专利名称：二维小量程力传感器的制作方法
技术领域：
本发明的二维小量程力传感器属力学测试技术，用于仿生粘性材料的力学性能测试，也可用于一般的摩擦测试。
背景技术：
在进行壁虎、蜜蜂脚掌的仿生粘性材料(如聚氨酯等)研究过程中，我们需要对材料进行三种功能的测试单垂直方向的粘着力测试、单水平方向的摩擦力测试和二维运动中的粘着力和摩擦力的测试。这样就需要研制一种能同时测量水平方向和垂直方向力的专用二维力传感器。
目前公知的用于摩擦试验的二维力传感器一种是组合式传感器，如文献“用于摩擦系数测试的二维力传感器”[史炎，内燃机车，2002，336(2)41-43]，这种传感器结构复杂，安装不方便，且只适用于较大量程力的测量。另一种如中国专利公开号200510023641.x的“二维微力测量传感器”，采用弹性体悬臂结构，由相互垂直的立式弯曲梁和卧式弯曲梁组成，两组梁上分别贴有应变片，分别测量垂直和水平方向的力。这种传感器可进行多种接触方式微摩擦测试，并保证测试精度和分辨率，它的缺点在于弹性体整体刚度小，容易变形；固有频率低，不利于动态测试；没有过载保护结构；2004年中科院长春研究所的黎海文等人在“微摩擦测试仪力传感器的研究”[精密工程，2002年8月，第10卷 第四期]中提出了一种新型硅微力传感器，把传感器弹性体设计成带有悬臂梁薄膜和应变片电阻的硅梁，该传感器的灵敏度为65V/N，分辨率为46微牛，总精度为2.3％。这种传感器结构采用微机械工艺，加工较复杂，虽然测试分辨率和精度都较高，但测量范围小。这样上述的传感器在结构、刚度、测力范围等方面都不满足本实验的要求。
发明内容
本发明基于上述技术背景，提出了一种用于仿生粘性材料的小量程二维传感器，能同时测量垂直方向和水平方向的力。
本发明的小量程二维力传感器主要包括弹性体、保护限位装置、夹紧固定装置三个部分。弹性体采用平行梁结构，包括弹性体悬臂，与弹性体悬臂末端相连的弹性体固定端，弹性体悬臂前端开有用于安装上试样的通孔，在弹性体悬臂的应力集中处挖有前、后和上、下两组相互交叉的通孔，在前、后一组通孔的外侧表面分别粘贴一对前、后应变片，在上、下一组通孔的外侧表面分别粘贴一对上、下应变片，两对应变片分别组成两组半桥电路，分别用于侧量垂直和水平两个方向的力，弹性体悬臂穿过装在保护罩前端内的限位环中间通孔并置于保护罩内保护起来，保护罩后端与弹性体固定端相连二保护罩后端的固定端固定于基座内，基座将二维小量程力传感器固定在工作台上。
本发明的二维小量程力传感器结构简单，安装方便，弹性体整体刚度高，有过载保护结构，使用安全性高。传感器法向力量程为0~400g，分辨率为1g；切向力量程为0~500g，分辨率为1g，满足本试验要求。
四
图1是二维小量程力传感器的弹性体结构示意图。
图2是二维小量程力传感器的装配示意图。
图3是基座示意图。
图1的标号名称1.弹性体前端通孔，2.前、后应变片，3.上、下应变片，4.弹性体固定端 5.弹性体悬臂。
图2的标号名称6.限位环，7.保护罩，8.紧钉螺钉，12.上试样。
图3的标号名称9.基座通孔，10.基座，11.垫片。
五具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步描述本发明的二维小量程传感器弹性体采用平行梁结构，利用应力集中原则在梁上挖孔，增加弹性体的整体刚度。如图1、2，弹性体前端通孔1用于和上试样12装夹。在弹性体悬臂5挖孔处的前、后孔外测表面和上、下孔外侧表面分别贴有前、后一对应变片2和上、下一对应变片3的两对应变片，水平力测试用的前、后应变片2和垂直力测试用的上、下应变片3，两对应变片组成两组半桥电路。利用应力集中原则，在弹性体悬臂的应力最大处挖前、后和上、下两组交叉的通孔，并在通孔外侧表面分别粘贴前、后和上、下两对应变片，在保证弹性体刚度的前提下，可获得较大的测试精度和分辨率。弹性体固定端4和保护罩7一端紧密配合，限位环6和保护罩7另一端紧密配合，弹性体悬臂5穿过限位环6中间的方孔。保护罩7的固定一端伸入基座10的矩形孔中，紧定螺钉8通过垫片11将保护罩7挤压固定在基座10上。基座10上钻有五个通孔9，通过螺纹连接将传感器固定在工作台上。
当进行测试实验时，上试样12受垂直力Fn作用后，引起弹性体垂直方向的弯曲变形，上、下应变片3的上应变片受拉应力ε，下应变片受压应力-ε，经半桥电路应变放大为2ε，同时前、后应变片2的两个应变片应变值相同，经半桥电路应变输出为0。即在上试样12受垂直力Fn时，仅有上、下应变片4有应变信号输出。同样的当上试样12受切向力Ft作用时，仅有左右应变片3有应变信号输出。
限位环6中的方孔和弹性体悬臂5的表面留有间隙，间隙的大小为施加满量程载荷时弹性体的最大位移量，当载荷超出量程时，限位环阻止弹性体弯曲变形的继续增大，从而保护了弹性体和应变片。
权利要求
1.一种二维小量程力传感器，包括弹性体、保护限位装置、夹紧固定装置三部分，其特征在于弹性体包括弹性体悬臂(5)，与弹性体悬臂(5)末端相连的弹性体固定端(4)，弹性体悬臂(5)前端开有用于安装上试样(12)的通孔(1)，在弹性体悬臂(5)的应力集中处挖有前、后和上、下两组相交的通孔，前、后一对应变片(2)分别粘贴在前、后一组通孔外侧表面，上、下一对应变片(3)分别粘贴在上、下一组通孔外侧表面，两对应变片分别组成两组惠斯登半桥电路，分别用于测量垂直和水平两个方向力，弹性体悬臂(5)穿过装在保护罩(7)前端内的限位环(6)中间通孔置于保护罩(7)内，保护罩(7)后端与弹性体固定端(4)相连，保护罩(7)后端的固定端固定于基座(10)内，基座(10)将二维小量程力传感器固定在工作台上。
全文摘要
一种二维小量程力传感器属测力技术。弹性体上挖有两组三个连续相交的通孔，左右应变片和上、下应变片分别粘贴在弹性体两组通孔的两外侧表面(应变最大的地方)组成两个惠斯登半桥。保护罩的固定一端和弹性体的固定端紧密配合，保护罩的另一端和限位环紧密配合，弹性体的悬臂穿过限位环中间的方孔，悬臂外表面和方孔间留有间隙。保护罩的固定一端伸入基座的方孔中，通过紧钉螺钉使垫片压紧保护罩在基座方孔内侧壁上。基座上有八个通孔，通过螺纹连接将传感器固定在工作台上。本发明的二维小量程力传感器结构简单，安装方便，刚度厚，安全性和可靠性高，能同时测量垂直方向和水平方向的力，用于仿生粘性材料的小量程二维力的测量。
文档编号G01L9/00GK1760662SQ200510094990
公开日2006年4月19日 申请日期2005年10月25日 优先权日2005年10月25日
发明者于敏, 倪杰, 戴振东, 吉爱红 申请人:南京航空航天大学