一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器的制作方法

本发明涉及一种力传感器，具体涉及一种安装于数控压力机内部可以实现直接测量力的内藏式力传感器。

背景技术：

力传感器是用于将力的量值转换为相对应电信号的器件，主要由三个部分组成：1.弹性体(常见的材料有铝合金，合金钢和不锈钢)；2.转换元件(最为常见的是电阻应变片)；3.电路部分(一般有漆包线，将应变片连接组成电桥，用于测量电阻值变化)。根据功能与原理的不同，力传感器主要5种形式：(1)被测力使弹性体(如弹簧、梁、波纹管、膜片等) 产生相应的位移，通过位移的测量获得力的信号；(2)弹性构件和应变片共同构成传感器，应变片牢固粘贴在构件表面上，弹性构件受力时产生线性形变，使应变片电阻值变化(发生应变时，应变片几何形状和电阻率发生改变，导致电阻值变化)，通过电阻测量获得力的信号。应变片可由金属箔制成，也可由半导体材料制成；(3)利用压电效应测力，通过压电晶体把力直接转换为置于晶体两面电极上的电位差；(4)力引起机械谐振系统固有频率变化，通过频率测量获取力的相关信息；(5)通过电磁力与待测力的平衡，由平衡时相关电磁参数获得力的信息。

申请号为201010129745.X公开了一种齐平封装的高温高频响压力传感器，包括压力芯片，压力芯片与玻璃杯结合，玻璃杯与金属基座粘结，高温转接板与高温转接电路补偿板分别固定在金属基座内，压力芯片与高温转接电路板通过金丝引线连接，高温转接板与高温转接电路补偿板通过高温导线连接，四芯高温导线与高温转接电路补偿板上连接，金属基座与金属外壳连接，金属外壳与固线帽连接，四芯高温导线从金属外壳及固线帽的孔穿出，压力芯片感受外界接自己的压力，把压力信号转变为电压信号，电压信号依次通过金丝引线、高温转接板和高温导线传递到高温转接电路补偿板，经过补偿后通过四芯高温导线把电压信号输出。具有耐高温、高频响的优点。

申请号为201210501256.1公开了一种压力传感器组件，包括第一部件；第二部件，其包括联接到第一部件的第一端和联接到流体的源的第二端；基底，其位于在第一部件与第二部件之间形成的第一空腔中，其中，基底的第一侧面向第一部件的第二侧且基底的第二侧面向第二部件的第一侧；压力感测芯片，其安装至基底，以及第一能量吸收部件，其在基底的第一侧与第一部件的第二侧之间，其中第一能量吸收部件将基底与第一部件分开。

上述力传感器均用于液压压力，即压强的测量，且为外置设计，属于非直接测量，而数控压力机是一种精密智能压装设备，其中力传感器是其关键部件，力传感器的结构形式和安装形式直接影响到数控压力机的测力精度、质量可靠性、和使用方便性，现有结构的力传感器使用过程中由于外置安装、非直接测量力，易收外界环境的影响而产生精度不高的问题。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术中数控压力机使用的力传感器由于易受外界环境影响产生精度不高的问题，提供一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，能够将传感器的核心部分内置于数控压力机内部，且直接测量负载力，减少中间环节和外界环境的影响，实现内藏安装、直接测力、精度高、方便安装、易拆卸的功能。

本发明提供一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，包括第一压套、压力传感器组件、第二压套、压头和固定装置，第一压套安装在数控压力机上，在第一压套的自由端设有第一圆柱形内孔，压力传感器组件安装在第一圆柱形内孔内部；压力传感器组件包括受力端、一端与受力端固定连接的传力杆和与传力杆另一端固定连接的测力端，测力端的自由端面与第一圆柱形内孔内侧底面紧密接触，在测力端的自由端设有第二圆柱形内孔，在第二圆柱形内孔内侧底面上设有应变片，受力端的自由端设有第三圆柱形内孔，测力端的外径大于传力杆的外径和受力端的外径，压力传感器组件在外部压力的作用下产生变形，应变片的电阻值发生相应变化，通过导线连接应变片组成的电桥将电阻值的变化通过外部信号放大转变为电压信号，从而实现力的测量；第二压套一端与测力端和传力杆固定连接的端面紧密接触，将压力传感器组件固定在第一压套内部，使其在径向和轴向无间隙，不产生间隙位移，此时第二压套的压紧力仅作用在测力端的体壁上，对应变片不产生力的作用，不会因安装导致产生附加的力，第二压套的另一端外侧设有肩部，在肩部上设有螺孔，螺钉穿过螺孔将第二压套与第一压套固定连接；压头包括固定连接的第一端和第二端，第一端安装在第三圆柱形内孔内部，第一端的长度与第三圆柱形内孔的深度相同；固定装置用于将压头固定在第三圆柱形内孔的内部。

本发明所述的一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，作为优选方式，固定装置包括通过螺钉与受力端连接的法兰盘；压头的第二端穿过法兰盘中部的通孔。通过法兰盘能够将压头的第二端固定在受力端的第三圆柱形内孔内，使压头和传感器直接接触，直接测量负载力。

本发明所述的一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，作为优选方式，固定装置包括顶丝，在第一压套的侧壁上设有第一通孔，在第二压套的侧壁上设有第二通孔，在受力端的侧壁上设有第三通孔，顶丝依次穿过第一通孔、第二通孔和第三通孔与压头固定连接。通过顶丝能够将压头的第二端固定在受力端的第三圆柱形内孔内，使压头和传感器直接接触，直接测量负载力。

本发明所述的一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，作为优选方式，传力杆为实心圆柱体，受力端和测力端均为空心圆柱体，受力端、传力杆和测力端具有相同的轴心。圆形同心设计能够保证压力传送的均匀性，提高力传感器的测量精度。

本发明所述的一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，作为优选方式，受力端、传力杆和测力端的直径关系为测力端外径＞受力端外径＞传力杆外径。

本发明所述的一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，作为优选方式，测力端的外径与第一圆柱形内孔的内径为间隙配合；第二压套的外径与第一圆柱形内孔的内径为间隙配合；第二压套的内径与受力端的外径为间隙配合，从而防止压力传感器组件的径向运动。

本发明所述的一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，作为优选方式，在测力端的自由端面上设有一端盖，用于对第二圆柱形内孔进行密封。端盖能够实现第二圆柱形内孔的密封，预防灰尘等污染物进入测力区，能够有效的保护位于其中的应变片以及相应的电子线路免受污染，保证压力传感器组件的测试精度，提高内藏式力传感器的使用寿命。

本发明所述的一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，作为优选方式，在第二圆柱形内孔底面上，传力杆外径与第二圆柱形内孔内径之间的圆环面上设有多个均匀分布的第四通孔，应变片设置在第四通孔之间。孔的设计能够增加压力传感器组件在压力的作用下的变形量，进而提高压力传感器组件对压力的灵敏度。

本发明在使用过程中，压力作用于压头的第二端并同过压头的第一端传递至传力杆，再通过传力杆传递到测力端，在压力的作用下测力端产生形变，引起应变片的电阻值产生变化，通过导线连接应变片组成的电桥，将电阻值变化值传送至信号放大器，将力值转化为电压信号实现力的测量。当压头需要更换时，取出顶丝或松开法兰盘上的螺钉取下法兰盘，即可方便的进行更换；当需要更换压力传感器组件时，只需拧开第二压套上的螺钉，即可取出压力传感器组件进行更换。

本发明由于将用于测量压力的压力传感器组件内置于第一压套内部，再通过第二压套对压力传感器组件进行固定，能够有效的防止压力传感器组件受到外界环境的影响，并在测量过程中保持压力传感器组件的稳定，避免产生结构失稳现象，压头通过顶丝或法兰盘和螺丝直接固定连接于内藏式力传感器第三圆柱形内孔中，实现直接测力，有效的提高了内藏式力传感器的精度，同时第一压套外壁对压力传感器组件整体起保护作用，且更换方便。

附图说明

图1为实施例1中一种内藏式力传感器的剖视图；

图2为实施例1中第一压套的剖视图；

图3为实施例1中压力传感器组件的立体图；

图4为实施例1中压力传感器组件的剖视图；

图5为实施例1中压力传感器组件的俯视图；

图6为实施例1中第二压套的剖视图；

图7为实施例1中压头的剖视图；

图8为实施例2中一种内藏式力传感器的剖视图；

图9为实施例2中第一压套的剖视图；

图10为实施例2中压力传感器组件的剖视图；

图11为实施例2中第二压套的剖视图；

图12为实施例3中一种内藏式力传感器的剖视图；

图13为实施例3中压力传感器组件的立体图；

图14为实施例3中压力传感器组件的剖视图；

图15为实施例3中压力传感器组件的俯视图。

附图标记：

1、第一压套；11、第一圆柱形内孔；12、第一通孔；2、压力传感器组件；21、受力端；22、传力杆；23、受力端；24、第二圆柱形内孔；25、应变片；26、第三圆柱形内孔；27、第三通孔；28、第四通孔；3、第二压套；31、肩部；32、螺孔；33、第二通孔；4、压头；41、第一端；42、第二端；5、法兰盘；6、螺钉；7、顶丝；8、端盖。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，包括第一压套1、压力传感器组件2、第二压套3、压头4、法兰盘5和端盖8，第一压套1安装在数控压力机上，如图2所示，在第一压套1的自由端设有第一圆柱形内孔11，压力传感器组件2安装在第一圆柱形内孔11 内部；如图3～5所示，压力传感器组件2包括受力端21、一端与受力端 21固定连接的传力杆22和与传力杆22另一端固定连接的测力端23，测力端23的自由端面与第一圆柱形内孔11内侧底面紧密接触，在测力端23 的自由端设有第二圆柱形内孔24，在第二圆柱形内孔24内侧底面上设有应变片25，在测力端23的自由端面上设有一端盖8，用于对第二圆柱形内孔24进行密封，防止灰尘等污染物对第二圆柱形内孔24内的应变片25 和导线的污染与损伤，受力端21的自由端设有第三圆柱形内孔26，受力端21的自由端设有第三圆柱形内孔26，传力杆22为实心圆柱体，受力端 21和测力端23均为空心圆柱体，受力端21、传力杆22和测力端23具有相同的轴心，受力端21、传力杆22和测力端23的直径关系为测力端21 外径＞受力端22外径＞传力杆23外径；如图6所示，第二压套3一端与测力端23和传力杆22固定连接的端面紧密接触，用于将压力传感器组件 2固定在压套1内部，使其在径向轴向均不产生位移，第二压套3的壁厚不大于测力端23的壁厚，此时第二压套3的压紧力仅作用在测力端23的体壁上，对应变片25不产生力的作用，第二压套3的另一端外侧设有肩部 31，在肩部31上设有螺孔32，螺钉6穿过螺孔32将第二压套3与第一压套1固定连接；如图7所示，压头4包括固定连接的第一端41和第二端 42，第一端41安装在第三圆柱形内孔26内部，第一端41的长度与第三圆柱形内孔26的深度相同，第二端2穿过法兰盘5中部的通孔；法兰盘5 通过螺钉6与受力端21连接，用于通过限制压头4的运动将压头4固定在力传感器2内。

本实施例在使用过程中，压力作用于压头4的第二端42并同过压头的第一端41传递至传力杆22，再通过传力杆22传递到测力端23，在压力的作用下测力端23产生形变，引起应变片25的电阻值产生变化，通过导线将电阻值变化输出，经信号放大器转换为电信号。当压力传感器组件2需要更换时，松开第二压套3上的螺钉6，即可取出压力传感器组件2进行更换。

本实施例所述的内藏式力传感器适用于额定压力大于30000N的情况，其灵敏度能够达到额定压力的1‰。

实施例2

如图8所示，本发明提供一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，包括第一压套1、压力传感器组件2、第二压套3、压头4、顶丝7和端盖 8，压套1安装在数控压力机上，如图9所示，在第一压套1的自由端设有第一圆柱形内孔11，压力传感器组件2安装在第一圆柱形内孔11内部；如图3、5、10所示，压力传感器组件2包括受力端21、一端与受力端21 固定连接的传力杆22和与传力杆22另一端固定连接的测力端23，测力端 23的自由端面与第一圆柱形内孔11内侧底面紧密接触，在测力端23的自由端设有第二圆柱形内孔24，在第二圆柱形内孔24内侧底面上设有应变片25，在测力端23的自由端面上设有一端盖8，用于对第二圆柱形内孔24进行密封，防止灰尘等污染物对第二圆柱形内孔24内的应变片25和导线的污染与损伤，受力端21的自由端设有第三圆柱形内孔26，受力端21 的自由端设有第三圆柱形内孔26，传力杆22为实心圆柱体，受力端21和测力端23均为空心圆柱体，受力端21、传力杆22和测力端23具有相同的轴心，受力端21、传力杆22和测力端23的直径关系为测力端21外径＞受力端22外径＞传力杆23外径；如图11所示，第二压套3一端与测力端23和传力杆22固定连接的端面紧密接触，用于将压力传感器组件2固定在第一压套1内部，使其在径和轴向均不产生位移，此时第二压套3的压紧力仅作用在测力端23的体壁上，对应变片25不产生力的作用，第二压套3的另一端外侧设有肩部31，在肩部31上设有螺孔32，螺钉6穿过螺孔32将第二压套3与压套1固定连接；如图7所示，压头4包括固定连接的第一端41和第二端42，第一端41安装在第三圆柱形内孔26内部，第一端41的长度与第三圆柱形内孔26的深度相同，在第一压套1的侧壁上设有第一通孔12，在第二压套3的侧壁上设有第二通孔37，在受力端 21的侧壁上设有第三通孔23，顶丝7依次穿过第一通孔12、第二通孔37 和第三通孔23与压头4固定连接。通过顶丝7能够将压头4的第二端42 固定在受力端21的第三圆柱形内孔26内，能够防止压头4在径向和轴向的移动。

本实施例在使用过程中，压力作用于压头4的第二端42并同过压头的第一端41传递至传力杆22，再通过传力杆22传递到测力端23，在压力的作用下测力端23产生形变，引起应变片25的电阻值产生变化，通过导线将电阻值变化值引出，通过信号放大器将力值转化为电信号即电压值，实现力的测量。当压力传感器组件2需要更换时，松开第二压套上3的螺栓 6，即可取出压力传感器组件2进行更换。

本实施例所述的内藏式力传感器适用于额定压力小于30000N的情况，其灵精度能够达到额定压力的1‰。

实施例3

如图12所示，本发明提供一种可以实现直接测量力的内藏式力传感器，包括第一压套1、压力传感器组件2、第二压套3、压头4、法兰盘5、顶丝7和端盖8，第一压套1安装在数控压力机上，如图9所示，在第一压套1的自由端设有第一圆柱形内孔11，压力传感器组件2安装在第一圆柱形内孔11内部；如图13～15所示，压力传感器组件2包括受力端21、一端与受力端21固定连接的传力杆22和与传力杆22另一端固定连接的测力端23，测力端23的自由端面与第一圆柱形内孔11内侧底面紧密接触，在测力端23的自由端设有第二圆柱形内孔24，在第二圆柱形内孔24底面上，传力杆22外径与第二圆柱形内孔24内径之间的圆环面上均匀设有八个第四通孔28，应变片25设置在第四通孔28之间，在测力端23的自由端面上设有一端盖8，用于对第二圆柱形内孔24进行密封，防止灰尘等污染物对第二圆柱形内孔24内的应变片25和导线的污染与损伤，受力端21 的自由端设有第三圆柱形内孔26，受力端21的自由端设有第三圆柱形内孔26，传力杆22为实心圆柱体，受力端21和测力端23均为空心圆柱体，受力端21、传力杆22和测力端23具有相同的轴心，受力端21、传力杆 22和测力端23的直径关系为测力端21外径＞受力端22外径＞传力杆23 外径；如图11所示，第二压套3一端与测力端23和传力杆22固定连接的端面紧密接触，用于将压力传感器组件2固定在第一压套1内部，使其在水平方向和垂直方向均不产生位移，第二压套3的壁厚不大于测力端23 的壁厚，此时第二压套3的压紧力仅作用在测力端23的体壁上，对应变片 25不产生力的作用，第二压套3的另一端外侧设有肩部31，在肩部31上设有螺孔32，螺钉6穿过螺孔32将第二压套3与第一压套1固定连接；如图7所示，压头4包括固定连接的第一端41和第二端42，第一端41安装在第三圆柱形内孔26内部，第一端41的长度与第三圆柱形内孔26的深度相同，第二端2穿过法兰盘5中部的通孔；法兰盘5通过螺钉6与受力端21连接，用于通过限制压头4的运动将压力传感器组件2固定在第一压套1内部；在第一压套1的侧壁上设有第一通孔12，在第二压套3的侧壁上设有第二通孔37，在受力端21的侧壁上设有第三通孔23，顶丝7依次穿过第一通孔12、第二通孔37和第三通孔23与压头4固定连接，通过法兰盘5和顶丝7能够将压头4的第二端42固定在受力端21的第三圆柱形内孔26内，能够防止压头4在径向和轴向的移动。

本实施例在使用过程中，压力作用于压头4的第二端42并同过压头的第一端41传递至传力杆22，再通过传力杆22传递到测力端23，在压力的作用下测力端23产生形变，引起应变片25的电阻值产生变化，通过导线将应变片连接成电桥将电阻变化值引出经信号放大器将力值转换为电信号实现力的测量。当压力传感器组件2需要更换时，先取出顶丝7，之后取出松开法兰盘5上的螺钉6取下法兰盘5，就可取出压头4；再拧开第二压套3上的螺钉6，即可取出压力传感器组件2进行更换。

本实施例所述的内藏式力传感器当压力小于30000N时选用顶丝7固定压头4，当压力大于30000N时选用法兰盘5固定压头4，在两种固定方式之间能够方便的切换，其精度均能够达到额定压力的1‰。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出的任何修改、变化或等效，都将落入本发明的保护范围之内。