一种力敏芯体及压力传感器的制作方法

1.本技术属于传感器技术领域，特别是涉及一种力敏芯体及压力传感器。


背景技术：

2.压力传感器是将被测量的物理压力信号转换成便于测试的电信号并以一定电压或者电流形式输出的装置。
3.压力传感器中的轴销式传感器主要用于剪切弯曲应力的测量，传统的轴销式传感器是直接在弹性轴上开设凹槽，凹槽位置径向方向开孔，并使用胶水将电阻应变片粘贴在凹槽位置孔内，电阻应变片组成惠斯通电桥进行力值的检测，但由于这种贴片技术存在稳定性差、漂移大、粘胶易老化、电阻应变片易脱落、贴片困难等缺陷，且轴的刚性与过载能力差，导致轴销力传感器存在长期稳定性差、精度不高的问题。
4.因此，如何提高压力传感器的长期稳定性和测量精度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术的第一个目的为提供一种力敏芯体；本技术的第二个目的为提高一种包括上述力敏芯体的压力传感器；本技术提供的力敏芯体和压力传感器，可以提高长期稳定性和测量精度。
6.本技术提供的技术方案如下：
7.一种力敏芯体，包括：弹性体、限位块、和信号转接电路板；
8.所述弹性体的中间设置有通孔，所述弹性体的两侧边分别固定设置有所述限位块；
9.所述弹性体上采用纳米级薄膜溅射的方式设置有至少4个应变电阻，至少4个所述应变电阻围绕所述通孔设置；
10.所述信号转接电路板，固定设置在所述弹性体上，和所述应变电阻连接，用于将所述应变电阻收到的弹性应变的机械信号转变为电信号，发送给调理电路。
11.优选地，所述弹性体由弹性模量大的不锈钢或合金钢材料制作而成。
12.优选地，所述弹性体和所述信号转接电路板双金丝球焊连接。
13.优选地，所述限位块上设置有过线孔。
14.优选地，所述信号转接电路板通过螺丝固定设置在所述弹性体上。
15.优选地，所述弹性体的另外两侧边分别设置有台阶，所述台阶和压力传感器的本体的内壁过盈配合。
16.本技术还提供一种压力传感器，包括：本体、至少两个上述任一项所述的力敏芯体；
17.所述本体包括中部的受力段和两端的支撑段，所述受力段与所述支撑段之间开设有轴肩槽；
18.所述本体的内部开设有贯通的容置通道，所述容置通道包括中部的过线腔和两端的安装腔；
19.所述安装腔和所述轴肩槽对应设置，至少两个所述力敏芯体相对称地分别嵌套在所述安装腔内；
20.至少两个所述力敏芯体的信号转接电路板相连接，以使得和所述信号转接电路板连接的应变电阻组成桥式电路；
21.所述桥式电路用于将所述应变电阻收到的弹性应变的机械信号转变为电信号，发送给调理电路。
22.优选地，
23.所述容置通道的第一端设置有信号处理组件；
24.所述调理电路设置在所述信号处理组件内，用于将收到的所述电信号变换为各种信号输出，所述各种信号包括模拟信号或数字信号。
25.优选地，
26.所述容置通道的第二端设置有密封盖，所述密封盖的外侧和所述本体的内壁螺纹连接；
27.所述密封盖和至少一个所述力敏芯体抵接；
28.所述信号处理组件的一端外侧和所述本体的内壁螺纹连接；
29.另一个所述力敏芯体和所述信号处理组件的螺纹面抵接。
30.优选地，
31.所述密封盖和信号处理组件上分别设置有密封圈。
32.与现有技术相比较，本技术提供的力敏芯体，包括：弹性体、限位块、和信号转接电路板，弹性体的中间设置有通孔，弹性体的两侧边分别固定设置有限位块，弹性体上采用纳米级薄膜溅射的方式设置有至少4个应变电阻，至少4个应变电阻围绕通孔设置，信号转接电路板固定设置在弹性体上，和应变电阻连接，用于将应变电阻收到的弹性应变的机械信号转变为电信号，发送给调理电路，由于应变电阻是通过纳米级薄膜溅射的方式设置于弹性体上，应变电阻不易脱落，高低温温漂小，且应变电阻围绕通孔设置，应变电阻围绕通孔设置在弹性体上变形量最大的位置，能够有效地提高应变电阻的灵敏度，从而显著地提高了力敏芯体的长期稳定性和测量精度；而且单独的力敏芯体可以作为通用的部件进行大批量地生产。
33.与现有技术相比较，本技术提供的包括至少两个上述力敏芯体的压力传感器，提高了长期稳定性和测量精度，而且由于至少两个力敏芯体是安装在本体内的两端，通过至少两个力敏芯体来测量本体传递的相反方向的弯矩力，可以有效地防止受力位置偏载的情况，通过至少两个力敏芯体上的应变电阻组成的桥式电路，可精确测量轴本体的受力情况，进一步提高了压力传感器的测量精度。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本技术实施例公开的一种力敏芯体的结构示意图；
36.图2为本技术实施例公开的一种力敏芯体的另一结构示意图；
37.图3为本技术实施例公开的一种力敏芯体的应变电阻组成惠斯通电桥的电路图；
38.图4为本技术实施例公开的弹性体受力变形示意图；
39.图5为本技术实施例公开的一种弹性体的应变电阻的位置示意图；
40.图6为本技术实施例公开的一种压力传感器的结构示意图；
41.图7为图6中a-a剖视图；
42.图8为本技术实施例公开的一种压力传感器的两个力敏芯体的应变电阻组成桥式电路的电路图；
43.附图标记：100-力敏芯体；200-本体；300-信号处理组件；400-密封盖；500-密封圈；
44.100-力敏芯体；110-弹性体；120-限位块；130-信号转接电路板；
45.111-通孔；112-台阶；121-过线孔；131-螺丝；
46.1101-第一象限；1102-第二象限；1103-第三象限；1104-第四象限；
47.200-本体；210-受力段；220-支撑段；230-轴肩槽；240-容置通道；
48.241-过线腔；242-安装腔。
具体实施方式
49.为了使本领域的技术人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
50.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。
51.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
52.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本技术的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
53.须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
54.如图1和图2所示，本技术实施例提供一种力敏芯体100，包括：弹性体110、限位块120、和信号转接电路板130；弹性体110的中间设置有通孔111，弹性体110的两侧边分别固定设置有限位块120；弹性体110上采用纳米级薄膜溅射的方式设置有至少4个应变电阻，至少4个应变电阻围绕通孔111设置；信号转接电路板130，固定设置在弹性体110上，和应变电阻连接，用于将应变电阻收到的弹性应变的机械信号转变为电信号，发送给调理电路。
55.本实施例中，附图中调理电路未显示出来，力敏芯体即压力敏感芯体的简称，通孔111优选圆孔，同等尺寸开圆孔应变电阻的应变更大。
56.如图1、图3和图4所示，本实施例中，优选至少4个应变电阻为4个应变电阻，4个应变电阻电连接组成惠斯通电桥，4个应变电阻分别为第一应变电阻r1、第二应变电阻r2、第三应变电阻r3、第四应变电阻r4，其中第一应变电阻r1的第一端和第二应变电阻r2的第一端连接，第二应变电阻r2的第二端和第三应变电阻r3的第一端连接，第三应变电阻r3的第二端和第四应变电阻r4的第一端连接，第四应变电阻r4的第二端和第一应变电阻r1的第二端连接；在工作过程中，将力敏芯体100的一端(b端)的限位块120固定，另一端(c端)的限位块120受弯矩力时，弯矩力会及时传递给弹性体110，弹性体110接收到剪切弯矩力后，弹性体110中间的圆孔会产生形变，由正圆形变成椭圆，围绕圆孔设置的4个应变电阻会产生形变，对角的一组应变电阻会被拉伸，另外一组应变电阻被压缩，4个应变电阻的电阻值会产生变化，当在第一应变电阻r1的第一端和第三应变电阻r3的第二端连接稳定的直流电压信号(v+和v-)，第二应变电阻r2的第二端和第四应变电阻r4的第二端输出的电信号(s+和s-)会产生相应的变化，将应变电阻收到的弹性应变的机械信号转变为电信号，从而达到对限位块120受力大小的测量。
57.与现有技术相比较，本技术提供的力敏芯体100，包括：弹性体110、限位块120、和信号转接电路板130，弹性体110的中间设置有通孔111，弹性体110的两侧边分别固定设置有限位块120，弹性体110上采用纳米级薄膜溅射的方式设置有至少4个应变电阻，至少4个应变电阻围绕通孔111设置，信号转接电路板130固定设置在弹性体110上，和应变电阻连接，用于将应变电阻收到的弹性应变的机械信号转变为电信号，发送给调理电路，由于应变电阻是通过纳米级薄膜溅射的方式设置于弹性体110上，，应变电阻不易脱落，高低温温漂小，且应变电阻围绕通孔111设置，应变电阻围绕通孔111设置在弹性体110上变形量最大的位置，能够提高应变电阻的灵敏度，从而显著地提高了力敏芯体100的长期稳定性和测量精度；而且单独的力敏芯体100可以作为通用的部件进行大批量地生产。
58.本实施例中，弹性体110和限位块120通过激光焊接，，也可以直接加工成一个整体，限位块120和压力传感器的本体200的内壁过盈配合，限位块120具有装配导向及传递力的作用。弹性体110采用薄片形状，能提高力敏芯体100的测量精度。
59.如图5所示，本实施例中，应变电阻围绕通孔111设置在弹性体110上变形量最大的位置，具体的，第一应变电阻r1设置在弹性体110上的第二象限1102的-67度角位置，第二应变电阻r2设置在弹性体110上的第一象限1101的45度角位置，第三应变电阻r3设置在弹性体110上的第四象限1104的-70度角位置，第四应变电阻r4设置在弹性体110上的第三象限1103的40度角位置，可以使得应变电阻的灵敏度更高，测量精度更好。
60.作为一种实施方式，弹性体110由弹性模量大的不锈钢或合金钢材料制作而成。可以使得弹性体110的刚性过载能力好。
61.作为一种实施方式，弹性体110和信号转接电路板130双金丝球焊连接。可以使得弹性体110和信号转接电路板130的连接稳定可靠，弹性体110上的应变电阻输出的信号准确不失真。
62.本实施例中，弹性体110和信号转接电路板130也可以采用双铝丝球焊连接或者采用双银丝球焊连接，以及采用其他导体材料进行连接。
63.如图2所示，作为一种实施方式，限位块120上设置有过线孔121。信号输出电线可通过过线孔121按要求穿过，保证电线整齐有序且便于溯源识别。
64.如图1和图2所示，作为一种实施方式，信号转接电路板130通过螺丝131固定设置在弹性体110上。通过螺丝131将信号转接电路板130固定在弹性体110上，在信号转接电路板130出现故障时，便于将信号转接电路板130从弹性体110上拆下来。
65.如图1和图2所示，作为一种实施方式，弹性体110的另外两侧边分别设置有台阶112，台阶112和压力传感器的本体200的内壁过盈配合。台阶112具有导向和保证受力方向一致的作用。
66.如图6和图7所示，本技术还提供一种压力传感器，包括：本体200、至少两个上述任一项的力敏芯体100；本体200包括中部的受力段210和两端的支撑段220，受力段210与支撑段220之间开设有轴肩槽230；本体200的内部开设有贯通的容置通道240，容置通道240包括中部的过线腔241和两端的安装腔242；安装腔242和轴肩槽230对应设置，至少两个力敏芯体100相对称地分别嵌套在安装腔242内；至少两个力敏芯体100的信号转接电路板130相连接，以使得和信号转接电路板130连接的应变电阻组成桥式电路；桥式电路用于将应变电阻收到的弹性应变的机械信号转变为电信号，发送给调理电路。
67.本实施例中，轴肩槽的槽的形状可以是矩形、梯形、多边形、环形或者各种异形形状，附图中调理电路未显示出来，通孔111优选圆孔，同等尺寸开圆孔应变电阻的应变更大。
68.如图6和图8所示，本实施例中，优选至少两个力敏芯体为两个力敏芯体，两个力敏芯体100为第一力敏芯体和第二力敏芯体，第一力敏芯体包括第一应变电阻r1、第二应变电阻r2、第三应变电阻r3和第四应变电阻r4，第二力敏芯体包括第五应变电阻r5、第六应变电阻r6、第七应变电阻r7和第八应变电阻r8，其中第一应变电阻r1的第一端和第二应变电阻r2的第一端连接，第二应变电阻r2的第二端和第七应变电阻r7的第一端连接，第七应变电阻r7的第二端和第六应变电阻r6的第一端连接，第六应变电阻r6的第二端和第三应变电阻r3的第一端连接，第三应变电阻r3的第二端和第四应变电阻r4的第一端连接，第四应变电阻r4的第二端和第五应变电阻r5的第一端连接，第五应变电阻r5的第二端和第八应变电阻r8的第一端连接，第八应变电阻r8的第二端和第一应变电阻r1的第二端连接。在工作过程中，当本体200的受力段210的上端(d端)受到压力时，由于本体200两端的支撑段220的下端(e端和f端)被固定，本体200会受到剪切弯矩力，本体200内的两个力敏芯体100会将本体200传递的相反方向的弯矩力及时传递给力敏芯体100的弹性体110,力敏芯体100中间的圆孔会产生形变，由正圆形变成椭圆，围绕圆孔设置的4个应变电阻会产生形变，，对角的一组应变电阻会被拉伸，另外一组应变电阻被压缩，4个应变电阻的电阻值会产生变化，第一应变电阻r1的第一端和第三应变电阻r3的第二端连接稳定的直流电压信号(v+和v-)，第六应变电阻r6的第一端和第八应变电阻r8的第一端输出的电信号(s+和s-)会产生相应的变化，从而达到对本体200受力大小的测量。
69.电桥电路根据使用场景的需求不同，也可以采用其他串联或并联的方式来组合，并不限于以上的组桥方式。
70.与现有技术相比较，本技术提供的包括至少两个上述力敏芯体100的压力传感器，提高了长期稳定性和测量精度，而且由于至少两个力敏芯体100是安装在本体200内的两端，通过至少两个力敏芯体100来测量本体200传递的相反方向的弯矩力，可以有效地防止受力位置偏载的情况，通过至少两个力敏芯体100上的应变电阻组成的桥式电路，可精确测量轴本体200的受力情况，进一步提高了压力传感器的测量精度。
71.本实施例中，压力传感器的本体200采用不锈钢或合金钢材料制作而成，通过在本体200的内部开设贯通的容置通道240来安装力敏芯体100，不仅不影响本体200的刚性，而且还能减少本体200的重量，通过调整本体200上轴肩槽230的深度和本体200的直径大小，可以定制出各种量程段、各种性能输出的压力传感器。
72.如图7所示，作为一种实施方式，容置通道240的第一端设置有信号处理组件300；调理电路设置在信号处理组件300内，用于将收到的电信号变换为各种信号输出，各种信号包括模拟信号或数字信号。本实施例中，调理电路还可以将收到的电信号放大处理后变换成所需的电流或电压的模拟量或数字量输出，还可以对电信号进行滤波处理等。
73.如图7所示，作为一种实施方式，容置通道240的第二端设置有密封盖400，密封盖400的外侧和本体200的内壁螺纹连接；密封盖400和至少一个力敏芯体100抵接；信号处理组件300的一端外侧和本体200的内壁螺纹连接，另一个力敏芯体100和所述信号处理组件的螺纹面抵接。密封盖400的外侧和本体200之间、信号处理组件300的一端外侧和本体200之间采用螺纹连接的方式，不仅密封效果好，而且便于拆下，可以有效地保障传感器的长期稳定性。
74.如图7所示，作为一种实施方式，密封盖400和信号处理组件300上分别设置有密封圈500。通过设置密封圈500对力敏芯体100进行进一步地密封，可以进一步地保障本体200的密封性。
75.本说明书中各实施例采用递进方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例不同之处，各个实施例之间相同或相似部分相互参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。