专利名称：柱式称重传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及称重传感器技术领域，尤其是涉及柱式称重传感器。
背景技术：
柱式称重传感器是一种利用金属弹性体作为力转换为应变的功能元件。它通过粘贴在弹性敏感表面的电阻应变仪及其一定方式组成的惠汀斯电桥网络，在外加电源激励下，实现力、应变、电阻变化、电信号变化四个转换环节的一种力敏传感器，是一种机电一体化器件，主要用于电子汽车衡、轨道衡、大型料位监控。柱式传感器具有结构简单、加工方便、体积小、刚性好、固支干扰因素少等优点，但是传统的看法一直认为柱式传感器不可能得到高精度，原因之一，是当负荷逐级增加时，应变载面会因为压缩变形逐渐增加，拉伸时则载面会逐渐缩小，所以压式柱式的输出曲线必然呈现下弯趋势，拉式柱式的输出曲线必然是呈现上翘趋势；其二，认为柱式传感器的测量桥路是非差动电桥；另外，传统的柱式称重传感器一般是采用两面贴片和在应变柱上加工剪切盲孔办法固定上电阻应变仪，也存在不少的问题，如只能采集两个相对应变面的应力信息，不能全面地采集应变柱的应力信息，由于存在盲孔，使电阻应变仪测量到的应变容易混杂上非正剪切应力，所以特别是存在扭力、侧力、方位误差等因素下，会造成传感器比较大的测量误差；最后，保护弹性体的封套与膜片结构设计不合理，造成膜片吸收的分流力值与其位移不呈线性，也将影响传感器的测量精度，凡是种种造成柱式传感器具有先天性低精度的线性缺点，需要我们做出新的进一步的改进。
中国专利对称重传感器也有所报道，如专利号为94239412.7的中国专利“插入式称重料位传感器”，其包括壳体、腹板和四片应变电阻片，所述腹板固定在所述壳体上，四片应变电阻片以平面直角坐标对称分布于腹板上，并且四片应变片电连接成全电桥形式，通过输出线输出信号，该实用新型的传感器采用称重的方法来推算物料的多少，因此运用面更广，且安装方便等优点，但是这种称重传感器由于其弹性体结构设计不合理，所以造成其电阻应变仪测量到的应力信号，很多地混杂上非正剪切应力信号，所以这种传感器的测量精度不高。

发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种柱式称重传感器，它保持了传统的柱式传感器结构简单、容易制造制造优点，同时能克服柱式传感器先天性的测量精度不高的缺陷，在线性、抗侧、抗扭、方位误差等方面达到比较高的精度。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为一种柱式称重传感器，其包括有柱式弹性体，在柱式弹性体的表面固定有电阻应变仪，将电阻应变仪组成一定的惠汀斯电桥，来输出随重量进行变化的电压信号，柱式弹性体外面固定有保护电阻应变仪的封套，其特征在于柱式弹性体高径比为2.5～4，电阻应变仪有四个，它们均匀地粘贴在柱式弹性体中间部位表面。
有益的改进是，上述的柱式弹性体其上、下柱端采用球面结构，支承端可以设置有防转槽，它能自动对中定位，且应力传递状况对称合理，承载端无摩擦力，其它边界力学干扰最少，采用了支承端设置防转槽，能防止其意外的不必要转动。
有益的是，上述的柱式弹性体在靠近上、下柱头部位成型有外凸的上凸环和下凸环，使其容易与膜片的套口进行配合，上凸环与下凸环之间直径稍微缩小，并在该部位的表面开有四个对称分布的应变表面，可以方便地粘贴固定上电阻应变仪。
非常有益的是，上述的柱式弹性体通过焊接或紧配合连接有上、下膜片，上、下膜片再与封套的上下端焊接在一起，并且上、下膜片采用正弦波纹单层膜片，既能降低膜片的厚度和增加其外径，同时能使保证膜片具有一定的刚性和弹性。
有益的改进是，上述的上、下膜片与封套的焊接采用激光焊接，在膜片上套口处加工成30-40°锥形，既方便膜片与封套之间的焊接，同时能使膜片有适当中间凸起量，保持很好的弹性回复，从而使膜片对传感器的线性修正起到很大作用。
最后，上述的应变表面在相邻的两个面处粘贴上半导体应变计，同时该两个半导体应变计还对称地串联在输入桥路中，它利用半导体应变计受应力变化而变化的特性，有效地补偿了柱式传感器上的电阻应变仪非线性变化，使传感器保持良好的线性测量精度。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于该柱式称重传感器保持了传统的柱式传感器结构简单、容易制造制造优点，同时能克服柱式传感器先天性的测量精度不高的缺陷，在线性、抗侧、抗扭、方位误差等方面达到比较高的精度，适合在电子汽车衡、轨道衡、大型料位监控等各种称重工具上推广使用。


图1本实用新型的传感器的整体结构示意图；图2本实用新型的传感器的结构剖视图；图3本实用新型的弹性体主视图；图4本实用新型的弹性体俯视图；
图5本实用新型的弹性体的截面图；图6本实用新型的膜片剖视图；图7为图2的I处放大图；图8为图2的II处放大图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图所示意，一种柱式称重传感器，其包括有柱式弹性体1，柱式弹性体1采用特殊的金属材料做成，上、下端部分别为柱头16、17，见图3，中间部位为柱体21，根据材料力学的圣南文原则，当力以集中的方式施加于杆端时，杆端的附近应力分布是不均匀的，其受影响的长度不超出杆的横向尺寸，根据此原则可以推知，采用柱式弹性体做传感器时，在上、下柱头16、17的承载点会产生接触应力，或承力平面上产生畸形的接触应力，不可能立刻在其应变柱截面上形成稳定的、均衡的应力区，只有通过相当一段长度的传递，应力曲线才会逐渐趋向均匀，根据圣南文原则，传递长度是应变柱直径的1倍后，才会获得理想的均匀应力，所以，柱式弹性体的高径比采用2.5～4时，中间区段才能存在理想的均匀应力，比较理想的设计是高径比采用3～4时，最佳为3.3。同时，柱式弹性体的上、下柱头16、17的端面采用球面结构，支承端可以设置有防转槽15，它能自动对中定位，且应力传递状况对称合理，承载端无摩擦力，其它边界力学干扰最少，采用了支承端设置防转槽15，能防止其意外的不必要转动。为了便于柱式弹性体与膜片的连接固定，柱式弹性体1在靠近上柱头16成型有外凸的上凸环18，对应地，柱式弹性体1在靠近下柱头17成型有外凸的下凸环19，上凸环与下凸环之间的弹性体柱体21直径稍微缩小，并在该部位的表面开有四个应变表面20，这四个应变表面20呈前、后、左、右对称分布，尽量一致，在各个应变表面粘贴固定上各自的电阻应变仪13，见图2，注意粘贴时，也尽量使电阻应变仪处于对称相同的位置，以减少系统测量误差。四个电阻应变仪13组成一定的惠汀斯电桥，这种电桥的连接按照该技术领域的要求进行连接，从而在外加电源激励下，传感器实现力、应变、电阻变化、电信号变化，使电桥输出随重量进行变化的电压信号。因为传感器采用结构简单的柱式弹性体，所以当其受到重力压载情况下，其截面会一定的变形、变粗，从而容易造成其非线性变化，使其测量精度下降，所以非常有必要进行线性修正，这里我们采用一种容易实施的、成本低廉的修正办法，在相邻的柱式弹性体应变表面处分别粘贴上半导体应变计14，并使该两个半导体应变计14还对称地串联在输入桥路中，当柱式弹性体受到重力变形时，串联在传感器测量电路的输入回路中的半导体应变计电阻也感受到应力，作用力增大，半导体应变计电阻压缩，阻值变小，两端压降减小，使传感器测量电路的供桥电压增大，其电压输出也增大，从而补偿了柱式传感器的非线性，线性补偿后的可达精度为C3级。在柱式传感器的四个对称应变表面粘贴电阻应变计方法，使传感器能全面地采集弹性体的应力，同时尽量采集弹性体的正剪切应力，避免了传统方法中两面贴片和在弹性体上加工剪切盲孔方法的不合理性，如采集应力不全面，容易混杂上非正剪切应力，抗扭力、抗侧力性能差，容易导致方位误差等等，使本实用新型的传感器可以获得C3级的抗侧、抗扭能力和极小的方位误差。
为了保护柱式弹性体上的各个电阻应变仪和半导体应变仪，柱式弹性体外面固定有保护电阻应变仪的封套3。一般结构是柱式弹性体通过焊接或紧配合连接有上、下膜片2、22，上、下膜片2、22再与封套3的上下端焊接在一起，连接各个电阻应变仪的导线通过封套上开孔和接头8通过连接线12输出到传感器的外面，见图1、2。因在柱式弹性体受力变形时，与此焊接成一体或紧配合一体的膜片，必然要吸收一小部分力值，若分流力值与其位移不呈线性，则也会影响到传感器的精度，所以要使膜片的分流力值与其位移呈良好的线性关系，必须要合理选择膜片和跨度，但是同时要保准膜片的刚度和弹性。按照设计公式Pmax＝WmaxEh3/K1a2其中Pmax为额定量程的2-5％，弹性体的变形量Wmax膜片的内半径在弹性体的设计已经确定，由以上的公式可以知道分流力值与膜片厚度3次方成正比，而随膜片的跨度增加而减小，则只要选用合理的外半径，就可以获得膜片的设计厚度，计算表明，膜片的厚度可以选用0.7-0.9毫米，外半径选40-50毫米。膜片在焊接时，若操作不妥或膜片刚度不足时会使膜片中间局部凸起或局部下馅，从而使传感器特性曲线产生异常，同时焊接完成要保证膜片有良好的回复弹性，鉴于此原理，上、下膜片2、22采用正弦波纹单层膜片，见图6，正弦波纹其波长选5-6毫米，波峰高度0.5-0.7毫米，使膜片达到预先设计性能要求。经过研究发现，在膜片焊接前控制一个适度的中间凸起量，可以把传感器的线性精度由0.1％-0.2％自行补偿到0.02％-0.05％，为此我们将膜片与封套的焊接采用激光焊接，见图2和7、8，并由专门的焊接夹具来控制这一凸起量，即焊接时先完成下膜片22和封套3的焊接，然后焊接上膜片2与弹性体，此时把上膜片2和封套3留有约0.05毫米的间隙，用专门夹具把此间隙消除再焊接，使膜片焊接后有一中间凸起量。同时为了保证激光焊接简易性，在膜片上套口处加工成30-40°的锥形，使激光焊接时增加了有效强度和防水性能。
该称重传感器的使用是这样的，见图1，称重传感器的柱式弹性体1是支撑在上下压头5、4之间，柱式弹性体的下柱头17两侧开有销槽，使其能通过轴销11定位在下压头4上，封套3与下压头4之间套接有防护套10，从而起到进一步的固定作用。下压头4压在下连接板6的定位孔里，而上压头5通过螺栓9连接着上连接板7。上下连接板7、6支撑在称盘与基座之间。
权利要求1.一种柱式称重传感器，其包括有柱式弹性体，在柱式弹性体的表面固定有电阻应变仪，将电阻应变仪组成一定的惠汀斯电桥，来输出随重量进行变化的电压信号，柱式弹性体外面固定有保护电阻应变仪的封套，其特征在于柱式弹性体高径比为2.5～4，电阻应变仪有四个，它们均匀地粘贴在柱式弹性体中间部位表面。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于所述的柱式弹性体其上、下柱端采用球面结构，支承端可以设置有防转槽。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于所述的柱式弹性体在靠近上、下柱头部位成型有外凸的上凸环和下凸环，上凸环与下凸环之间直径稍微缩小，并在该部位的表面开有四个对称分布的应变表面，来粘贴固定电阻应变仪。
4.根据权利要求1或2或3所述的传感器，其特征在于所述的柱式弹性体通过焊接或紧配合连接有上、下膜片，上、下膜片再与封套的上下端焊接在一起。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于所述的上、下膜片采用正弦波纹单层膜片。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于所述的膜片厚度选0.7-0.9毫米，外半径选40-50毫米。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于所述的正弦波纹其波长选5-6毫米，波峰高度0.5-0.7毫米。
8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于所述的上、下膜片与封套的焊接采用激光焊接，在膜片上套口处加工成30-40°锥形。
9.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于所述的应变表面在相邻的两个面处粘贴上半导体应变计，同时该两个半导体应变计还对称地串联在输入桥路中。
10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于所述的柱式弹性体是支撑在上下压头之间，柱式弹性体的下柱头两侧开有销槽，使其能通过轴销定位在下压头上，封套与下压头之间套接有防护套，从而起到进一步的固定作用，下压头压在下连接板的定位孔里，而上压头通过螺栓连接着上连接板，上、下连接板支撑在称盘与基座之间。
专利摘要一种柱式称重传感器，其包括有柱式弹性体，在柱式弹性体的表面固定有电阻应变仪，将电阻应变仪组成一定的惠汀斯电桥，来输出随重量进行变化的电压信号，柱式弹性体外面固定有保护电阻应变仪的封套，其特征在于柱式弹性体高径比为2.5～4，电阻应变仪有四个，它们均匀地粘贴在柱式弹性体中间部位表面，它保持了传统的柱式传感器结构简单、容易制造制造优点，同时能克服柱式传感器先天性的测量精度不高的缺陷，在线性、抗侧、抗扭、方位误差等方面达到比较高的精度，适合在称重传感器上推广使用。
文档编号G01G3/00GK2685849SQ20042002048
公开日2005年3月16日 申请日期2004年2月27日 优先权日2004年2月27日
发明者葛府治, 刘金勇 申请人:刘巍