CN101210850A

CN101210850A - 一种多分量力传感器

Info

Publication number: CN101210850A
Application number: CNA2007101985335A
Authority: CN
Inventors: 刘续兴; 赵翔; 马昆
Original assignee: China Helicopter Research and Development Institute
Current assignee: China Helicopter Research and Development Institute
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2008-07-02

Abstract

本发明提供一种薄壁圆筒结构形式的应变测力装置，特别是同时测量空间力在六个自由度方向上的分量力的传感器，在薄壁圆筒[1]的两端有法兰盘[2]，法兰盘[2]上开有安装孔[3]，通过在薄壁圆筒[1]壁上的规定位置和规定方式粘贴电阻应变片和温度补偿应变片，并对电阻应变片进行组桥。本发明具有径向力学性能一致，纵向稳定性好的特点。结构简单，重量轻，惯性小，无间隙和摩擦力，测量精度高，适用范围广，既能够用于小载荷的测量，也可以用于大型结构的大载荷测量。

Description

一种多分量力传感器

技术领域

本发明涉及一种测量作用力在空间沿直角坐标系三个轴向的分量力的装置，特别是使用电阻应变片测量薄壁筒体在作用力下发生的弹性变形，可通过标定换算测量得到作用力大小和方向的装置。

背景技术

多分量力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多分量力最完整的形式是多分量力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器。

多分量力传感器广泛应用于机器人手指和腿上关节的载荷测量研究；生物力学研究；力反馈控制；刹车检测；精密装配、切削等；行业覆盖了机器人、汽车制造、自动化流水线装配、生物力学、航空航天、轻纺工业等领域。

多分量力传感器与单轴力传感器比较，困难在于既要保证测量方向上有较高的灵敏度，又要避免相互之间的分量耦合干扰。

目前的多分量力传感器主要分为应变式和压电式，应变式传感器具有适用范围广，载荷测量范围宽的优点。压电式传感器体积小，灵敏度高，但是量程范围小，通常用于轻型结构的载荷测量。应变式多分量力传感器结构形式主要有十字梁结构、STEWART平台结构和竖梁结构等，十字梁结构各向同性差、各方向耦合程度高，需要应变片的数量较多；STEWART平台结构中，球铰配合中存在摩擦和结构间隙，不利于动态测量。竖梁结构具有横向效应好，竖向效应差的特点，结构较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、性能稳定可靠，适用载荷范围宽的多分量力传感器。

本发明的技术方案是：提供一种薄壁圆筒结构的多分量力传感器，薄壁圆筒1两端有法兰盘2，法兰盘2上开有安装孔3以便于与其它部件装配，薄壁圆筒1的筒壁上粘贴有电阻应变片和温度补偿应变片，R11、R12、R21、R22、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R41、R42、R51、R52、R61、R62、R63、R64为电阻应变片，R₀为温度补偿应变片。应变片的贴片位置和方式是：将薄壁圆筒沿径向八等分，每一条等分线相隔45°，0°等分线从上到下分别粘贴应变片R41、R61和R35，R41竖贴于薄壁圆筒中部偏上位置，R61逆时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒的中部，R35横贴于薄壁圆筒底部偏上位置；45°等分线上是R36竖贴于薄壁圆筒底部偏上位置；90°等分线从上到下分别粘贴应变片R11、R51、R62、R12和R36，R11竖贴于薄壁圆筒上部偏下位置，R51竖贴于薄壁圆筒中部偏上位置，R62顺时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒的中部，R12竖贴于薄壁圆筒中部偏下位置，R36横贴于薄壁圆筒底部偏上位置；135°等分线上是R37竖贴于薄壁圆筒底部偏上位置；180°等分线从上到下分别粘贴应变片R21、R42、R63，R22和R37，R21竖贴于薄壁圆筒上部偏下位置，R42竖贴于薄壁圆筒中部偏上位置，R63逆时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒的中部，R22竖贴于薄壁圆筒中部偏下位置，R37横贴于薄壁圆筒底部偏上位置；225°等分线上是R34竖贴于薄壁圆筒底部偏上位置；270°等分线从上到下分别粘贴应变片R52、R64和R38，R52竖贴于薄壁圆筒中部偏上位置，R64顺时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒的中部，R38横贴于薄壁圆筒底部偏上位置；-45°等分线上是R31竖贴于薄壁圆筒底部偏上位置；R11、R21贴于薄壁圆筒上部偏下的同一高度，R41、R51、R42、R52贴于薄壁圆筒[1]中部偏上的同一高度，R61、R62、R63、R64贴于薄壁圆筒中部的同一高度，R12、R22贴于薄壁圆筒中部偏下的同一高度，R31、R35、R32、R36、R33、R37、R34、R38贴于薄壁圆筒底部偏上的同一高度。

对电阻应变片和温度补偿应变片进行组桥，可以测量作用在法兰盘2端面上的矢量力在空间三个直角坐标轴方向和绕三个坐标轴的力矩分量。测量X方向力的测量桥路由应变片R11、R12和两个温度补偿应变片R₀组成；测量Y方向力的测量桥路由应变片R21、R22和两个温度补偿应变片R₀组成；测量Z方向力的测量桥路由应变片R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38组成；测量X方向弯矩的测量桥路由应变片R41、R42和两个温度补偿应变片R₀组成；测量Y方向弯矩的测量桥路由应变片R51、R52和两个温度补偿应变片R₀组成；测量Z方向扭矩的测量桥路由应变片R61、R62、R63、R64和四个温度补偿应变片R₀组成。

本发明的优点是：本发明具有径向力学性能一致，纵向稳定性好的特点。结构简单，重量轻，惯性小，无间隙和摩擦力，测量精度高，适用范围广，既能够用于小载荷的测量，也可以用于大型结构的大载荷测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的俯视图

图3是图1中薄壁圆筒1沿圆周方向展开的电阻应变片布片图

图4是本发明测量X方向力的应变片组桥图

图5是本发明测量Y方向力的应变片组桥图

图6是本发明测量Z方向力的应变片组桥图

图7是本发明测量X方向弯矩的应变片组桥图

图8是本发明测量Y方向弯矩的应变片组桥图

图9是本发明测量Z方向扭矩的应变片组桥图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。参见图1至图3，本发明提供一种薄壁圆筒结构的多分量力传感器，薄壁圆筒1两端有法兰盘2，法兰盘2与薄壁圆筒1可以是一体的，也可以通过其它方式连接。法兰盘2上开有安装孔3以便于与其它部件装配，安装孔3可以是光孔，也可以是螺纹孔，安装孔3至少有四个。

薄壁圆筒1的筒壁上粘贴有电阻应变片和温度补偿应变片，R11、R12、R21、R22、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R41、R42、R51、R52、R61、R62、R63、R64为电阻应变片，R₀为温度补偿应变片。应变片的贴片位置和方式是：将薄壁圆筒沿径向八等分，每一条等分线相隔45°，0°等分线从上到下分别粘贴应变片R41、R61和R35，R41竖贴于薄壁圆筒中部偏上位置，R61逆时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒的中部，R35横贴于薄壁圆筒底部偏上位置；45°等分线上是R36竖贴于薄壁圆筒底部偏上位置；90°等分线从上到下分别粘贴应变片R11、R51、R62、R12和R36，R11竖贴于薄壁圆筒上部偏下位置，R51竖贴于薄壁圆筒中部偏上位置，R62顺时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒的中部，R12竖贴于薄壁圆筒中部偏下位置，R36横贴于薄壁圆筒底部偏上位置；135°等分线上是R37竖贴于薄壁圆筒底部偏上位置；180°等分线从上到下分别粘贴应变片R21、R42、R63，R22和R37，R21竖贴于薄壁圆筒上部偏下位置，R42竖贴于薄壁圆筒中部偏上位置，R63逆时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒的中部，R22竖贴于薄壁圆筒中部偏下位置，R37横贴于薄壁圆筒底部偏上位置；225°等分线上是R34竖贴于薄壁圆筒底部偏上位置；270°等分线从上到下分别粘贴应变片R52、R64和R38，R52竖贴于薄壁圆筒中部偏上位置，R64顺时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒的中部，R38横贴于薄壁圆筒底部偏上位置；-45°等分线上是R31竖贴于薄壁圆筒底部偏上位置；R11、R21贴于薄壁圆筒上部偏下的同一高度，R41、R51、R42、R52贴于薄壁圆筒[1]中部偏上的同一高度，R61、R62、R63、R64贴于薄壁圆筒中部的同一高度，R12、R22贴于薄壁圆筒中部偏下的同一高度，R31、R35、R32、R36、R33、R37、R34、R38贴于薄壁圆筒底部偏上的同一高度。电阻应变片在薄壁圆筒1上的粘贴位置可以粘贴在薄壁圆筒1的外壁上，也可以贴在薄壁圆筒1的内壁上。

按图4至图9对应变片进行组桥，测量X方向力的测量桥路由应变片R11、R12和两个温度补偿应变片R₀组成桥臂[11]、桥臂[12]、桥臂[13]、桥臂[14]，桥臂[11]的一端与桥臂[14]的一端连接成一个输入端，桥臂[12]的一端与桥臂[13]的一端连接成另一个输入端，桥臂[11]的另一端与桥臂[12]的另一端接连成一个输出端，桥臂[13]的另一端与桥臂[14]的另一端连接成另一个输出端；

测量Y方向力的测量桥路由应变片R21、R22和两个温度补偿应变片R₀组成桥臂[21]、桥臂[22]、桥臂[23]、桥臂[24]，桥臂[21]的一端与桥臂[24]的一端连接成一个输入端，桥臂[22]的一端与桥臂[23]的一端连接成另一个输入端，桥臂[21]的另一端与桥臂[22]的另一端接连成一个输出端，桥臂[23]的另一端与桥臂[24]的另一端连接成另一个输出端；

测量Z方向力的测量桥路由应变片R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38组成，R31和R32串联组成桥臂[31]、R33和R34串联组成桥臂[32]、R35和R36串联组成桥臂[33]、R37和R38串联组成桥臂[34]，桥臂[31]的一端与桥臂[34]的一端连接成一个输入端，桥臂[32]的一端与桥臂[33]的一端连接成另一个输入端，桥臂[31]的另一端与桥臂[32]的另一端接连成一个输出端，桥臂[33]的另一端与桥臂[34]的另一端连接成另一个输出端；

测量X方向弯矩的测量桥路由应变片R41、R42和两个温度补偿应变片R₀组成桥臂[41]、桥臂[42]、桥臂[43]、桥臂[44]，桥臂[41]的一端与桥臂[44]的一端连接成一个输入端，桥臂[42]的一端与桥臂[43]的一端连接成另一个输入端，桥臂[41]的另一端与桥臂[42]的另一端接连成一个输出端，桥臂[43]的另一端与桥臂[44]的另一端连接成另一个输出端；

测量Y方向弯矩的测量桥路由应变片R51、R52和两个温度补偿应变片R₀组成桥臂[51]、桥臂[52]、桥臂[53]、桥臂[54]，桥臂[51]的一端与桥臂[54]的一端连接成一个输入端，桥臂[52]的一端与桥臂[53]的一端连接成另一个输入端，桥臂[51]的另一端与桥臂[52]的另一端接连成一个输出端，桥臂[53]的另一端与桥臂[54]的另一端连接成另一个输出端；

测量Z方向扭矩的测量桥路由应变片R61、R62、R63、R64和四个温度补偿应变片R₀组成，R61和R62串联组成桥臂[61]、R63和R64串联组成桥臂[62]、两个R₀串联组成桥臂[63]、另两个R₀串联组成桥臂[64]，桥臂[61]的一端与桥臂[64]的一端连接成一个输入端，桥臂[62]的一端与桥臂[63]的一端连接成另一个输入端，桥臂[61]的另一端与桥臂[62]的另一端接连成一个输出端，桥臂[63]的另一端与桥臂[64]的另一端连接成另一个输出端。

测量前分别对多分量力传感器进行各测量方向上的灵敏度系数进行标定，标定后便可以测量作用在法兰盘端面上的矢量力沿空间三个直角坐标轴方向的分量力和绕三坐标轴的力矩分量。

Claims

1.一种多分量力传感器，包括应变片[4]和由应变片[4]组成的测量桥路，其特征在于：所述传感器是薄壁圆筒[1]结构，薄壁圆筒[1]的两端有与其它结构对接安装的法兰盘[2]，法兰盘[2]上开有安装孔[3]，在薄壁圆筒[1]壁上粘贴有电阻应变片和温度补偿应变片。

2.根据权利要求1所述的多分量力传感器，其特征在于：所述测量桥路由应变片[4]组成，应变片[4]包括电阻应变片R11、R12、R21、R22、R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、R41、R42、R51、R52、R61、R62、R63、R64和十二个温度补偿应变片R₀。

3.根据权利要求1或2所述的多分量力传感器，其特征在于：所述测量桥路[5]的组桥方式是：

测量X方向力的测量桥路由应变片R11、R12和两个温度补偿应变片R₀组成桥臂[11]、桥臂[12]、桥臂[13]、桥臂[14]，桥臂[11]的一端与桥臂[14]的一端连接成一个输入端，桥臂[12]的一端与桥臂[13]的一端连接成另一个输入端，桥臂[11]的另一端与桥臂[12]的另一端接连成一个输出端，桥臂[13]的另一端与桥臂[14]的另一端连接成另一个输出端；

4.根据权利要求3所述的多分量力传感器，其特征在于：应变片的贴片位置和方式是：将薄壁圆筒[1]沿径向八等分，每一条等分线相隔45度，0°等分线从上到下分别粘贴应变片R41、R61和R35，R41竖贴于薄壁圆筒[1]中部偏上位置，R61逆时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒[1]的中部，R35横贴于薄壁圆筒[1]底部偏上位置；45°等分线上是R36竖贴于薄壁圆筒[1]底部偏上位置；90°等分线从上到下分别粘贴应变片R11、R51、R62、R12和R36，R11竖贴于薄壁圆筒[1]上部偏下位置，R51竖贴于薄壁圆筒[1]中部偏上位置，R62顺时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒[1]的中部，R12竖贴于薄壁圆筒[1]中部偏下位置，R36横贴于薄壁圆筒[1]底部偏上位置；135°等分线上是R37竖贴于薄壁圆筒[1]底部偏上位置；180°等分线从上到下分别粘贴应变片R21、R42、R63，R22和R37，R21竖贴于薄壁圆筒[1]上部偏下位置，R42竖贴于薄壁圆筒[1]中部偏上位置，R63逆时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒[1]的中部，R22竖贴于薄壁圆筒[1]中部偏下位置，R37横贴于薄壁圆筒[1]底部偏上位置；225°等分线上是R34竖贴于薄壁圆筒[1]底部偏上位置；270°等分线从上到下分别粘贴应变片R52、R64和R38，R52竖贴于薄壁圆筒[1]中部偏上位置，R64顺时针旋转45°斜贴于薄壁圆筒[1]的中部，R38横贴于薄壁圆筒[1]底部偏上位置；-45°等分线上是R31竖贴于薄壁圆筒[1]底部偏上位置；R11、R21贴于薄壁圆筒[1]上部偏下的同一高度，R41、R51、R42、R52贴于薄壁圆筒[1]中部偏上的同一高度，R61、R62、R63、R64贴于薄壁圆筒[1]中部的同一高度，R12、R22贴于薄壁圆筒[1]中部偏下的同一高度，R31、R35、R32、R36、R33、R37、R34、R38贴于薄壁圆筒[1]底部偏上的同一高度。

5.根据权利要求4所述的多分量力传感器，其特征在于：电阻应变片[4]在薄壁圆筒[1]上的粘贴位置可以粘贴在薄壁圆筒[1]内壁上。

6.根据权利要求1所述的多分量力传感器，其特征在于：安装孔[3]可以是光孔，也可以是螺纹孔。

7.根据权利要求1所述的多分量力传感器，其特征在于：薄壁圆筒[1]与法兰盘[2]可以是一体的。