CN101858801A

CN101858801A - 双向称梁型多轴力传感器

Info

Publication number: CN101858801A
Application number: CN 201010183957
Authority: CN
Inventors: 胡飒英; 石钢; 杨斐; 沈旭栋; 徐华
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2010-10-13

Abstract

本发明涉及一种双向称梁型多轴力传感器，传感器的弹性元件为对称梁结构，上承载与连接面和下承载与连接面结构相同为圆环形体，上承载与连接面下面设有为矩形截面的Y向受力面，且矩形截面用圆弧与上承载与连接面过度连接，下承载与连接面上面设有为矩形截面的X向受力面，与Y向受力面成垂直交差布置，且矩形截面用圆弧与下承载与连接面过度连接，X向受力面与Y向受力面之间设有为圆形截面的扭矩M_Z受力面，且扭矩M_Z受力面用圆弧与向受力面过度连接；该结构使得在主轴载荷作用下其余轴向的抗载荷断面系数有所提高，提高了传感器的抗偏载能力与测量时的抗干扰能力，一体多截面结构，免去了组合件带来的由加工、装配、互换性等因素带来的测量误差。

Description

双向称梁型多轴力传感器

技术领域

本发明涉及一种多轴力传感器，尤其是一种对称梁型四轴力传感器。

背景技术

现有的多轴力或四轴力应变式传感器的结构复杂，需要多截面和多个组合件进行结构组合，弹性体的受力与抗偏载能力的协调、加工、装配、互换性等因素都会带来一定的测量误差。

发明内容

本发明是要提供一种双向称梁型多轴力传感器，该传感器利用对称梁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)的测量，该结构采用双向对称梁的形式，使得在主轴载荷作用下其余轴向的抗载荷断面系数有理想的提高，大大提高了传感器的抗偏载能力与测量时的抗干扰能力，并使得传感器的结构更为紧凑，该传感器为一体多截面结构，免去了组合件带来的由加工、装配、互换性等因素带来的测量误差。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种双向称梁型多轴力传感器，包括传感器的弹性元件，电阻应力片，其特点是：传感器的弹性元件为对称梁结构，上承载与连接面和下承载与连接面结构相同为圆环形体，上承载与连接面下面设有为矩形截面的Y向受力面，且矩形截面用圆弧与上承载与连接面过度连接，下承载与连接面上面设有为矩形截面的X向受力面，与Y向受力面成垂直交差布置，且矩形截面用圆弧与下承载与连接面过度连接，X向受力面与Y向受力面之间设有为圆形截面的扭矩M_Z受力面，且扭矩M_Z受力面用圆弧与X，Y向受力面过度连接；X、Y轴力的测量时，X向受力面的截面和Y向受力面的截面上对称布置电阻应力；，测量扭矩时，扭矩M_Z受力面的截面上布置一组测量绕Z轴的扭矩电阻应变片，且电阻应变片粘贴在截面的中间位置，沿圆周对称分布。

上承载与连接面的圆环形体外径D₁＝(1.3~1.5)D₀，高度H₁＝D₁(1/6~1/8)，中间设有一个两端为圆形的矩形槽，矩形槽两端圆形内径D＝D₂/(1/5~1/6)，矩形槽长度L＝(0.7~0.8)B₁，圆环面上开有四个螺栓孔，且四个螺栓孔均匀分布在圆截面上，四个螺栓孔的中心位置基圆D₃＝(D1+D0)/2，螺栓大小M＝D₁(1/8~1/14)。

Y向受力面的矩形截面与上承载与连接面圆弧过度的圆弧R＝(2~5)mm；矩形截面宽度B₁＝(0.5~0.7)D₁，厚度B₂＝(0.4~0.6)B₁，高度H₂＝(0.6~0.7)B₁。

扭矩M_Z受力面的圆形截面与Y、X向受力面圆弧过度的圆弧R＝(1.5~2.5)mm，圆形截面的直径D₂＝(1.1~1.2)B₁，高度H₁＝D₁(1/6~1/8)。

本发明的有益效果是：

1.该传感器的设计是利用对称梁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)的测量。该结构采用双向对称梁的形式，既截面1与截面2成垂直交差布置。使得在主轴载荷作用下其余轴向的抗载荷断面系数有理想的提高，大大提高了传感器的抗偏载能力与测量时的抗干扰能力，并使得传感器的结构更为紧凑。该传感器为一体多截面结构，免去了组合件带来的由加工、装配、互换性等因素带来的测量误差。

2.根据力学特性，主受力截面的抗载系数大大小于其它截面，所以认为所有变形均集中在主受力截面上。中间的空心槽可以在截面面积不变即充分保证传感器足够的灵敏度的情况下充分增加外部轮廓尺寸，使得传感器整体受力的稳定性大为提高。过度圆弧可以避免应力集中现象对应变片工作区域的影响。

3.利用合理的应变片布置与电桥特性来保证只有主受力截面的测量桥路有输出。

4.适当调整应变片与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。

5.一体化的结构大大降低了组合件带来的由加工、装配、互换性等因素带来的测量误差。

6.结构简单易于加工，使传感器的制作成本大大的降低。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是图1的左剖视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1沿A-A的剖视图；

图5是本发明的截面1上正反面应变片布置图；

图6是本发明的截面2上正反面应变片布置图；

图7是本发明的截面2上正反面应变片的电桥组成图；

图8是本发明的截面3上正反面应变片布置图；

图9是本发明的截面3上正反面应变片布的电桥组成图。

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。

本发明的双向称梁型多轴力传感器结构与特点：

该传感器的设计是利用对称梁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)的测量。该结构采用双向对称梁的形式，使得在主轴载荷作用下其余轴向的抗载荷断面系数有理想的提高，大大提高了传感器的抗偏载能力与测量时的抗干扰能力，并使得传感器的结构更为紧凑。该传感器为一体多截面结构，免去了组合件带来的由加工、装配、互换性等因素带来的测量误差。

如图1至图4所法，本发明的双向称梁型多轴力传感器，包括传感器的弹性元件，电阻应力片。

传感器的弹性元件为对称梁结构，上承载与连接面a和下承载与连接面f结构相同为圆环形体，上承载与连接面a下面设有为矩形截面的Y向受力面c，且矩形截面用圆弧与上承载与连接面a过度连接，下承载与连接面f上面设有为矩形截面的X向受力面e，与Y向受力面c成垂直交差布置，且矩形截面用圆弧与下承载与连接面f过度连接，X向受力面e与Y向受力面c之间设有为圆形截面的扭矩M_Z受力面d，且扭矩M_Z受力面d用圆弧与X，Y向受力面e，c过度连接；X、Y轴力的测量时，X向受力面的截面1和Y向受力面的截面2上对称布置电阻应力；，测量扭矩时，扭矩M_Z受力面的截面3上布置一组测量绕Z轴的扭矩电阻应变片，且电阻应变片粘贴在截面3的中间位置，沿圆周对称分布。

一，本发明的具体结构：

a---上承载与连接面，圆环形。直接承受载荷或与受力件连接。常用传感器弹性元件材料。其外径由被测受力件大小决定，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D₃＝(D₁+D₀)/2。H₁＝D₁(1/6~1/8)。中间有一矩形槽两端为圆形，其内径D＝D₂/(1/5~1/6)，长度为L＝(0.7~0.8)B₁。

b---螺栓孔。四个螺栓孔均匀分布在圆截面上，用于与受力件连接。由受力件大小与紧固要求决定。D₃＝(D₁+D₀)/2。，螺栓大小M＝D₁(1/8~1/14)。

c---Y向受力面，矩形截面，用圆弧与上承载与连接面过度。圆弧R＝(2~5)mm。用于测量由Y向载荷产生的F_Y力。宽度B₁＝(0.5~0.7)D₁，厚度B₂＝(0.4~0.6)B₁，高度H₂＝(0.6~0.7)B₁。

d---扭矩M_Z受力面，圆形截面。用圆弧与Y、X向受力面过度，圆弧R＝(1.5~2.5)mm。用于测量由绕Z轴向载荷产生的扭矩M_Z。其直径D₂＝(1.1~1.2)B₁。H₁＝D₁(1/6~1/8)。

e----X向受力面，结构同Y向受力面，与Y向受力面成垂直交差布置。

f---下承载与连接面，结构与上承载与连接面相同。

二.传感器的测量原理：

该传感器利用三个受力截面分别测量来自X、Y、Z三个方向的力。利用力学原理与结构特点与应变片的合理布置和电桥桥路的组成(图5至图9)，使得只有施加的主轴力在该对应的截面上的得以测量，而其余截面上的信号被抵消。

1.X轴力的测量：

当传感器受到X轴力的作用时，由于结构特点，截面2与截面3的应变远远小于截面1，因此输出主要在截面1上。同时由于应变片的合理布置和电桥桥路的组成，使得只有截面1上的测量桥路有输出，具体如下(R₁~R₁₂阻值相同)：在F_X的作用下，截面1：R₁、R₃为+，R₂、R₄为-。

截面2：R₅、R₆为+，R₇、R₈为-，R₉、R₁₂为+，R₁₀、R₁₁为-根据电桥输出特性截面1：

ΔR＝(ΔR₁)-(-ΔR₂)+(ΔR₃)-(-ΔR₄)＝4ΔR₁

根据电桥输出特性截面2：ΔR＝(ΔR₅)-(ΔR₆)+(-ΔR₇)-(-ΔR₈)＝0

ΔR＝(ΔR₉)-(-ΔR₁₀)+(-ΔR₁₁)-(ΔR₁₂)＝0

所以只有截面1上的测量桥路有输出。

同样在F_Y的作用下，截面1：R₁、R₂为+，R₃、R₄为-。

截面2：R₅、R₇为+，R₆、R₈为-，R₉、R₁₂为+，R₁₀、R₁₁为-

根据电桥输出特性截面1：ΔR＝(ΔR₁)-(ΔR₂)+(-ΔR₃)-(-ΔR₄)＝0

根据电桥输出特性截面2：

ΔR＝(ΔR₅)-(-ΔR₆)+(ΔR₇)-(-ΔR₈)＝4ΔR₁

ΔR＝(ΔR₉)-(-ΔR₁₀)+(-ΔR₁₁)-(ΔR₁₂)＝0

所以只有截面2上的R₅~R₈测量桥路有输出。

在扭矩M_Z的作用下截面1截面2的应变片由于对称布置的关系因此均无输出。

此时，应变片粘贴在H₂的中间位置，沿B₁长度4等分中间布置(图5)。

2.Y轴力的测量

应变片9~12粘贴在H₂的上1/4位置，沿B₁长度4等分分布。应变片5~8粘贴在H₂的下1/4位置，沿B₁长度4等分分布(图6)。

3.扭矩测量：

截面3是测量扭矩用的。在截面3上布置了一组测量绕Z轴的扭矩应变片，应变片粘贴在H₁的中间位置，沿圆周对称分布(图8，9)。

在扭矩M_Z的作用下截面1截面2均无输出，只有截面3上的测量桥路有输出。

ΔR＝(ΔR₁’)-(-ΔR₂’)+(ΔR₃’)-(-ΔR₄’)＝4ΔR₁’。

Claims

1.一种双向称梁型多轴力传感器，包括传感器的弹性元件，电阻应力片，其特征在于：所述传感器的弹性元件为对称梁结构，上承载与连接面(a)和下承载与连接面(f)结构相同为圆环形体，上承载与连接面(a)下面设有为矩形截面的Y向受力面(c)，且矩形截面用圆弧与上承载与连接面(a)过度连接，下承载与连接面(f)上面设有为矩形截面的X向受力面(e)，与Y向受力面(c)成垂直交差布置，且矩形截面用圆弧与下承载与连接面(f)过度连接，X向受力面(e)与Y向受力面(c)之间设有为圆形截面的扭矩M_Z受力面(d)，且扭矩M_Z受力面(d)用圆弧与X，Y向受力面(e，c)过度连接；X、Y轴力的测量时，X向受力面的截面(1)和Y向受力面的截面(2)上对称布置电阻应力；，测量扭矩时，扭矩M_Z受力面的截面(3)上布置一组测量绕Z轴的扭矩电阻应变片，且电阻应变片粘贴在截面(3)的中间位置，沿圆周对称分布。

2.根据权利要求1所述的双向称梁型多轴力传感器，其特征在于；所述上承载与连接面(a)的圆环形体外径D₁＝(1.3~1.5)D₀，高度H₁＝D₁(1/6~1/8)，中间设有一个两端为圆形的矩形槽，矩形槽两端圆形内径D＝D₂/(1/5~1/6)，矩形槽长度L＝(0.7~0.8)B₁，圆环面上开有四个螺栓孔，且四个螺栓孔均匀分布在圆截面上，四个螺栓孔的中心位置基圆D₃＝(D1+D0)/2，螺栓大小M＝D₁(1/8~1/14)。

3.根据权利要求1所述的双向称梁型多轴力传感器，其特征在于；所述Y向受力面(c)的矩形截面与上承载与连接面(a)圆弧过度的圆弧R＝(2~5)mm；矩形截面宽度B₁＝(0.5~0.7)D₁，厚度B₂＝(0.4~0.6)B₁，高度H₂＝(0.6~0.7)B₁。

4.根据权利要求1所述的双向称梁型多轴力传感器，其特征在于；所述扭矩M_Z受力面(d)的圆形截面与Y、X向受力面(e，c)圆弧过度的圆弧R＝(1.5~2.5)mm，圆形截面的直径D₂＝(1.1~1.2)B₁，高度H₁＝D₁(1/6~1/8)。