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一种高灵敏度小型光电式力传感器的研制的制作方法
【专利摘要】传统的应变式力传感器一般存在着灵敏度较低，加工、装配要求较高，应变片过载易发生永久变形等缺陷；传统应变式力传感器的使用受到其使用场合的限制。本发明涉及一种小型光电式力传感器。更具体地，本发明涉及一种以扑翼飞行机器人飞行动力性能测试和冲板流量计应用为目标的高灵敏度小型（满量程50N)力传感器。本发明采用光电测量原理，利用其测量灵敏度高、反应快的优点以适用于一些工作频率较高、实时性测量要求较高的场合。如图所示为本发明小型光电式力传感器样机，本发明具有制造成本低，装配、使用简单，灵敏度高，迟滞小优点。
【专利说明】一种高灵敏度小型光电式力传感器的研制
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种小型光电式力传感器。更具体地，本发明涉及一种以扑翼飞行机器人飞行动力性能测试和冲板流量计应用为目标的高灵敏度小型(满量程50N)力传感器。
【背景技术】
[0002]传统的力传感器通常采用应变片作为敏感元件，在仔细设计弹性体结构的基础上将应变片紧密粘接在弹性体的最大应变位置，通过设计桥电路来实现力信号的提取。基于应变桥的力传感器的主要局限性包括:(I)为了保证力传感器的安全过载能力和疲劳寿命，弹性体的满载应变量一般很小，通常只有几个微米，使得力传感器的灵敏度较低，通常只有2-5mV/V左右。为了将敏感信号放大到工业标准信号范围(例如0/1-5V ；0/l-10V ；0-20mA ;4-20mA等)通常需要放大1000倍左右，对信号调理电路的稳定性提出较高要求；
[2]为保证应变桥电路的零点输出达到一定精度要求，粘贴应变片具有相当的技术难度，通常需要具有较高技术水平的专业技术人员来完成；(3)应变片为精密元件，对焊接技术要求较高；(4)应变片通常表现出一定的蠕变特征，给高精度力传感器的研制带来一定困难；(5)应变片及其安装基础通常均为金属材料，有明显的温度漂移特征。基于应变桥电路的力传感器通常需要设计专门的温度补偿电路；(6)应变式力传感器一般在过载后会发生永久变形，传感器无法修复。克服或尽量避免上述缺陷，主要有以下两种解决途径:(I)提高传感器的精工精度和技术要求；(2)改变测量原理。
[0003]当今社会光电式敏感元件以其多方面的优点在传感器设计中得到广泛应用。例如光栅尺、光电编码器、光电耦合器等。光电敏感元件的主要优点包括:(I)灵敏度高，响应速度快；(2)输入输出电信号隔离；(3)抵抗冲击振动能力强；(4)易于实现绝热处理，可获得很小的温度漂移效果；(5)信号调理电路设计简单，易于使用。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是基于光电敏感元件的上述优点，通过改变传统的力传感器的测量原理，研究和设计出一种基于发光/光电二极管的小型力传感器。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供了该光电式小型力传感器的整体结构设计和专用放大电路设计。在设计过程中，本发明还应用ABAQUS有限元分析软件对传感器的弹性体进行了仿真，仿真结果表明，该弹性体受力后，力-位移特性线性度好；并且由于弹性体的独特结构设计，其温度漂移极小。
[0006]本发明具体
【发明内容】
如下所述。
[0007]传感器的总体结构除了使传感器具有足够的机械强度和实现测力的要求外，还必须满足传感器整体易于装配，并充分考虑传感器的使用和抗干扰能力。为了实现上述要求，本发明在仔细设计传感器弹性体的基础上，对弹性体进行有限元仿真，并充分考虑本发明的封装设计；同时为满足上述要求，本发明设计了专用的放大电路。
[0008]基于上述要求，本发明所设计的小型光电式力传感器机械部分包括弹性体2 (I个),招合金制作成的壳体I (I个)，夹布胶木制作成的上下胶木座4、5 (各I个),45钢制作成的底座6,包括由一个发光二极管和光电二极管组成的发光/光电二极管对11、12 (2对)，垫圈(3个)，十字槽沉头螺钉M2.5X5 (4个)和内六角圆柱头螺钉M4 X 10 (I个)。
[0009]所述弹性体I由65Mn弹簧钢制造，弹性体经热处理后屈服强度高于700Mpa，具备上述要求的机械强度，同时弹性体具备了一定的抗弹减性能，疲劳性能以及物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)，从而保证所述发明传感器的精度受各种力测量环境的影响尽可能小。具体结构如图1所示弹性体2。
[0010]所述弹性体结构采用柔性杠杆放大机构，可以将弹性体外围框架的受力形变位移在挡光板末端处放大。由于传感器测量的电信号为两对发光/光电二极管对的差分信号，所以弹性体放大后的有效位移为挡光板末端A、B结点位移输出之差。为方便对该弹性体结构进行应变和热应变分析，本发明采用ABAQUS软件对弹性体结构进行有限元仿真；ABAQUS软件中定义材料属性:材料定义为6 5Mn，其密度
P = TMBS %/層气弹性模量2E11 Pa，泊松比0.3，热传导系数为25.96，比热为451热膨胀系数为11E-6 /°C。如图5所示，给出了弹性体受50N力时的应力-应
变云图；如图6所示，给出了弹性体挡光板末端A、B结点处的力-位移特性曲线图；如图7所示，给出了弹性体在70°C下的热应变分析云图；图8所示，给出了弹性体挡光板末端A、B结点处温度-位移特性曲线图。通过有限元分析，弹性体放大机构A、B结点满量程输出位移为32.769 _,放大倍数为7.567倍；弹性体力-位移特性曲线非线性度小于万分之一；弹性体最大应力值为I_106XIO8Pa，远小于65Mn材料的许用应力值;70°C环境下弹性体受热应变影响，A、B结点输出位移之差||公= (1110?!?,该值相较于弹性体满量程输出位移32.769 I*足够小，这样 有效减少了本发明因弹性体热变形而造成传感器精度下降的影响。
[0011]所述壳体I根据GB/T 11379对其电镀铬层。底座6根据GB/T 9799对其电镀锌层。这样有效防止壳体和底座由于长期暴露在外而造成的锈蚀，同时提高了本发明传感器的耐磨性、抗腐蚀性以及增进美观。
[0012]所述上、下胶木座4、5由夹布胶木制作而成，由于夹布胶木具有良好的电绝缘性和热绝缘性，这样防止了传感器内部走线漏电的情况，同时为传感器提供了良好的热绝缘层，减小了传感器因温度漂移对精度的影响。上、下胶木座设计紧凑，并设计有光电二极管的安装孔和内部走线槽。
[0013]所述发光/光电二极管选用型号为EL-1KL3红外光电发射管和ST-1KLA红外光电接收管，其管径为4.6mm，在设计本发明前，首先对该发光、光电二极管进行了光电一位移特性测试实验，通过实验测得光电二极管的近似线性区，并以此为挡光板初始挡光位置选取的依据。
[0014]基于上述要求，本发明设计了该传感器的专用放大电路如图10所示。
[0015]所述放大电路分为两个模块；第一个为电源模块，电源模块分为12V和5V电，12V电用于对AD620芯片供电，5V电是由12V电通过LM7805CT稳压芯片转换而成，用于对发光/光电二极管供电，同时该模块对12V和5V电进行了滤波处理，以减少外部噪声信号对该放大电路的干扰。第二个为放大模块，放大模块包括输入信号、输出信号和将信号放大的集成运放AD620芯片，输入信号采用差分输入到第一级AD620芯片，并且在输入之前接RC滤波电路，采用这样的处理方式将大大减少信号中的高频毛刺噪声和外部环境的干扰，信号经第一级AD620芯片后再经低频RC电路，输入到第二级AD620芯片放大，这样经过两级放大后，最终将信号经输出端子接入电压测量设备，用于信号测试。同时，本发明所选用的AD620芯片支持放大倍数的调节，在该电路中可通过R4可调电位器对放大倍数进行调整。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1为本发明小型光电式力传感器的俯视图。
[0017]所述图1中的标号说明:1外壳，2弹性体，3垫圈。
[0018]图2为本发明小型光电式力传感器的主视图。
[0019]所述图2中的标号说明:4下胶木座，5上胶木座，6底座，7十字槽沉头螺钉 M2.5X5 (GB/T819.2-1997)，8 小垫圈-A 级(GB/T848-2002)，9 内六角圆柱头螺钉M4X10 (GB/T70.1-2000)，10 轻型弹簧垫圈(GB859-1987)。
[0020]图3为本发明小型光电式力传感器的左视图。
[0021]所述图3中的标号说明:11发光二极管，12光电二极管(接收二极管)。
[0022]图4为本发明小型光电式力传感器的三维爆炸视图。
[0023]图5为本发明小型光电式力传感器的弹性体应力-应变云图。
[0024]图6为弹性体A、B结点处力-位移特性曲线图。
[0025]图7为本发明小型光电式力传感器的弹性体热应变分析云图。
[0026]图8为弹性体A、B结点处温度-位移特性曲线图。
[0027]图9为本发明小型光电式力传感器的样机。
[0028]图10为本发明小型光电式力传感器信号放大电路原理图。
[0029]图11为本发明小型光电式力传感器的信号放大器。
【具体实施方式】
[0030]为更清楚的理解本发明，现结合附图对本发明的关键装配要求和使用作进一步说明。应当指出本发明附图为量程50N的小型光电式力传感器，仅为说明本发明用，并不构成对本发明的限制，本发明的保护范围由所附的权力要求书进行限定。
[0031 ] 如图2、3所示，装配时首先将两对发光/光电二极管11、12顺序装入上、下胶木座
4、5的安装孔内，同时必须保证同一对光电二极管对相对安装并完全同心，安装完成后用704硅橡胶固定。
[0032]如图1、2所示，将弹性体2、底座6和上下胶木座4、5通过内六角圆柱头螺钉9固定安装，螺钉与底座之间装有轻型弹簧垫圈10和小垫圈8 ;同时在安装前保证垫片3已夹在胶木座4、5与弹性体2之间，上、下胶木座的发光/光电二极管安装孔严格同心，并保证弹性体除头部部分的其余部分不与上、下胶木座有任何接触。
[0033]上述安装步骤完成后将细导线与发光/光电二极管的管脚焊接，并将导线沿着上、下胶木座的走线槽布线。
[0034]上述安装步骤完成后，将已固定在一起的弹性体2、底座6和上下胶木座4、5装入外壳I，并用四个十字槽沉头螺钉紧定安装。上述安装前要保证导线已通过外壳I上的通孔引到传感器外部。上述步骤完成后，传感器的机械部分装配完成，如图9所示传感器样机。[0035]传感器使用时先将传感器通过底座上的四个安装螺纹孔固定安装在固定面上，然后通过弹性体头部的安装螺纹与施力物体相安装。传感器引出的导线按顺序分别接入放大电路(如图11)的输入端子，输出端子引出的导线与电压测量设备相连，然后将放大电路与+12V电源相连。通过以上步骤后，打开电源开关，对传感器施力就可以实现对力信号的读取和测量。
[0036]本发明对该传感器进行了标定实验，测得传感器指标如下:线性度
【权利要求】
1.一种小型光电式力传感器,主要包括:弹性体，壳体，胶木座，底座，发光二极管和光电二极管组成的发光/光电二极管对，垫圈，M2.5十字槽沉头螺钉和M4内六角圆柱头螺钉以及本发明传感器专用放大电路；其特征是: 所述弹性体2采用柔性杠杆放大机构，弹性体结构保证了温度一位移特性极小；弹性体2除头部部分其其余部分不与胶木座4、5有任何接触，保证了发光/光电二极管的非接触测量；胶木座4、5与壳体I和底座6之间结合紧凑，保证传感器在受外力时的测量精度；壳体I根据GB/T 11379对其电镀铬层，底座6根据GB/T 9799对其电镀锌层，有效防止壳体和底座由于长期暴露在外而造成的锈蚀，同时提高了本发明传感器的耐磨性、抗腐蚀性以及增进美观；胶木座4、5上制造有传感器内部导线的走线槽，方便走线。
2.根据权利要求1所述的小型光电式力传感器，其特征在于:测量力加载于传感器上，弹性体受力变形，同时弹性体通过微位移放大机构将微小形变放大，其位移大小与光电二极管产生的电信号呈近似线性关系，通过光电二极管对该位移量进行测量，电信号经过放大电路，连接电压测量设备，读取电压值，从而实现对力的测量。
3.根据权利要求1所述的小型光电式力传感器，其特征在于:发光/光电二极管对的电信号采用差分连接的方式接入放大电路，有效减少外部环境对传感器精度的干扰。
【文档编号】G01L5/00GK103994849SQ201410218478
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】何广平, 李中一, 马强, 狄杰建, 袁俊杰 申请人:北方工业大学, 何广平