实施例将变得更加容易理解，其中：

图1A和1B是根据优选实施例的力传感器的平面图；

图2是力传感器的透视图，其省略弹簧以示出LVDT；

图3A-3E是弹簧和翼缘的平面图；

图4是力传感器的透视图，其切去了弹簧的一部分以示出LVDT；

图5A-5C是LVDT的电路图；

图6A-6B是输入力对输出偏移的图示。

在所有附图中，相同的标记表示相同的部件。

具体实施方式

本文描述的优选实施例是一种双比率力传感器。双比率弹簧由单块材料(例如不锈钢)通过机器加工制造，以在弹簧的任一端具有两种不同的拉伸规格，在弹簧的部分之间具有共享的翼缘(flange)或者压板(platen)。另一个翼缘附着于每个弹簧部分的远端。多个LVDT设置在弹簧上以测量位移。举例来讲，在优选实施例中，LVDT变换器(transformer)被附着在中央共享的翼缘上，而可移动的核心(电枢)被附着于任意一端的翼缘。来自所有LVDT的信号与信号处理电路相耦合，其中这些信号被处理并被用于检测和控制方案。

如图1A和1B所示，力传感器10包括一对相对的支柱部分20L、20R和弹簧30，弹簧30设置在支柱部分之间。力传感器10典型地应用于飞行器，并且理想地应用于座舱控制，包括检测驾驶员对副翼、升降舵以及方向舵控制所施加的力。支柱部分20L、20R带有翼缘部分22L和22R，这些翼缘形成在支柱部分的临近端。在一个优选实施例中，止动杆32被耦合在翼缘部分22L和22R之间，并被用于限制弹簧30的压缩/回缩和扩张/延伸，这样可以保护弹簧处于最大限制范围内和系统的最大力载荷的范围内。具体来说，弹簧30在以下情况下可能会变形或断裂：(i)在延伸或回缩时，弹簧被允许在无限制的伸缩范围内移动，或者(ii)当施加于支柱部分20L、20R时，弹簧经历最大量的力载荷。

如图2所示，设置于弹簧30内部起作用的是三个线性可变差分变换器(LVDT)40、41和42。众所周知，LVDT是位移测量设备，其产生与圆柱形变换器内的可移动核心(电枢)的位移成比例的电信号。对于理解本发明，对其的完整描述被认为是不必要的。

支柱部分20L、20R的结构也是普遍公知的。优选地，支柱是圆柱形状，其由不锈钢或者铝通过机器加工制造，直径D1为0.750英寸。(在本发明中所指示的所有尺寸均为近似值)。支柱的附加部分24有一个直径D2为0.2500英寸的圆形开口，其与传感器的一端连接在一个固定的位置上，而传感器的另一端连接期望的载荷。翼缘部分22L和22R也是由不锈钢或者铝制造，它们的直径D3近似为2.25英寸，通过例如焊接固定在支柱上。处于零位的传感器的总长度L1是9.5英寸，每个支柱部分的测量的长度L2为3.00英寸，弹簧部分的测量的长度L3为3.50英寸。