[发明专利]一种力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种力传感器，尤其是基于谐振检测原理的力传感器。

背景技术

力传感器是在工业领域中得到非常广泛的一种传感器。它的种类繁多，常见的包括电阻应变式力传感器、电容式力传感器、压电式力传感器、谐振式力传感器，等等。

电阻应变片力传感器使用电阻应变片，它是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。通常来说，可将电阻应变片通过粘合剂粘合在产生力学应变的基体上。当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变。这样，应变片的阻值会发生改变，从而使得施加在电阻上的电压发生变化。通过测量该电压变化，便可得到施加在基体上的力值。在实践中，通常将多个这种应变片组成应变电桥来使用。这导致电阻应变片力传感器的结构复杂，其测量精度也不太理想。电阻应变片受温度影响，漂移较大，而且应变片采用粘合剂粘结工艺，长期稳定性不高。

电容式力传感器使用平板电容来实现力敏感结构微位移的检测。其优点是，利用电容进行非接触检测，不存在粘合剂的长期稳定性影响。而缺点在于，电容容易受到外界环境电磁场的影响，难以实现高精度测量。

压电式力传感器采用压电晶体来实现力敏感结构微小交变位移的检测。其优点是灵敏度高，缺点是只对动态交变力敏感而不能对静态力敏感。

基于谐振式检测的力传感器是将力敏感结构产生的微位移或者应变转换为谐振单元的频率变化，通过频率变化计算力的大小。常见的谐振单元有谐振梁、谐振弦。优点是该传感器输出信号为频率信号，准数字量，易于检测，精度高，稳定性好。缺点是结构稍复杂，需要进行材料的温度补偿。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于谐振检测原理的力传感器。本发明的另一个目的在于提供一种差动谐振弦式的检测结构，实现被测力的差动检测。

根据本发明，提供了一种谐振式力传感器，包括薄片式基体。该基体包括自由端和固定端，在所述基体内开有通孔，所述通孔包括靠近所述固定端的第一部分和靠近所述自由端的第二部分。所述通孔的第一部分和第二部分具有不相等的长度和宽度。该谐振式力传感器还包括沿着从自由端到固定端的方向延伸并固定在所述通孔内的振弦，所述振弦被预张紧。该谐振式力传感器还包括用于使所述振弦产生振动的激励器，以及用于检测所述振弦的振动的检测器。

在一个实施例中，所述通孔的第一部分的宽度大于所述第二部分的宽度，和/或所述通孔的第一部分的长度小于所述第二部分的长度。在一个优选的实施例中，所述通孔的第一部分构造成圆形孔，所述通孔的第二部分构造成直径槽段，并且所述第一部分和第二部分之间光滑连接。在另一个优选的实施例中，所述基体的固定端通过弹性件固定，所述通孔的第一部分构造为在所述基体的固定端处敞开的开口直线槽段，所述第二部分构造为圆形孔。在一个特定的实施例中，所述通孔的第一部分的宽度小于所述第二部分的宽度，和/或所述通孔的第一部分的长度大于所述第二部分的长度。

在一个实施例中，在所述通孔内设置有两根振弦，它们分别与所述薄片式基体的上、下表面平齐，并且具有相同的固有频率。在一个优选的实施例中，所述两根振弦相互平行，并且沿着所述基体的纵向中心线延伸。在另一个优选的实施例中，所述两根振弦分别沿着相对于所述基体的纵向中心线成正、负等角的方向延伸，角度范围在0～45度。

在一个实施例中，所述激励器和检测器构造成一体，包括设置在振弦中间位置处的磁性件，以及布置在形成于所述通孔的侧面的凹槽内且与所述磁性件位置相对应的线圈。这样，所述线圈在脉冲信号作用下产生瞬时力，然后由所述线圈检测磁性件在所述线圈中产生的耦合衰减电信号，进而能够检测振弦的振动频率。

根据本发明的谐振式力传感器具有结构简单、测量精度高等优点。尤其是，通过设置两根振弦，能够以差动的方式进行测量，提高系统检测的灵敏度和精度。同时，通过将两根振弦布置成相互间形成一定的角度，还可以实现对扭矩的测量。另外，根据本发明的谐振式力传感器还能够仅仅采用一个磁钢和线圈来进行激励和检测，进一步简化了结构。

附图说明

下面将通过在附图中示意性显示的优选实施例来对本发明进行说明。在图中：

图1显示了根据本发明的第一个实施例的谐振式力传感器的示意性平面图；

图2显示了图1所示的根据本发明的第一个实施例的谐振式力传感器的示意性侧视图；

图3显示了根据本发明的第二实施例的谐振式力传感器的示意性平面图；

图4显示了根据本发明的第三实施例的谐振式力传感器的示意性侧视图；