一种新型微力传感器设计.pdf

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传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies)
2015年第34卷第3期
DOI:10.13873/J.1000-9787(2015)03-0100-03
种新型微力传感器设计
章晓明,刘晓东2,班炯,陈靖宇2,顾小稳2
(1.上海航天控制技术研究所,上海200233
2.同济大学机械与能源工程学院,上海201804)
摘要:设计了一种新型微力传感器,利用电阻式应变原理,采用柱式结构,量程小,灵敏度高,灵敏度可
达0.0575V/N,适用于微力测量。对其弹性元件进行有限元静力分析和模态分析,传感器弹性元件的纵向
应变量高于一般的力传感器,固有频率远高于常见的外部动态力频率,几乎不会发生共振现象;最后对微
力传感器进行静态标定和误差分析。
关键词:微力传感器;有限元分析;静态标定;误差分析
中图分类号:TH113.1
文献标识码:A文章编号:1000-9787(2015)03-0100-03
Design of a novel micro-force sensor
ZHANG Xiao-ming, LIU Xiao-dong, BAN Jiong', CHEN Jing-yu, GU Xiao-wen
(1. Shanghai Aerospace Control Technology Research Institute, Shanghai 200233, China
2. School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract Design a novel micro-foree sensor, use principle of resistive strain, the sensor adopts pillar type
structure, with small range and high sensitivity, sensitivity of, the sensor can reach 0.575 V/N, which is suitable
for micro force measurement. The elastic component is carried out on finite element static analysis and mod
analysis. The lengthways dependent variable of the sensor is much higher than the common force sensor, and the
natural frequeney is much higher than common external dynamie foree frequeney, which rarely occur resonance.
Finally, static calibration and error analysis is carried out
Key words: micro-force sensor; FEA; static calibration; error analysis
0引穹
测量精度髙,此传感器选用立柱结构,如图1所示
微力传感器是微传感器的一种,而微传感器的体积小、
上法
功耗低,便于和信号处理部分集成以构成徴传感器测试系
统,这些特性使其可以应用于汽车、航空航天、电机、医学
一
弹性柱体
下法兰
环境监测等广阔领域。微力传感器是最早开始研制的微机
械产品,也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产
1传感罱结构图
品,其原理是将力转换成电信号输出H。
Structure diagram of sensor
目前微力传感器的量程范围小且灵敏度低,很难对更
2弹性元件的有限元分析
加微小的力进行测量。同时在进一步提高灵敏度的过
微力传感器的灵敏度和量程直接相关,需对传感器结
程中,会遇到非线性度随着灵敏度的提高变差、灵敏度提
构进行受力分析,用弹性元件的单位应变表征传感器的灵
高、稳定性变差等问题3。
敏度,固有频率表征量程。
本文利用电阻应变原理,设计了一种微力传感器,该传
对传感器的弹性柱体进行静力分析和模态分析,主要
感器采用柱式结构,灵敏度可达0.0575V/N,适用于微力
物理参数为弹性柱体的形变量和固有频率?。
测量,能保持较好的线性度,静态特性良好。
静力分析用于计算固定不变的载荷和响应作用于结构
微力传感器结构
或部件上引起的位移、成力、应变和力,忽略惯性和阻尼效
微力传感器的工作原理是电阻应变片发生变形时,其
应的影响?。传感器承受纵向外力发生形变,通过静力分
电阻值发生变化,柱式结构对压应变尤为敏感,纵向应变
析求解纵向应变量,传感器应变云图如图2所示
收稿日期:2014-05-28