濺射薄膜型衝擊力傳感器的製作方法

2023-09-21 01:16:50 3

本實用新型屬於電子感測衡器技術領域，涉及一種工程機械用濺射薄膜型衝擊力傳感器。

背景技術：

衝擊力傳感器是工程機械的關鍵部件之一,對工程機械的工作過程及效果的適時監控和調整起著至關重要的作用。隨著工程機械的發展，對衝擊力傳感器工作過程中可能出現的且不可預知的瞬間撞擊力的測量控制需求日益緊迫，其量程覆蓋10N到1000KN。目前市場應用較多的衝擊力傳感器是利用石英晶體的壓電效應原理製作的，此類傳感器具有高剛度和高固有頻率，故在大量程衝擊力的測量上具有顯著優勢，但它們不適合於200N以下的衝擊力測量，同時由於其易碎性，也不適合於對100KN以上超大量程衝擊力的測量。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於對現有技術存在的問題加以解決，提供一種結構簡單、可操作性強、量程範圍大且測試效果好的濺射薄膜型衝擊力傳感器。

為實現以上發明目的而採用的技術解決方案如下所述。

一種濺射薄膜型衝擊力傳感器，包括一個下部帶有膨大基座的倒T字型彈性體，在彈性體基座的上部套裝有一個帶電連接器的中空殼體，在殼體上端和彈性體上部間焊接有一個金屬制凹形膜片，彈性體的上端杆部穿出凹形膜片構成壓頭，在殼體和彈性體的杆體之間設置有一塊與電連接器接通的信號轉接用電路板，在電路板上方設有一個不鏽鋼製彈性應變粱，在應變粱上通過磁控濺射方法製作有應變計，應變計和電路板之間通過金絲球焊接連接。

上述濺射薄膜型衝擊力傳感器中，應變計是在不鏽鋼彈性粱上採用磁控濺射技術形成的一層金屬膜電阻並通過金絲球焊連接到電路板上所組成的惠斯通電橋電路。

上述濺射薄膜型衝擊力傳感器中，凹形膜片的凹形尺寸是半徑為2mm的二分之一圓弧，通過雷射焊接與殼體和彈性體連接。

上述濺射薄膜型衝擊力傳感器中，彈性體穿出凹形膜片的壓頭為圓弧形設計，其半徑為13mm，弧度為67度，與被測體通過弧頂進行點接觸。

上述濺射薄膜型衝擊力傳感器中，電路板通過螺釘固定在彈性體的基座上。

上述濺射薄膜型衝擊力傳感器中，殼體採用雷射焊接方式連接在彈性體基座的上部。

上述濺射薄膜型衝擊力傳感器中，在彈性體基座下部開有用於與被測體固定安裝的螺紋安裝孔。

實際應用中，通過設於彈性體基座下部的螺紋安裝孔使該濺射薄膜型衝擊力傳感器與被測體進行穩定的機械連接，同時將電連接器與信號採集系統連接，從而完成測試閉環；該濺射薄膜型衝擊力傳感器的衝擊力測試功能主要通過以下原理完成：使彈性體上的壓頭與被測體進行點接觸，從而把被測力轉換為集中力並傳遞到彈性應變梁上，彈性應變梁受力後發生彈性應變，並把應變傳遞給應變計，應變計再通過惠斯通電橋原理，把應變信號轉變為差分電壓信號輸出給電氣系統，進而完成對工作過程所感受到的衝擊力的適時監測。當工作過程中，傳感器受到橫向載荷的衝擊時，金屬制凹形膜片將對其進行平衡，特別是膜片凹處進行綜合，最終形成軸向力。

本實用新型所述的濺射薄膜型衝擊力傳感器是一種針對高可靠、環境適應性強的大量程衝擊力測試而設計開發的傳感器，它主要通過彈性體設計和濺射薄膜製作來實現衝擊力的測試。具體而言，該傳感器一方面採用彈性體結構的特殊設計，由於金屬材料的固有特性，其應變範圍寬，彈性範圍有600個微應變(即在該彈性範圍內，具有良好的線性和重複性)，其量程範圍可達2000KN，實現傳感器的動態響應頻率，減少衝擊信號失真，提高衝擊力測試的準確性；另一方面，它利用濺射薄膜特殊製作工藝代替傳統的粘貼式工藝，製作的應變計與彈性應變粱間通過原子力結合，提高了傳感器頻率響應特性(60KHz)、高低溫性能(-70℃～+250℃)、抗腐蝕性能、抗振動性能(0～2000Hz，80g)及長期穩定性，保證傳感器的可靠性和環境適應性。由於該傳感器採用被測體受力結構件為本體，故安裝方便無需增加額外空間和設施，具有結構簡單、成本低、可操作行強、易於實際應用等優點，目前本實用新型產品已應用於工程機械中，測試效果明顯，取得了良好的社會效益。

附圖說明

圖1是本實用新型一個具體實例的結構示意圖。

圖2是圖1中A向部結構的放大視圖(10:1)。

圖中各數字標記的名稱分別是：1－壓頭，2－凹形膜片，3－彈性體，4－殼體，5－電連接器，6－電路板，7－應變粱，8－安裝孔，9－應變計。

具體實施方式

參見附圖，本實用新型所述的濺射薄膜型衝擊力傳感器主要由彈性體3、殼體4、凹形膜片2、電路板6、應變梁7、應變計9等部分組成。作為本傳感器核心主體(起衝擊力傳遞作用)的彈性體3為一個下部帶有膨大基座的倒T字型構件，彈性體杆體上端的壓頭1為圓弧形設計，其半徑為13mm，弧度為67度，壓頭1與被測體通過弧頂進行點接觸，其主要作用是將發散力轉變為集中力，提高傳感器的測量精度。在彈性體3基座下部開有用於與被測體固定安裝的螺紋安裝孔8。採用雷射焊接方式連接在彈性體基座上部的殼體4為一個與彈性體基座等徑的中空構件，用於對傳感器內部進行保護，使其環境應用等級達IP68。在殼體4上裝有電連接器5，作用是將傳感器電壓信號與測試系統連接，對傳感器進行供電，同時輸出傳感器電壓信號。金屬制凹形膜片2的凹形尺寸是半徑為2mm的二分之一圓弧，它通過雷射焊接與殼體4和彈性體3連接，主要起抗偏載作用，對工作過程的橫向力進行綜合平衡效果，當傳感器受到橫向載荷的衝擊時，凹形膜片2將對其進行平衡，特別是膜片凹處進行綜合，最終形成軸向力。與電連接器5接通的電路板6通過螺釘固定在彈性3的基座上，用於對應變計9的電阻信號進行轉接，並組成惠斯通電橋，輸出電壓信號。不鏽鋼製的彈性應變梁7設在彈性體3桿體上，主要作用是把力轉變為應變，對傳感器的綜合精度(線性、重複、遲滯)起決定性作用。在應變粱7上製作有應變計9，該應變計是通過磁控濺射方法在應變梁7上生產金屬電阻膜，然後採用光刻技術形成金屬電阻，再通過金絲球焊接技術與電路板6連接，在電路板6上組成惠斯通電橋，當發生電阻變化時輸出差分信號。應變計的主要作用是把應變信號轉變為電阻信號，對傳感器的頻率響應特性、溫度性能及長期穩定性其決定性作用。