三维压力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种三维压力传感器，其包括：壳体，内部设有空腔；平面梁，呈十字形，具有四个分支梁，位于所述空腔中；垂直梁，一端垂直连接于所述平面梁的中心交汇处，另一端延伸至所述壳体外部；弹簧，为四个，每个所述弹簧的一端套设于相应的所述分支梁的端部，另一端嵌入所述空腔的侧壁上；应变片，为多个，粘贴在每一所述分支梁和垂直梁的侧面；电路板，与所述应变片连接。本发明提供的三维压力传感器可以提高测量精度、提高信号的强度，并减弱各轴间的耦合效应。
【专利说明】
三维压力传感器
技术领域
[0001 ]本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种三维压力传感器。【背景技术】
[0002]目前，无论是大型机械设备还是小型旋转机械设备，其单向压力测量、旋转压力测量、双向压力测量、三向压力测量大都是由应变式压力传感器完成的。虽然测量单向和双向压力的传感器种类很多，但是对于测试三维力的传感器很少，机械设备在测量三维力时不仅要准确测量水平方向的力，且要保证轴间作用力的耦合效应小，同时还要保证在测试垂直于水平方向的力时不受水平力的干扰，因而对传感器结构设计具有很高的要求。
[0003]但是，现有三维压力传感器由于没有在结构上考虑解耦，因而采集的信号极为不准确，导致现有三维压力传感器很少在工程上和实验上应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种三维压力传感器，以至少用于减少现有技术存在的轴间耦合效应。
[0005]为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案:
[0006]一种三维压力传感器，其包括:壳体，内部设有空腔；平面梁，呈十字形，具有四个分支梁，位于所述空腔中；垂直梁，一端垂直连接于所述平面梁的中心交汇处，另一端延伸至所述壳体外部;弹簧，为四个，每个所述弹簧的一端套设于相应的所述分支梁的端部，另一端嵌入所述空腔的侧壁上;应变片，为多个，粘贴在每一所述分支梁和垂直梁的侧面；电路板，与所述应变片连接。
[0007]优选地，在上述三维压力传感器中，所述壳体包括上壳体、下壳体，所述上壳体的下表面设有上槽，所述下壳体的上表面设有下槽，所述上壳体的上槽边缘和所述下壳体的下槽边缘连接，使得所述上槽和下槽连通形成所述空腔。
[0008]优选地，在上述三维压力传感器中，所述上壳体的上槽边缘和所述下壳体的下槽边缘均设有对应的浅槽，所述弹簧的另一端设于相互对应的两个所述浅槽中。
[0009]优选地，在上述三维压力传感器中，所述上壳体设有通孔，并且所述通孔与所述上槽贯通，所述垂直梁的另一端通过所述通孔延伸至所述壳体外部。
[0010]优选地，在上述三维压力传感器中，所述分支梁的横截面呈矩形，所述垂直梁的横截面呈圆形，所述分支梁、垂直梁的四个侧面均设有所述应变片。
[0011]优选地，在上述三维压力传感器中，所述应变片设于所述分支梁、垂直梁的中心纵截面上。
[0012]优选地，在上述三维压力传感器中，所述平面梁、垂直梁为一体结构。
[0013]优选地，在上述三维压力传感器中，所述电路板位于所述空腔中，所述电路板通过一个线缆与外界进行电源、信号交互，所述线缆一端与所述电路板连接，另一端穿过所述壳体。
[0014]优选地，在上述三维压力传感器中，还设有显示器，与所述电路板连接，以显示所述应变片的检测数据。
[0015]优选地，在上述三维压力传感器中，所述上壳体的上槽边缘和所述下壳体的下槽边缘通过沉头螺钉连接。
[0016]分析可知，本发明通过利用嵌套在平面梁上的弹簧刚度，可以减小梁变形的耦合效应，同时通过弹簧的变形增大应变片的变形量，提高采集数据的信号强度。在结构上，充分考虑测量多轴间的耦合效应，进而增强了信号的采集强度，提高测量精度高，适合运用于工程和实验中。【附图说明】[0〇17]图1为本发明实施例的外观结构不意图；
[0018]图2为本发明实施例的内部结构示意图(无上壳体)；
[0019]图3为本发明实施例的上壳体的俯视结构示意图；
[0020]图4为本发明实施例的上壳体的仰视结构不意图；[0021 ]图5为本发明实施例的上壳体的立体结构示意图；
[0022]图6为本发明实施例的下壳体的俯视结构示意图；
[0023]图7为本发明实施例的下壳体的立体结构示意图；
[0024]图8为本发明实施例的平面梁、垂直梁的俯视结构示意图；
[0025]图9为本发明实施例的平面梁、垂直梁的立体结构示意图。【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0027]如图1、图2所示，本发明实施例包括壳体，平面梁8、垂直梁6、四个弹簧9、多个(最好为二十个)应变片5、电路板7、线缆3。
[0028]其中，壳体呈块状结构，其内部设有空腔。优选地，该壳体包括上壳体1、下壳体4。 如图3-图5所示，上壳体1呈圆板状结构，其下表面设有上槽10,上槽10为圆形凹槽，向上壳体1内部凹陷得以形成。在上槽10的中心位置设有通孔12,上槽10的内侧边缘设有四个均布的浅槽11，其向上槽10的槽壁内部凹陷得以形成且与上壳体1的下表面贯通。如图6-图7所示，下壳体4也为圆板状结构，其上表面向内凹陷形成圆形的下槽40,下槽40的内侧边缘设有四个均布的浅槽41，其向下槽40的槽壁内部凹陷得以形成且与下壳体4的上表面贯通。四个下壳体4上浅槽41的布置位置和四个上壳体1上浅槽11的布置位置一一对应。上壳体1上环绕上槽10的边缘区域设有多个螺孔14，当上壳体1、下壳体4合在一起时，下壳体4上与螺孔14对应的位置设有螺孔44,再如图1所示，沉头螺钉2拧入螺孔14、螺孔44中，使得上壳体1 和下壳体4的边缘连接，从而使上槽10、下槽40连通、形成上述空腔。同时，在上壳体1、下壳体4连接后，一一对应的浅槽11、浅槽41在上述空腔的侧壁上形成一个圆形的盲孔。
[0029]再如图8、图9所示，平面梁8呈十字形，具有分别向四个方向垂直延伸的四个分支梁81。如图1-图2所示，平面梁8整体位于上述空腔中。优选地，每个分支梁81横截面(图8中横截面的方向为向右或向左)呈矩形(最好为正方形)，如此利于在分支梁81上设置应变片 5,四个侧面分别粘贴有一应变片5,分支梁81的外端部811呈圆柱状，并套设有弹簧9,之后，外端部811及弹簧9嵌入浅槽11、浅槽41中，从而将十字梁8固定在空腔中。相对两个分支梁81上的位置对应的两个应变片5的中心连线与平面梁8形成的十字轴线的水平轴线或竖直轴线重合，如图8中，位于左侧的分支梁81和位于右侧的分支梁81为相对的两个分支梁81，位于左侧的分支梁81的上表面的应变片与位于右侧的分支梁81的上表面的应变片为相对两个分支梁81上位置对应的两个应变片，该两个应变片的中心连线为水平方向，与平面梁形成的十字轴线的水平轴线重合。
[0030]垂直梁6和平面梁8最好为一体结构，其一端垂直连接于平面梁8的中心交汇处，另一端穿过通孔12延伸至上壳体I外部。应当理解的是，垂直梁6和通孔12之间为间隙配合，因为本实施例在竖直方向安装时，当测量竖直面上的力时，平面梁8会变形，则必然导致垂直梁6在通孔12处有稍微的左右移动，因此采用间隙配合，实现测量竖直平面或称(垂直面)上的应变变化。平面梁8上的应变片用于测量X和Y方向的应变大小，垂直梁6上的应变片用于测量Z方向的应变大小，从而利用平面梁8和垂直梁6上应变片实现测试三维方向力的功能。平面梁8和垂直梁6为一体结构，可以方便更精确的测量各方向的应变大小及各向相互作用的关系，可以避免因平面梁8和垂直梁6为分体结构时带来的问题:只能分开测试水平面和垂直面的应变变化，而不能测量水平应变带来的对垂直应变的变化。
[0031]垂直梁6的横截面(图8中横截面的方向为垂直纸面向里或向外)最好为圆形，也即垂直梁6呈圆柱状，如此利于在垂直梁6的末端设置螺纹，以便通过螺纹连接与被测体的表面固定。在垂直梁6上，应变片5也为四个，四个应变片5均匀分布且粘贴在垂直梁6的周向侧面上，且相对两个应变片5的中心连线以及另外相对两个应变片5的中心连线与平面梁8形成的十字轴线重合，粘贴在垂直梁6上下左右四个正对的侧面。安装本实施例时，可以通过垂直梁6进行螺纹连接，或是另作一法兰面用螺栓与被测体固定。此外，本实施例的测量范围可根据实际需要进行设计，只需更换相应的应变片5或者对弹簧及梁的尺寸稍作修改即可。
[0032]不论是在分支梁81上，还是垂直梁6上，应变片5最好设于其中心纵截面上，中心纵截面指的是长度方向上，分支梁81或垂直梁6中心位置处的纵截面，因为这样的应变片5位置布置方式可使应变片在中心截面上的弯矩为零，从而使各轴只受单纯的拉力或单纯的压力作用。不论是在分支梁81上，还是垂直梁6上，每个梁上都贴有4块应变片5，如此可以构成全桥测量电路，从而可以减小各轴间耦合及非线性因素的影响。应变片5通过粘贴设置在每个梁上，可减弱各轴间力的耦合及非线性。4块应变片5均匀分布，且每个应变片5间隔90度进行贴片。电路板7与各应变片5连接，用于接收、处理、发送应变片5检测到的数据，其工作电压可以参考使用3.3V直流电压。优选地，电路板7位于下槽40中，并位于平面梁4下方，其通过一个线缆3与外界进行电源、信号交互，也就是说线缆3是一种集成线缆，其中包括电源线、信号线等。线缆3—端与电路板7连接，另一端穿过壳体延伸至外界。为了顺利引导线缆3，上壳体I的上槽10边缘设有浅槽13，线缆3嵌入其中。电路板7镶嵌在下壳体4内，能够缩短应变片5与电路板7间的连线距离，屏蔽电磁干扰，提高采集信号的精度。
[0033]另外，本实施例还可以设置显示器，将其与电路板7连接，以显示应变片5的检测数据。
[0034]分析本实施例可以发现:
[0035]平面梁端部都采用一定刚性的弹簧作为辅助支撑，确保各分支梁在测量时不受横向拉力，减小各轴间的横向耦合效应。同时，还可以利用弹簧本身的刚度和单向的变形增加应变片的变形量，因为分支梁通过弹簧固定在下壳体内部，而不是按传统方法的将平面梁与下壳体直接固定，因而本实施例可以减弱梁在轴向的刚度，根据胡克定律f = kX Ax可知，弹性系数k减小，则变形量Ax增大，即应变片变形量增大，测量数据的分辨率和精度得以提尚。
[0036]从应变片贴片方式可以得知，贴片都是在梁的中心截面上，如此可使应变片在中心截面上的弯矩为零，各轴只受单纯的拉力或单纯的压力作用。
[0037]各分支梁和垂直梁上都贴有4个应变片，构成全桥测量电路，可以减小各轴间耦合及非线性因素的影响。
[0038]综上，本发明提供的三维压力传感器可以提高测量精度、提高信号的强度，并减弱各轴间的耦合效应。具有结构简单、质量轻、易安装、精度高等优点。
[0039]由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
【主权项】
1.一种三维压力传感器，其特征在于，包括: 壳体，内部设有空腔； 平面梁，呈十字形，具有四个分支梁，位于所述空腔中； 垂直梁，一端垂直连接于所述平面梁的中心交汇处，另一端延伸至所述壳体外部； 弹簧，为四个，每个所述弹簧的一端套设于相应的所述分支梁的端部，另一端嵌入所述空腔的侧壁上； 应变片，为多个，粘贴在每一所述分支梁和垂直梁的侧面； 电路板，与所述应变片连接。2.根据权利要求1所述的三维压力传感器，其特征在于，所述壳体包括上壳体、下壳体，所述上壳体的下表面设有上槽，所述下壳体的上表面设有下槽，所述上壳体的上槽边缘和所述下壳体的下槽边缘连接，使得所述上槽和下槽连通形成所述空腔。3.根据权利要求2所述的三维压力传感器，其特征在于，所述上壳体的上槽边缘和所述下壳体的下槽边缘均设有对应的浅槽，所述弹簧的另一端设于相互对应的两个所述浅槽中。4.根据权利要求2所述的三维压力传感器，其特征在于，所述上壳体设有通孔，并且所述通孔与所述上槽贯通，所述垂直梁的另一端通过所述通孔延伸至所述壳体外部。5.根据权利要求1所述的三维压力传感器，其特征在于，所述分支梁的横截面呈矩形，所述垂直梁的横截面呈圆形，所述分支梁、垂直梁的四个侧面均设有所述应变片。6.根据权利要求5所述的三维压力传感器，其特征在于，所述应变片设于所述分支梁、垂直梁的中心纵截面上。7.根据权利要求1所述的三维压力传感器，其特征在于，所述平面梁、垂直梁为一体结构。8.根据权利要求1所述的三维压力传感器，其特征在于，所述电路板位于所述空腔中，所述电路板通过一个线缆与外界进行电源、信号交互，所述线缆一端与所述电路板连接，另一端穿过所述壳体。9.根据权利要求1所述的三维压力传感器，其特征在于，还设有显示器，与所述电路板连接，以显示所述应变片的检测数据。10.根据权利要求2所述的三维压力传感器，其特征在于，所述上壳体的上槽边缘和所述下壳体的下槽边缘通过沉头螺钉连接。
【文档编号】G01L5/00GK105973521SQ201610537752
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】何洪军, 刘福强, 张东宁, 袁德宇
【申请人】中国电子科技集团公司第二十研究所, 中国电子科技集团公司第二十一研究所