一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器。

背景技术

气压、温度、测力传感器是一种在航天航空、机器人等军事和工业领域实现自动化测试、控制功能的关键元器件，但是目前的气压、温度、测力传感器无法集成在一起使用，需要设置气压、温度、测力三种单独的传感器使用，而通过三种单独的传感器增加了占用空间，重量也比较重，并且，还会造成更高的功耗。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术不足提供一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器，以解决上述背景技术中提出的现有的气压、温度、测力传感器无法集成在一起使用，需要设置气压、温度、测力三种单独的传感器使用，而通过三种单独的传感器增加了占用空间，重量也比较重，并且，还会造成更高的功耗问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器，该传感器包括：

外壳；

两敏感元件，两所述敏感元件的外侧壁贴合在所述外壳的内侧壁两端位置，两所述敏感元件相对的一端均设有端部平面，所述端部平面排列有多个应变电阻和多个测温电阻；

测力轴，所述测力轴的部分设置在两所述敏感元件内；

两信号输送模块，两所述信号输送模块设置在所述外壳上，其中一个所述信号输送模块与其中一个所述端部平面上的多个应变电阻和多个测温电阻电性连接，另一个所述信号输送模块与另一个所述端部平面上的多个应变电阻和多个测温电阻电性连接，两所述信号输送模块电性连接。

优选地，所述敏感元件呈圆筒形状，两所述敏感元件相互远离的一端设有开口，所述端部平面呈圆形状，所述端部平面的中间位置向所述敏感元件的内部延伸形成有柱体，所述柱体的内部设有通孔，两所述通孔插接有测力轴。

优选地，所述测力轴为圆柱形状，所述测力轴的至少一端设有测力头，所述测力头为球形。

优选地，所述信号输送模块包括转接板和接插件，所述转接板设置在所述外壳内，所述转接板与相适配多个所述应变电阻和多个所述测温电阻电性连接，所述接插件设置在所述外壳的侧壁上，所述接插件与所述转接板电性连接，两所述转接板电性连接。

优选地，该传感器还包括两支撑座，所述支撑座呈圆筒形状，所述支撑座的内侧壁两端的位置均设有凹槽，两所述支撑座的其中一个所述凹槽的内侧壁分别固定在两所述敏感元件的外侧壁上，两所述支撑座的另一个所述凹槽分别用于连接两所述转接板。

优选地，所述应变电阻的数量为十六个，十六个所述应变电阻分为四组，每组四个所述应变电阻沿端部平面的半径方向设置在端部平面上，四组所述应变电阻形成十字状。

优选地，所述测温电阻的数量为两个，两所述测温电阻沿端部平面的直径方向设置在端部平面上，两所述测温电阻靠近所述端部平面的边沿位置。

优选地，所述应变电阻和测温电阻均为薄膜类电阻。

优选地，所述端部平面上且位于相邻两组所述应变电阻之间沿半径方向设有两个应变电阻。

优选地，所述接插件呈圆柱形状，所述接插件的内部设有多个独立的导电柱，所述导电柱沿接插件的轴向延伸至所述接插件的两端。

本发明提供带温度气压测量功能的三分量测力传感器，其有益效果在于：该传感器的敏感元件的端部平面排列有多个应变电阻和多个测温电阻，测力轴的部分设置在两敏感元件内，敏感元件能够感应大气压强，在大气压强的作用下能够带动端部平面变形，进而，除可以通过压强、温度测量功能给出传感器所在环境的温度和大气压强外，当外力以任意角度作用于测力轴上时，该传感器的X、Y和Z三个方向各有信号输出，通过标定折算，可得到三个分量的力值大小，通过矢量求和运算，即可得到施加于测力轴上的力值大小和方向，从而，实现集成化的设计，当本发明的传感器用于航天航空、机器人等测量控制系统后，对于降低体积、重量有很大助益，同时本发明的传感器能够适应飞行器各类恶劣工况，可靠性高，性能优秀，对于提高航天航空设备可靠性和环境适应性，具有明显作用。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器的主视且剖视结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器的端部平面仰视结构示意图一；

图3示出了根据本发明的一个实施例的一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器的端部平面仰视结构示意图二。

附图标记说明：

1、外壳；2、敏感元件；3、端部平面；4、应变电阻；5、测温电阻；6、测力轴；7、柱体；8、通孔；9、测力头；10、转接板；11、接插件；12、支撑座。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

如图1-2所示，本发明提供一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器，该传感器包括：

外壳1；

两敏感元件2，两敏感元件2的外侧壁贴合在外壳1的内侧壁两端位置，两敏感元件2相对的一端均设有端部平面3，端部平面3排列有多个应变电阻4和多个测温电阻5；

测力轴6，测力轴6的部分设置在两敏感元件2内；

两信号输送模块，两信号输送模块设置在外壳1上，其中一个信号输送模块与其中一个端部平面3上的多个应变电阻4和多个测温电阻5电性连接，另一个信号输送模块与另一个端部平面3上的多个应变电阻4和多个测温电阻5电性连接，两信号输送模块电性连接。

具体的，为解决现有的气压、温度、测力传感器无法集成在一起使用，需要设置气压、温度、测力三种单独的传感器使用，而通过三种单独的传感器增加了占用空间，重量也比较重，并且，还会造成更高的功耗问题，本发明提供一种带温度气压测量功能的三分量测力传感器，该传感器的敏感元件2的端部平面排列有多个应变电阻4和多个测温电阻5，测力轴6的部分设置在两敏感元件2内，敏感元件2能够感应大气压强，在大气压强的作用下能够带动端部平面3变形，进而，除可以通过压强、温度测量功能给出传感器所在环境的温度和大气压强外，当外力以任意角度作用于测力轴6上时，该传感器的X、Y和Z三个方向各有信号输出，通过标定折算，可得到三个分量的力值大小，通过矢量求和运算，即可得到施加于测力轴6上的力值大小和方向，从而，实现集成化的设计，当本发明的传感器用于航天航空、机器人等测量控制系统后，对于降低体积、重量有很大助益，同时本发明的传感器能够适应飞行器各类恶劣工况，可靠性高，性能优秀，对于提高航天航空设备可靠性和环境适应性，具有明显作用。

优选地，外壳1的一端向内侧延伸有环形翻边。

具体的，当敏感元件2的外侧壁贴合在外壳1的内侧壁时，用于对敏感元件2进行安装定位，敏感元件2的外侧壁通过焊接的方式密封连接在外壳1的内侧壁上。

优选地，敏感元件2呈圆筒形状，两敏感元件2相互远离的一端设有开口，端部平面3呈圆形状，端部平面3的中间位置向敏感元件的内部延伸形成有柱体7，柱体7的内部设有通孔8，两通孔8插接有测力轴6；

测力轴6为圆柱形状，测力轴6的至少一端设有测力头9，测力头9为球形。

具体的，柱体7的外侧壁与端部平面3的连接位置为圆台形，测力轴6与两通孔8通过焊接的方式密封连接，当外力以任意角度作用在测力头9上时，该传感器的X、Y和Z三个方向各有信号输出，通过标定折算，可得到三个分量的力值大小，通过矢量求和运算，即可得到施加于测力轴6上的力值大小和方向。

优选地，信号输送模块包括转接板10和接插件11，转接板10设置在外壳1内，转接板10与相适配多个应变电阻4和多个测温电阻5电性连接，接插件11设置在外壳1的侧壁上，接插件11与转接板10电性连接，两转接板10电性连接。

具体的，通过转接板10和接插件11用于传输应变电阻4和测温电阻5产生的信号。

优选地，该传感器还包括两支撑座12，支撑座12呈圆筒形状，支撑座12的内侧壁两端的位置均设有凹槽，两支撑座12的其中一个凹槽的内侧壁分别固定在两敏感元件2的外侧壁上，两支撑座12的另一个凹槽分别用于连接两转接板10。

具体的，敏感元件2的外侧壁靠近端部平面3的位置设有环形插槽，支撑座12的其中一个凹槽的内侧壁能够与环形插槽相互对接，以用于对支撑座12进行安装定位。

优选地，应变电阻4的数量为十六个，十六个应变电阻4分为四组，每组四个应变电阻4沿端部平面3的半径方向设置在端部平面3上，四组应变电阻4形成十字状；

测温电阻5的数量为两个，两测温电阻5沿端部平面3的直径方向设置在端部平面3上，两测温电阻5靠近端部平面3的边沿位置。

具体的，每组的四个应变电阻4中的一个应变电阻4设置于靠近敏感元件2的内侧壁，称为外电阻，一个应变电阻4设置于靠近柱体7的外侧壁，称为内电阻，最后两个应变电阻4设置在以上两个应变电阻4沿半径方向连线的中间位置，称为中电阻，两测温电阻5设置于敏感元件2壁厚在平面的投影圆环的任一中心位置，且两个测温电阻5分布于直径方向的两端。

优选地，应变电阻4和测温电阻5均为薄膜类电阻。

如图3所示，优选地，端部平面3上且位于相邻两组应变电阻4之间沿半径方向设有两个应变电阻4。

具体的，通过在敏感元件2上增加应变电阻4的个数，并与十六个应变电阻4不在同一直径方向上，可增加压强测量余度，同时，当该传感器量程增大时，将十六个应变电阻4所在直径位置对应的端部平面3位置的厚度增加，可根据测力量程要求调整厚度，相邻两组应变电阻4之间沿半径方向设有的两个应变电阻4对应的端部平面3的位置所在直径方向厚度不增加，以用于气压测量，进行，当实现测力量程调整时，保持气压测量功能不变。

优选地，接插件11呈圆柱形状，接插件11的内部设有多个独立的导电柱，导电柱沿接插件11的轴向延伸至接插件11的两端；

具体的，接插件11为真空密封形接插件，接插件11的中部设有环形法兰，外壳1的侧壁且位于两敏感元件2之间设有两个对称的安装孔，安装孔内侧设有环形阶梯槽，两接插件11分别插入两安装孔内时，环形法兰能够通过焊接的方式密封连接在环形阶梯槽内。

综上，本发明提供的带温度气压测量功能的三分量测力传感器实施时，该传感器的敏感元件2的端部平面排列有十六个应变电阻4，十六个应变电阻4分为四组，每组四个应变电阻4沿端部平面3的半径方向设置在端部平面3上，四组应变电阻4形成十字状，并且在端部平面3上沿端部平面3的直径方向设置两个测温电阻5，测力轴6的部分设置在两敏感元件2内，敏感元件2能够感应大气压强，在大气压强的作用下能够带动端部平面3变形，进而，除可以通过压强、温度测量功能给出传感器所在环境的温度和大气压强外，当外力以任意角度作用于测力轴6上时，该传感器的X、Y和Z三个方向各有信号输出，通过标定折算，可得到三个分量的力值大小，通过矢量求和运算，即可得到施加于测力轴6上的力值大小和方向，从而，实现集成化的设计，当本发明的传感器用于航天航空、机器人等测量控制系统后，对于降低体积、重量有很大助益，同时本发明的传感器能够适应飞行器各类恶劣工况，可靠性高，性能优秀，对于提高航天航空设备可靠性和环境适应性，具有明显作用；

可通过采用溅射薄膜工艺制作敏感元件2，在敏感元件2内径为18mm，端部平面3厚度为0.2mm，柱体7最大直径为6mm，通孔8的内径及测力轴的直径为3mm时，最小可实现10N及以下力值测量，最大可实现200N及力值测量，该传感器气压、单向力重复性可达到±0.2％FS以内，耦合力重复性可达到±1％FS以内，工作温度范围-75℃～+200℃内，不进行补偿的情况下，受温度影响在±3％FS以内，敏感元件2的端部平面3厚度结构可进行优化。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。