[发明专利]一种电磁平衡式拉压力传感器

说明书

本发明公开了一种电磁平衡式拉压力传感器，包括电磁结构、加载杆和信号反馈系统；所述电磁结构包括壳体、挠性梁、永磁动圈式力发生器和差动电容传感器；所述挠性梁的一端固定在壳体内，永磁动圈式力发生器的线圈骨架与挠性梁连接；所述差动电容传感器设置在挠性梁的另一端；所述加载杆的一端与挠性梁的另一端连接，加载杆的另一端用于加载待测力；所述信号反馈系统的一端与差动电容传感器连接，另一端与永磁动圈式力发生器连接。本发明测量原理简单，形成闭环测量系统，因此具有测量精度高、体积小、抗干扰能力强并可判断所受力方向的特点。

技术领域

本发明涉及力测量的传感器技术领域，具体涉及一种电磁平衡式拉压力传感器。

背景技术

国内力传感器产业的发展可以追溯到二十世纪的七十年代末，那个时期的传感器，主要是仿制欧美、日等国的设计与制造技术，只能进行小批量生产，当时企业规模普遍较小、工艺装配水平较差、产量和技术性能也较低。经过三十多年的发展，特别是近十年来，随着国民经济、科学技术，特别是电子和计算机技术的快速发展，基础研究投入的加大，为力传感器的发展提供很大的空间并奠定了良好的基础，使其在国民经济各个领域的应用得到了快速的发展，形成了强大的产业。近年来随着物联网和数字技术的兴起，又为力传感器产业升级创造了条件。

传统型力测量传感器是通过在弹性梁上粘贴应变片，当梁受力变形时产生的应变传给应变片，应变片的电阻发生改变，由应变片构成的电桥电路输出与弹性梁上所加力成正比的电压信号。由于弹性梁结构本身存在非线性及迟滞问题，再加上应变片是用胶粘贴于弹性梁上，胶对应变片的粘贴牢固程度受温度的影响且会出现老化现象，因此会导致测力系统性能变差。由应变片制成的测力系统其精度难以突破0.02％FS。并且，传统型力测量传感器在使用和制造过程中，还有一些不足：

1金属应变片式传感器：对于大应变有较大的非线性；输出信号较弱；尽管金属应变片的温度系数较小，但其电阻毕竟会随温度变化；横向效应给测量带来误差；金属应变片的应变灵敏系数小。

2半导体应变片传感器：虽然这种应变片的灵敏度高，但其非线性误差大，其最大缺点是输出电压受温度影响大，因此在温度变化的环境中使用，要保证一定的精度，必须进行温度补偿，但这种补偿只是在一定程度上减小了温度的影响，很难在一年四季的环境温度变化的情况下得以很好地补偿。

为提高传感器的测量精度，解决应变片式传感器存在的缺陷，人们提出了一种电磁平衡式力传感器。

昆山大百科实验室设备工程有限公司一种高精度多功能电子天平的发明专利，该专利所述的电子天平在称量时，被称量物体的重力使电磁力平衡传感器的可动部分发生位移，其位移量由对称的光电元件给出，并在反馈线圈中产生一补偿电流，使电磁力平衡传感器的可动部分恢复平衡位置，补偿电流的大小反映了被测物体产生的重力。

西门子奥钢联冶金技术公司的施琴于2013年设计了一款电磁式重力平衡传感器，该传感器也是通过光电装置判断与杠杆相连的线圈的位移量，通过调节线圈内电流的大小，使杠杆恢复到平衡位置。

重庆大学的王秋晓等人于2016年基于电磁力杠杆机构原理和电磁力平衡原理设计了一款传感器，该传感器在杠杆位置发生改变时，通过调整电磁铁两端电压使其产生电磁力，吸附衔铁，使杠杆恢复到初始平衡位置。

湖南大学的邵万里等人于2012年设计了一款精密电磁力平衡传感器，该传感器采用光电装置判断横梁平衡，通过间接测定稳恒磁场中气隙处的线圈中通过的电流强度大小，获得被称物体的质量。

以上设计是基于重力与电磁力平衡的原理的力或质量测量方法，都采用两只光电器件实现力平衡的调节，因此这两只光电器件的性能一致性决定了所制得的仪器的性能。若用光电装置检测梁的位移量，两只光电器件的性能指标的一致性很难做到，因此这就制约了研制的仪器的性能的进一步提高。此外，上述的电磁平衡式力检测装置体积较大。

发明内容