CN103575435A - 用于汽车后桥测试系统的三维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，属一种力传感器，所述三维力传感器中包括弹性体结构的受力部分、中间部分与固定部分，所述受力部分置于中间部分的上方，固定部分置于中间部分的下方，所述中间部分的中部附近设有呈横向的通孔，所述中间部分与固定部分之间还设有接线座，所述接线座中间部分上均贴有多个应变片，通过在弹性体结构上增设横向的通孔，有效地提高了传感器对三维力测量的精度和降低了多维力传感器的维间耦合的问题，结合在中间部分上部和下部设计的台阶结构，进一步降低维间的耦合，依靠三组应变片分别测量X轴、Y轴及Z轴方向上的力，且传感器上没有运动部件，因此灵敏度高，测量准确，固有频率高。

Description

用于汽车后桥测试系统的三维力传感器

技术领域

本发明涉及一种力传感器，更具体的说，本发明主要涉及一种用于汽车后桥测试系统的三维力传感器。

背景技术

随着科学技术的发展，三维力传感器已经用在各行各业，1996年，上海第二医科大学使用三维测力平台测量6例股骨头坏死病人术前术后步行三维步行足－地接触力，并与正常人做比较。采用箔式电阻应变片粘贴在金属弹性体上，制成三维力传感器。用4个这样的传感器分别在四角支撑起力板，配合动态应变仪和数据采集卡，组成整个实验测试系统。2002年，合肥智能机械所孙立宁等设计出了一种新型的三维力传感器。考虑了传统力学量传感器的动力学性能和静态标定指标等特性，对其各维灵敏度及维间耦合系数等指标予以充分考虑。结构设计时做到了对所测维的力有较好的灵敏度，而对于非所测维力尽可能不灵敏，这样使维间耦合小，同时保证整个结构有足够的刚度。三个方向的力量程均为0～3000N。2005年南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所研制出用于昆虫爬行脚掌接触力测试的3维微载荷传感器阵列，该系统包括传感单元16个3维微载荷传感器，NI应变式测试系统，能够实现微小3维力的测试、数据处理，传感器的量程为±10mN，经过黄斑蠢的实验测试，该系统可以较好的测试出昆虫脚掌与不同的接触面之间的作用力大小和方向。然而目前在汽车行业的后桥测量系统的三维力测量上仍缺乏应用的测量精度，导致汽车成品的后桥存在因三维力测量精度而导致的质量缺陷，因此有必要针对三维力传感器在汽车行业的应用做进一步的改进和研究。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述不足，提供一种用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，以期望解决现有技术中汽车后桥测试系统精度不高，使得汽车成品存在因后桥三维力测量不精而导致的质量缺陷等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明所提供的一种用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，所述三维力传感器中包括弹性体结构的受力部分、中间部分与固定部分，所述受力部分置于中间部分的上方，固定部分置于中间部分的下方，所述中间部分的中部设有呈横向的通孔，所述中间部分与固定部分之间还设有接线座，所述接线座与中间部分上均贴有多个应变片，所述多个应变片分为至少三组，每组组成惠斯通电桥，用于分别测量X轴、Y轴与Z轴方向的力。

作为优选，进一步的技术方案是：所述多个应变片至少为12个，且平均分为三组，其中由R1、R2、R3、R4组成的第一惠斯通电桥位于中间部分的横向通孔两侧边的内侧和外侧，由R5、R6、R7、R8组成的第二惠斯通电桥以及由R9、R10、R11、R12组成的第三惠斯通电桥均置于接线座不同的边缘上，且同一惠斯通电桥中的应变片两两相互对称。

更进一步的技术方案是：所述多个应变片组成的惠斯通电桥的其中一端接入直流电源，另一端接入传感信号接收装置。

更进一步的技术方案是：所述传感信号接收装置中包括放大电路、数据采集电路与PC终端，用于由各个惠斯通电桥将受力产生的电压值传输至放大电路，由放大电路将电压值进行放大后经数据采集电路传输至PC终端，从而在PC终端得到三维力传感器当前的力测试值。

更进一步的技术方案是：所述受力部分与中间部分之间还设有第一台阶，所述接线座与固定部分之间还设有第二台阶。

更进一步的技术方案是：所述受力部分顶部在与中间部分的横向通孔轴向相交叉的方向上朝一侧倾斜。

更进一步的技术方案是：所述中间部分中部附近的通孔为圆形通孔，且中间部分、接线座与固定部分均为矩形体。

更进一步的技术方案是：所述受力部分的顶部设有用于与测试安装架固定的螺纹孔。

更进一步的技术方案是：所述固定部分上还设有多个圆形孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：通过在弹性体结构上增设横向的通孔，有效地提高了传感器对三维力测量的精度和降低了多维力传感器的维间耦合的问题，结合在中间部分上部和下部设有的台阶结构，进一步降低维间的耦合，依靠三组应变片分别测量X轴、Y轴及Z轴方向上的力，且传感器上没有运动部件，因此灵敏度高，测量准确，固有频率高，同时本发明所提供的一种用于汽车后桥测试系统的三维力传感器结构简单，适于安装在各类汽车后桥测试系统中测量其三维力的大小，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的结构示意图；

图2为图1的右视结构示意图；

图3为图1的俯视结构示意图；

图4为用于说明本发明另一个实施例中由应变片组成的惠斯通电桥的结构示意图。

图5为用于说明本发明再一个实施例中三维力传感器应用结构框图。

图中，1为受力部分、2为第一台阶、3为中间部分、4为横向通孔、5为第二台阶、6为固定部分、7为接线座、8为圆形孔、9为圆形孔、10为圆形孔、11为圆形孔、12为圆形孔、13为圆形孔、14为螺纹孔、15为螺纹孔、16为螺纹孔、17为螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参考图1所示，本发明的一个实施例为一种用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，在本实施例中三维力传感器中应当包括弹性体结构的受力部分1、中间部分3与固定部分6，所述受力部分1置于中间部分3的上方，固定部分6置于中间部分3的下方，所述中间部分3的中部设有呈横向的通孔4，所述中间部分3与固定部分6之间还设有接线座7，所述接线座7与中间部分3上均贴有多个应变片，所述多个应变片分为至少三组，每组组成惠斯通电桥，用于分别测量X轴、Y轴与Z轴方向的力。前述弹性体可采用高强度的弹簧钢加工制成。

在本实施例中，发明人最大的改进在于根据应力集中的相关原理，在弹性体的中间部分设有横向的通孔4，有效地提高了传感器对三维力测量的精度和降低了多维力传感器的维间耦合。同时，实际应用中，为便于上述结构的设置，中间部分3中部附近的通孔4可设置为圆形通孔4，且中间部分3、接线座7与固定部分6均可设置为矩形体。正如上述所提到的，本发明所提出的传感器是基于电阻应变式研制而成的。

结合参考图2及图3及图4所示，在本发明的另一实施例中，为进一步提升多组应变片对力传感的灵敏度，最好将上述的多个应变片至少为12个，且平均分为三组，其中由R1、R2、R3、R4组成的第一惠斯通电桥位于中间部分3的横向通孔4两侧边的内侧和外侧，由R5、R6、R7、R8组成的第二惠斯通电桥以及由R9、R10、R11、R12组成的第三惠斯通电桥均置于接线座7不同的边缘上，且同一惠斯通电桥中的应变片两两相互对称。

其中，第一组应变片组由R1、R2、R3和R4组成，测量X方向的力，当Fx作用时，R1和R2受到压应力的作用，R3和R4受到拉应力的作用，组成如图4所示的惠斯通电桥；第二组应变片组由R5、R6、R7和R8组成，测量Y方向上的力，当Fy作用时，R5和R6受到拉应力的作用，R7和R8受到压应力的作用，组成如图4所示的惠斯通电桥；第三组应变片组由R9、R10、R11和R12组成，测量Z方向上的力，当Fz作用时，R9和R10受到拉应力的作用，R11和R12受到压应力的作用，组成如图4所示的惠斯通电桥，上述的惠斯通电桥输入端接入直流电源，根据桥路输入电压和输出电压的下述关系，得到输出电压。

$U_0=\frac{K}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)U_i$

在上式中，u₀表示输出电压，u_i表示输入电压，K表示应变片的灵敏系数，ε₁、ε₂、ε₃和ε₄分析表示惠斯通电桥中四个电阻应变片的应变量。

最后根据传感器某一方向上标定出的输出电压和加载的力值关系得到该方向上的力值。

同时，为了方便走线，还可在弹性体设有一定形状的线槽，实际使用中，可直接将多个应变片组成的惠斯通电桥的其中一端接入直流电源，另一端接入传感信号接收装置。

参考图5所示，在本发明的另一实施例中，发明人参考现有技术，认为上述传感信号接收装置的优选结构为：其中传感信号接收装置包括放大电路、数据采集电路与PC终端，用于由各个惠斯通电桥将受力产生的电压值传输至放大电路，由放大电路将电压值进行放大后经数据采集电路传输至PC终端，从而在PC终端通过软件得到三维力传感器当前的力测试值。

再参考图1及图3所示，在本发明用于解决技术问题，更加优选的一个实施例中，为进一步减小三维力传感器维间的耦合性，还可在上述受力部分1与中间部分3之间增设第一台阶2，在接线座10与固定部分6之间还设有第二台阶5。并且，发明人认为效果更优的技术手段是在弹性体的固定部分上也增设多个圆形孔8、9、10、11、12、13。

仍然参考图1所示，更进一步的为了与汽车的“V”型架连接，在“V”型架的开口处各连接一个传感器，可将上述弹性体结构的受力部分1顶部设置为与中间部分3的横向通孔4轴向相交叉的方向上朝一侧倾斜，且为便于安装，还可在受力部分1的顶部增设用于与测试安装架固定的螺纹孔14、15、16、17。

按照上述多个实施例中所描述的传感器结构，在其实际测试三维力的过程中，例如当Fx为120KN时，经过有限元计算，弹性体结构中最大应力为395MPa，应变量为：ε₁＝ε₂＝-9.26×10^-4，ε₃＝ε₄＝1.75×10^-4，假设输入电压为5V，则输出电压为5.5mV；第二组应变片组由R5、R6、R7和R8组成，在Fy作用下，R5和R6受到拉应力的作用，R7和R8受到压应力的作用，组成如图4所示的惠斯通全桥电路，当Fy为150KN时，经过有限元计算，最大应力为1000MPa，ε₅＝ε₆＝1.018×10^-3，ε₇＝ε₈＝-1.018×10^-3，假设输入电压为5V，则输出电压为10.18mV；第三组应变片组由R9、R10、R11和R12组成，在Fz作用下，R9和R10受到拉应力的作用，R11和R12受到压应力的作用，组成如图4所示的惠斯通全桥电路，当Fz为150KN时，经过有限元计算，最大应力为1320MPa，ε₉＝ε₁₀＝1.127×10^-3，ε₁₁＝ε₁₂＝-1.127×10^-3，假设输入电压为5V，则输出电压为11.27mV。基于上述试验可知，本发明的最大量程为百万牛。

然而除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述三维力传感器中包括弹性体结构的受力部分（1）、中间部分（3）与固定部分（6），所述受力部分（1）置于中间部分（3）的上方，固定部分（6）置于中间部分（3）的下方，所述中间部分（3）的中部设有呈横向的通孔（4），所述中间部分（3）与固定部分（6）之间还设有接线座（7），所述接线座（7）与中间部分（3）上均贴有多个应变片，所述多个应变片分为至少三组，每组组成惠斯通电桥，用于分别测量X轴、Y轴与Z轴方向的力。

2.根据权利要求1所述的用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述多个应变片至少为12个，且平均分为三组，其中由R1、R2、R3、R4组成的第一惠斯通电桥位于中间部分（3）的横向通孔（4）两侧边的内侧和外侧，由R5、R6、R7、R8组成的第二惠斯通电桥以及由R9、R10、R11、R12组成的第三惠斯通电桥均置于接线座（7）不同的边缘上，且同一惠斯通电桥中的应变片两两相互对称。

3.根据权利要求2所述的用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述多个应变片组成的惠斯通电桥的其中一端接入直流电源，另一端接入传感信号接收装置。

4.根据权利要求3所述的用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述传感信号接收装置中包括放大电路、数据采集电路与PC终端，用于由各个惠斯通电桥将受力产生的电压值传输至放大电路，由放大电路将电压值进行放大后经数据采集电路传输至PC终端，从而在PC终端得到三维力传感器当前的力测试值。

5.根据权利要求1所述的用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述受力部分（1）与中间部分（3）之间还设有第一台阶（2），所述接线座（7）与固定部分（6）之间还设有第二台阶（5）。

6.根据权利要求1所述的用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述受力部分（1）顶部在与中间部分（3）的横向通孔（4）轴向相交叉的方向上朝一侧倾斜。

7.根据权利要求1所述的用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述中间部分（3）中部的通孔（4）为圆形通孔（4），且中间部分（3）、接线座（7）与固定部分（6）均为矩形体。

8.根据权利要求6或7所述的用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述受力部分（1）的顶部设有用于与测试安装架固定的螺纹孔（14、15、16、17）。

9.根据权利要求6或7所述的用于汽车后桥测试系统的三维力传感器，其特征在于：所述固定部分（6）上还设有多个圆形孔（8、9、10、11、12、13）。

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