[发明专利]超高精度力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高精度力传感器，属于力学计量领域。

技术背景

众所周知，传统力传感器有电阻应变片、半导体应变片、压阻式、压电式等类型，其基本原理是通过弹性敏感元件受力变形，通过压变、压阻、压电等效应，将变形量转化为电信号，反映出符合的力的大小。这种测量原理存在局限性，由于弹性敏感元件和结构特性上的原因，线性度难于超过万分之一。由于力传感器在线性度在这方面的局限性，长期以来尽管力传感器在很多方法发展迅速，技术日趋成熟，但在线性度、精度等基本技术指标方面长期停滞不前，不能突破十万分之几的线性度，超高精度的力传感器一直未能取得实质上的进展，影响了质量质心测量等技术的发展。

目前以应变片技术为基础的传统的力传感器，其线性度低于0.3％，测量精度难超过0.03％，力传感器是物体质量质心测量设备的核心部件，传感器的精度决定测量准确性。

发明内容

为了克服以应变技术为基础的传统的力传感器的线性度低于0.3％，测量精度难超过0.03％的不足，本发明提供一种能提高线性度、提高精度的超高精度力传感器。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

设法采用一个补偿力来抵消超高精度压力传感器上所受到的力，而这个补偿力，可以通过电磁铁产生的；众所周知，电磁铁上的电磁力，可以通过改变流过它的电流的大小来控制，电流又可以通过电压控制，当有力作用在超高精度压力传感器上的时候，使用一个检测装置，检测出传感器的位移变形，通过一个闭环控制系统控制流过电磁铁上的电流，使得电磁力刚好等于作用在传感器上的力，使传感器恢复到变形前，故只要能保证控制电压的线性度，就可以保证超高精度传感器的线性度，相当于将线性度转移到了控制电压上。

为了达到上述发明构思，本发明的技术方案是：

一种超高精度力传感器，包括杠杆、电磁铁、电磁铁支座、衔铁、支撑柱、旋转机构、杠杆平衡检测装置、闭环控制系统、底板等组成部分。衔铁连接在杠杆上，杠杆放置在旋转机构上，旋转机构固定在底板上，杠杆水平时，衔铁正下方对应放置着电磁铁，电磁铁固定在电磁铁支座上，电磁铁支座固定在底板上。为了检测杠杆是否恢复到初始位置，本发明采用了一个杠杆平衡检测装置，采用了一个压力传感器，也可以采用别的传感器，该杠杆平衡检测装置，放置在杠杆受压端下方。

本发明的积极效果是：

1、解决了传统传感器量程与线性度之间的矛盾。由于恢复力作用后，超高精度传感器机械结构在几何方面与加载前完全一样，机械上的非线性完全消除，传感器自身是完全线性的，而相对应变测量传感器而言，其取决于弹性敏感元件的变形，其天生是非线性的。2、传感器的抗干扰能力更强。本传感器输出以电磁铁控制电参数的形式出现，控制电压可高达数十伏，通过控制电压与生成的电磁力的关系，得到测量力的大小，由于控制电压远高于电子器件的噪声，可以得到很高的传感器精度。

附图说明

图1是超高精度力传感器的示意图；

图2是支撑柱示意图；

图3是杠杆平衡检测装置示意图；

图4是杠杆与旋转机构配合的示意图；

图5是电磁铁示意图；

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的阐述，不仅限于本实施例，通过简单变换或等效的应用也属于本发明的保护范围。

一种超高精度力传感器，主要包括杠杆1、衔铁2、电磁铁3、电磁铁支架4、支撑柱5、旋转机构6、杠杆平衡检测装置7、底板8、闭环控制系统等。如图1所示，衔铁2通过螺钉连接在杠杆1前端，其正下方对应着电磁铁3；电磁铁3安装在电磁铁支架4上，并且将电磁铁支架4用螺钉固定在底板8上；整个杠杆1通过旋转机构6，同样用螺钉固定在底板8上；支撑柱5安装在杠杆1末端，其下方是杠杆平衡检测装置7。图2是支撑柱5的示意图，用来传递压力。图3杠杆平衡检测装置7的工作示意图，本实例中采用的是用压力传感器来检测杠杆是否发生旋转和是否恢复到原来平衡位置，由于支撑柱5通过螺母9跟杠杆1固定在一起，所以当支撑柱5上端受到压力时，杠杆1末端会下沉，而当杠杆1末端恢复到原来位置时，支撑柱5同样也会跟着一起恢复到原来位置；支撑柱5下端通过钢球10，在通过传感器压头11将压力传递到杠杆平衡检测装置7中的压力传感器上。图4示意的是杠杆1和旋转机构6如何配合，旋转机构6主要由转轴支座压盖13、滚动轴承14、转轴15和转轴支座16组成，故杠杆1可以绕着转轴15发生旋转。具体实施时，当支撑柱5受到压力时，杠杆1末端会绕着转轴15下沉，此时，同样的大小的力也会作用在杠杆平衡检测装置7中的压力传感器上，根据此压力传感器测出该压力的大小，通过闭环控制系统，根据所得的压力大小，改变通过电磁铁3流过的电流，使产生的电磁力刚好能使杠杆1能恢复到受力前；然后通过闭环控制系统，将流过电磁铁的电流，转化为压力的参数，就能得到作用在支撑柱5上的压力了。