CN101825507B - 双弯曲梁结构多轴力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双弯曲梁结构多轴力传感器，包括上盖，底座，连接盘，压盖，弹性弯曲梁，贴在弹性弯曲梁上的电阻应变片。上盖下面固定连接连接盘，上盖与底座之间放置二个弹性弯曲梁，且二个弹性弯曲梁水平交叉布置，并用压盖固定在底座上。该传感器利用两个弯曲梁的结构作为传感器的弹性元件，并在相应的截面位置上粘贴电阻应变片完成三个力(X、Y、Z轴)与一个扭矩(绕Z轴)测量的传感器，在主载荷作用下只有对应的弯曲梁产生变形，具有结构简单，测量精度高，使用方便等特点。

Description

双弯曲梁结构多轴力传感器

技术领域

本发明涉及一种多轴力传感器，尤其是一种利用两个弯曲梁的结构作为传感器的弹性元件的多轴力传感器。 

背景技术

现有的应变式多轴力传感器的结构复杂，整体弹性梁的加工难度大，精度要求高而且不易控制，多个梁带来的加工和装配误差大。有些结构还有互换性差的问题。并且有些还须建立烦琐的解析方程与模型，使得测试方法复杂，正确性难以保证。 

发明内容

本发明是要提供一种双弯曲梁结构多轴力传感器，该传感器利用两个弯曲梁的结构作为传感器的弹性元件，并在相应的截面位置上粘贴电阻应变片完成三个力(X、Y、Z轴)与一个扭矩(绕Z轴)测量的传感器，在主载荷作用下只有对应的弯曲梁产生变形，具有结构简单，测量精度高，使用方便等特点。 

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种双弯曲梁结构多轴力传感器，包括上盖，底座，连接盘，压盖，弹性弯曲梁，贴在弹性弯曲梁上的电阻应变片，其特点是：上盖下面固定连接连接盘，上盖与底座之间放置二个弹性弯曲梁，且二个弹性弯曲梁水平交叉布置，并用压盖固定在底座上。 

上盖为圆柱体，其外径D₁＝(1.3～1.5)D₀，高度H₁＝D₁(1/8～1/10)，与连接盘连接处凸台外径D₃＝D₁/(2.5～3)，高度H₂＝B₁(2～2.5)。 

弹性弯曲梁由为中间测量体和两端支撑点构成，其中，测量体为矩形，两端支撑点为圆柱形，测量体高度与宽度相同为B₁＝4～10mm，测量体中间开有宽度为B₁的配合槽，配合槽深度B₂＝B₁/2，两端支撑点圆柱的直径d₁＝B₁(1.5～2)，厚度1＝3～8mm，弹性弯曲梁的总长L＝D₁(0.5～0.7)。 

连接盘为圆柱体，在圆柱体上设有弹性弯曲梁的安装槽与同上盖的连接孔，安装槽的高度与宽度相同为B₁，连接盘的高度H₂＝B₁(2～2.5)。 

压盖为圆柱体，在圆柱体上设有四个半圆孔与八个紧固螺栓孔，半圆孔直径d＝d₁+(0.1~0.2)mm，八个紧固螺栓孔D₁₁＝M₂+0.5mm。 

压盖外径D₈＝L(1.02~1.05)，内径D₉＝D₈-(2.2~2.4)l₁，高度H₄＝(2~2.5)d₁。 

底座为圆柱体，在圆柱体上设有四个为圆弧形安装连接块，四个底座安装螺栓孔与八个紧固螺栓孔，每个安装连接块上开有半圆孔，圆弧形安装连接块的两侧夹角为64°，四个安装连接块均匀分布，四个安装连接块上的八个紧固螺栓孔均匀分布并与中心线夹角16°。 

电阻应变片在弹性弯曲梁的中间测量体上的粘贴位置为上、下、左、右的边缘表面并在同一截面上，而且定位在弹性弯曲梁的中性层的位置上，电阻应变片组成的测量电桥为双臂半桥的形式。 

本发明的有益效果是： 

1.该传感器的设计是利用两个弯曲梁的结构作为传感器的弹性元件，并在相应的截面位置上粘贴电阻应变片完成三个力(X、Y、Z轴)与一个扭矩(绕Z轴)测量的传感器。 

2.采用组合式的结构，分为上盖、传感器弹性体(弯曲梁)、连接盘、压盖、底座等构成。 

3.传感器弹性体(弯曲梁)采用两端为圆柱形中间为矩形结构。两端为圆柱形可以使得一个传感器弹性体(弯曲梁)在载荷的作用下与上盖、压盖的连接处自由移动，从而保证另一传感器弹性体(弯曲梁)能很好的承受载荷。 

4.在主载荷作用下只有对应的弯曲梁产生变形。该结构采用双弯曲梁的形式，使得在FX或FY轴载荷作用下对应的弯曲梁产生相应的弯曲变形，在梁的相应位置布置的电阻应变片，可以测量其载荷的值。而另一个梁由于不产生变形，即无测量值。当FZ或MZ作用时，两个弯曲梁同时变形，同样在梁的相应位置布置的电阻应变片，可以测量其载荷的值。 

5.由于采用了两个弯曲梁的结构，避免了整体梁的加工精度问题与由多个梁带来的加工和装配误差。 

6.通过简单的分析电路或检测程序可以区别对应的载荷性质，无须建立烦琐的解析方程与模型，使得测试方法更为简单与正确。 

7.适当调整应变片的组桥方式可以将四轴力增加为六轴力测量，既三组坐标的力与扭矩。 

8.传感器的标定十分方便。 

附图说明

图1是本发明的结构主视图； 

图2是图1的左视图； 

图3是图1的俯视图； 

图4是图1中沿A-A的剖视图； 

图5是上盖的主剖视图； 

图6是图5的俯视图； 

图7是弹性弯曲梁的主视图； 

图8是图7的俯视图； 

图9是图7的左视图； 

图10是连接盘主视图； 

图11是图10的俯视图； 

图12是压盖的主视图； 

图13是图12的俯视图； 

图14是底座的主视图； 

图15是图14的俯视图； 

图16是载荷坐标与贴片位置示意图。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。 

如图1至图4所示，本发明的双弯曲梁结构多轴力传感器，包括上盖1，底座2，连接盘3，压盖4，弹性弯曲梁5，贴在弹性弯曲梁上的电阻应变片。 

上盖1下面固定连接连接盘3，上盖1与底座2之间放置二个弹性弯曲梁5， 且二个弹性弯曲梁5水平交叉布置，并用压盖4固定在底座2上。 

本发明的双弯曲梁型多轴力传感器结构特点与工作原理： 

该传感器的设计是利用两个弯曲梁的结构作为传感器的弹性元件，并在相应的截面位置上粘贴电阻应变片完成三个力(X、Y、Z轴)与一个扭矩(绕Z轴)测量的传感器。其结构特点是在主载荷作用下只有对应的弯曲梁产生变形。 

弯曲梁采用测量体为矩形，用于应变片的粘贴。两端支撑点为圆柱形，用于承受载荷并在非对应载荷的作用时不产生约束。中间的配合槽是将两个弯曲梁相互配合在一起。 

上盖1与底座2分别安置在对应的构件上。其上设有安装螺栓孔。 

压盖4的作用是将弯曲梁5与与底座2连接在一起。螺栓拧紧后底座压盖4与底座2形成的圆孔与弯曲梁5的圆柱体留有一定的间隙。 

连接盘3用于将底座2与弯曲梁5一起与上盖1连接。 

该结构采用双弯曲梁的形式，使得在F_X或F_Y轴载荷作用下对应的弯曲梁产生相应的弯曲变形，在弯曲梁5的相应位置布置的电阻应变片，可以测量其载荷的值。而另一个弯曲梁5则不产生变形，即无测量值。当F_Z或M_Z作用时，两个弯曲梁5同时变形，同样在弯曲梁5的相应位置布置的电阻应变片，可以测量其载荷的值。 

如图5，6所示，传感器上盖1为圆柱体。其外径由被测受力件大小决定，外径D₁＝(1.3~1.5)D₀。D₀为外部受力构件的截面尺寸。安装螺栓孔中心圆位置D₂＝(D₁+D₀)/2，高度H₁＝D₁(1/8~1/10)。与传感器连接盘连接处凸台外径D₃＝D₁/(2.5~3)，高度H₂＝B₁(2~2.5)。安装螺栓M₁＝D₁(1/8~1/10)。安装螺栓孔D₄＝M₁+(1~1.2)mm。与传感器连接盘连接处螺栓孔中心圆位置D₅＝D₃/(1.3~1.5)。与传感器连接盘连接处螺栓M₂＝D₁/(8~10)。与传感器连接盘连接处螺栓孔D₆＝M₂+(1~1.2)mm。与传感器连接盘连接处螺栓沉孔D₇＝D₆+(1.5~2)mm，深度H₃＝H₁(0.3~0.5)。由铝合金或钢材制成。 

如图7至图9所示，传感器弹性弯曲梁5：采用测量体为矩形，两端支撑点为圆柱形。弯曲梁高度与宽度相同，B₁＝4~10mm。中间的配合槽的宽度B₁，深度B₂＝B₁/2。公差配合h7。弯曲梁两端支撑点圆柱的直径d₁＝B₁(1.5～2)。1＝3～8mm。弯曲梁的总长L＝D₁(0.5～0.7)。常用的传感器弹性体材料。

如图10，11所示，传感器连接盘3为圆柱体，在圆柱体上设有弯曲梁的安装槽与同上盖的连接孔。安装槽的高度与宽度相同为B₁。公差配合H7。连接盘的外径D₃。连接盘的高度H₂＝B₁(2～2.5)。螺纹孔M₂，由铝合金或钢材制成。 

如图12，13所示，压盖4为圆柱体。在圆柱体上设有四个半圆孔与八个紧固螺栓孔。半圆孔直径d＝d₁+(0.1～0.2)mm。八个紧固螺栓孔D₁₁＝M₂+0.5mm。与底座安装连接块配钻。底座压盖外径D₈＝L(1.02～1.05)。底座压盖内径D₉＝D₈-(2.2～2.4).l₁。底座压盖高度H₄＝(2～2.5)d₁。八个紧固螺栓孔中心圆D₁₀＝(D₈+D₉)/2。与中心线夹角32°，并由铝合金或钢材制成。 

如图14，15所示，底座2：在圆柱体上设有四个沿圆周均匀分布为圆弧形安装连接块、四个底座安装螺栓孔与八个紧固螺栓孔。底座外径D₁。安装螺栓孔中心圆位置D₂。螺栓孔大小D4。高度H₅＝2H₂。安装连接块设有四个半圆孔。半圆孔直径d。安装连接块外径D₈。安装连接块内径D₉。安装连接块高度H₅＝2H₂。。安装连接块八个紧固螺栓孔均匀分布并与中心线夹角16°。紧固螺栓孔中心圆位置D₁₀。紧固螺栓孔位置与中心线夹角64°。底座高度H₁。由铝合金或钢材制成。 

如图16所示，电阻变形梁应变片的粘贴位置： 

传感器弹性弯曲梁5是传感器的核心元件.它直接承受载荷的全部。而电阻应变片就是利用变形梁的变形将应变量转换成电量来进行测试的。所以应变片的粘贴位置的选择是十分重要的。根据力学原理可以知道，一个矩形梁在受到弯曲力作用时，其正应力的大小沿截面的高度呈线性变化。中性轴上各点为零，上、下边缘处各点为最大。利用这一特点在应变片的粘贴位置的选择为上、下、左、右的边缘表面并在同一截面上，而且定位在梁的中性层的位置上。测量电桥为双臂半桥的形式。 

(1)F_Z力——通过力学分析可以知道在F_Z力的作用下，两个传感器弹性体(弯曲梁)均沿着Z方向产生弯曲变形，A方向上的上、下表面产生最大拉、压应力，而B方向上的左、右两片由于在中性层上所以应力为零。因此X、Y两个梁只有A面上的应变片有输出。 

(2)FY力——通过力学分析可以知道在FY力的作用下，传感器弹性体(弯曲梁)Y沿着Z方向产生弯曲变形，B方向上的左、右表面产生最大拉、压应力，而A方向上的两片由于在中性层上所以应力为零。因此Y梁只有B面上的应变片有输出。而传感器弹性体(弯曲梁)X由于两端的圆形头部在Y向可以自由移动，(无约束)，因此不受FY作用。 

(3)FX力——通过力学分析可以知道在FX力的作用下，传感器弹性体(弯曲梁)1沿着X方向产生弯曲变形，B方向上的左、右表面产生最大拉、压应力，而A方向上的两片由于在中性层上所以应力为零。因此X梁只有B面上的应变片有输出。而传感器弹性体(弯曲梁)Y由于两端的圆形头部在X向可以自由移动，(无约束)，因此不受FX作用。 

(4)MZ力矩——通过力学分析可以知道在MZ力矩的作用下，两个传感器弹性体(弯曲梁)均沿着绕Z方向转动产生的弯曲变形，B方向上的左、右表面产生最大拉、压应力，而A方向上的上、下两片由于在中性层上所以应力为零。因此X、Y两个梁只有B面上的应变片有输出。 

当传感器承受Z方向的载荷F_Z时，输出信号为： 

1A1-(-1A2)+1A3-(-1A4)+2A1-(-2A2)+2A3-(-2A4) 

当传感器承受Y方向的载荷F_Y时，输出信号为： 

2B1-(-2B2)+2B3-(-2B4) 

当传感器承受X方向的载荷F_X时，输出信号为 

1B1-(-1B2)+1B3-(-1B4) 

当传感器承受绕Z方向旋转的载荷M_Z时，输出信号为： 

2B1-(-2B2)+2B4-(-2B3)+1B1-(-1B2)+1B4-(-1B3)，与F_Y和F_X载荷作用时比较： 

由表可以得知在F_X与F_Y作用下的B3、B4与M_Z作用下的B3、B4在输出有着极性上的区别，因此可以用简单的分析电路或检测程序加以判断。 

Claims (5)

1.一种双弯曲梁结构多轴力传感器，包括上盖(1)，底座(2)，连接盘(3)，压盖(4)，弹性弯曲梁(5)，贴在弹性弯曲梁上的电阻应变片，其特征在于：所述上盖(1)下面固定连接连接盘(3)，上盖(1)与底座(2)之间放置二个弹性弯曲梁(5)，且二个弹性弯曲梁(5)水平交叉布置，并用压盖(4)固定在底座(2)上，所述的上盖(1)为圆柱体，其上设有安装螺栓孔，所述弹性弯曲梁(5)由中间测量体和两端支撑点构成，其中，测量体为矩形体，两端支撑点为圆柱形，所述连接盘(3)为圆柱体，在所述的连接盘(3)上设有弹性弯曲梁(5)的安装槽和与上盖(1)连接的孔，所述压盖(4)为圆柱体，在所述的压盖(4)上设有四个半圆孔与八个紧固螺栓孔，所述底座(2)为圆柱体，在所述的底座(2)上设有四个圆弧形安装连接块，四个底座安装螺栓孔与八个紧固螺栓孔，每个安装连接块上开有半圆孔。

2.根据权利要求1所述的双弯曲梁结构多轴力传感器，其特征在于：所述上盖(1)的外径D₁＝(1.3～1.5)D₀，所述D₀为外部受力构件的截面尺寸，上盖(1)高度H₁＝D₁(1/8～1/10)，与连接盘(3)连接处凸台外径D₃＝D₁/(2.5～3)，连接盘(3)高度H₂＝B₁(2～2.5)，所述B₁为弯曲梁中间测量体的高度或宽度。

3.根据权利要求1所述的双弯曲梁结构多轴力传感器，其特征在于：所述弹性弯曲梁(5)的中间测量体高度与宽度相同为B₁＝4～10mm，测量体中间开有宽度为B₁配合槽，配合槽深度B₂＝B₁/2，所述弹性弯曲梁(5)的两端支撑点圆柱的直径d₁＝B₁(1.5～2)，厚度l＝3～8mm，弹性弯曲梁的总长L＝D₁(0.5～0.7)，所述D₁为传感器上盖的外径。

4.根据权利要求1所述的双弯曲梁结构多轴力传感器，其特征在于：所述连接盘(3)的弹性弯曲梁(5)的安装槽的高度与宽度相同为B₁，所述连接盘(3)的高度H₂＝B₁(2～2.5)。

5.根据权利要求3所述的双弯曲梁结构多轴力传感器，其特征在于：所述压盖(4)上的四个半圆孔直径d＝d₁+(0.1～0.2)mm，八个紧固螺栓孔D₁₁＝M₂+0.5mm；压盖外径D₈＝L(1.02～1.05)，内径D₉＝D₈-(2.2～2.4)·l，高度H₄＝(2～2.5)d₁，M₂为上盖与传感器连接盘连接处螺栓的螺纹直径，M₂＝D₁/(8～10)；L为弹性弯曲梁的总长，L＝D₁(0.5～0.7)。

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