CN104568279B - 一种多轴力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴力传感器，包括弹性体及应变件，所述弹性体包括上台、下台及设置于所述上台与所述下台之间的至少三个测力柱，其中，所述测力柱包括第一测力臂、第二测力臂及连接臂，所述第一测力臂固定于所述上台的周壁，所述第二测力臂固定于所述下台的周壁，所述连接臂的一端连接所述第一测力臂，另一端连接所述第二测力臂，所述应变件布置于所述第一测力臂的两端、第二测力臂的两端及连接臂的中部。本发明提供的多轴力传感器，具有结构简单紧凑，测量精度和灵敏度高等优点。

Description

一种多轴力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种多轴力传感器。

背景技术

多轴力传感器广泛应用于航空航天、汽车、机器人、自动化设备、医疗器械、体育器材等领域中，如风洞试验中的六分力天平、汽车道路试验中的六维车轮力传感器、汽车碰撞试验中的模拟人多轴力传感器等。

多轴力传感器的设计关键在于弹性体的设计、应变片的贴片和组桥方法。现有的多轴力传感器为了获得高的测量精度，往往需要设计较为复杂的弹性体结构，装配不易，且对应变片的贴设位置要求精度高，操作不便，无法满足使用要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种多轴力传感器，其具有结构简单，装配方便且测量精度及灵敏度高等优点。

本发明实施例提供一种多轴力传感器，包括弹性体及应变件，所述弹性体包括上台、下台及设置于所述上台与所述下台之间的至少三个测力柱，其中，所述测力柱包括第一测力臂、第二测力臂及连接臂，所述第一测力臂固定于所述上台的周壁，所述第二测力臂固定于所述下台的周壁，所述连接臂的一端连接所述第一测力臂，另一端连接所述第二测力臂，所述应变件布置于所述第一测力臂的两端、第二测力臂的两端及连接臂的中部。

作为上述方案的改进，所述上台的周壁开设有与所述测力柱等数目的上凹槽，所述第一测力臂的两端分别固定于所述上凹槽两侧的槽面，以固定于所述上台的周壁上。

作为上述方案的改进，所述下台的周壁开设有与所述测力柱等数目的下凹槽，所述第二测力臂的两端分别固定于所述下凹槽两侧的槽面，以固定于所述下台的周壁上。

作为上述方案的改进，所述上台平行于所述下台，所述上凹槽等间隔的开设于所述上台的周壁，所述下凹槽等间隔的开设于所述下台的周壁，且所述下凹槽与所述上凹槽一一对准。

作为上述方案的改进，布置于所述第一测力臂两端的应变件关于所述连接臂对称；布置于所述第二测力臂两端的应变件关于所述连接臂对称。

作为上述方案的改进，所述应变件设置于所述第一测力臂、第二测力臂及连接臂的外侧面和/或内侧面。

作为上述方案的改进，所述第一测力臂平行于所述第二测力臂，所述连接臂垂直于所述第一测力臂及第二测力臂，且所述连接臂的一端连接所述第一测力臂的中部，另一端连接所述第二测力臂的中部，以形成一工字形测力柱。

作为上述方案的改进，所述连接臂的两端与所述第一测力臂的中部及第二测力臂的中部连接的位置均设置有加固件，以使所述连接的位置保持稳定。

作为上述方案的改进，所述弹性体一体成型。

本发明实施例提供的多轴力传感器，通过设置工字型的测力柱，并将应变件布置于所述测力柱的预定位置上，使得所述多轴力传感器结构简单紧凑、装配方便，能够测量加载到传感器上的力或力矩信号的值。另外，由于所述应变件布置的位置，使得所述应变件通过测量第一测力臂、第二测力臂及连接臂的剪切应变达到测量力的效果，相对于直接测量应力，本发明提供的多轴力传感器的测量精度和灵敏度更高，提高所述多轴力传感器的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供多轴力传感器的结构示意图；

图2是图1所示的多轴力传感器的俯视图；

图3是图1所示的多轴力传感器的侧视图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种多轴力传感器100，所述多轴力传感器100包括弹性体及应变件40，所述弹性体包括上台10、下台20及至少三个测力柱30。其中，所述至少三个测力柱30设置于所述上台10与所述下台20之间，并分别连接所述上台10及下台20，以使所述上台10及所述下台20在空间分离。所述应变件40布置于所述测力柱30的预定位置上。当所述上台10或下台20相对受力时，所述弹性体将产生形变，进而所述应变件40发生机械形变。

在本发明实施例中，所述上台10大致呈一圆柱体状，其中，所述上台10的周壁上开设有与所述测力柱30等数目的上凹槽12，以固定所述测力柱30。如图1，图1所示的上台10上开设有三个上凹槽12，应当理解的是，在本发明的其他实施例中，所述上台可以是正方体、长方体或其它形状，所述上凹槽12的数目还可为4个、5个、6个或其他数目，这些结构设计均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

在本发明实施例中，所述下台20大致呈一圆柱体状，其中，所述下台20的周壁上开设有下凹槽22，用于固定所述测力柱30。在本发明实施例中，所述下凹槽22的数目与所述上凹槽12的数目相等且所述下凹槽22的位置与所述上凹槽12的位置一一对准。所述下台可以是正方体、长方体或其它形状，这些结构设计均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

需要说明的是，在本发明实施例中，较佳地，所述上台10与所述下台20正对放置并保持平行。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述上凹槽12并不需要沿周壁贯穿整个上台10，即所述上凹槽12沿轴向的长度可小于所述上台10的高，此时，所述上台10的上半部分(不一定需要为上台10高的一半，可根据实际需要设计)保持为完整的圆柱体状，而下半部分开设有所述上凹槽12。同样的，所述下凹槽22并不需要沿周壁贯穿整个下台20，即所述下凹槽22沿轴向的长度可小于所述下台20的高，此时，所述下台10的下半部分(不一定需要为高度的一半，可根据实际需要设计)保持为完整的圆柱体状，而上半部分开设有所述下凹槽22，此时，所述上凹槽12与所述下凹槽22保持一一对准。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述上台10及下台20上还开设有若干用于安装的安装孔(图未标)或固定的固定孔(图未标)，用于安装或固定外部的设备等。

请一并参阅图2，在本发明实施例中，所述测力柱30包括第一测力臂31、第二测力臂32及连接臂33，其中，所述第一测力臂31的两端分别固定在所述上凹槽12两侧的槽面上，且不与所述上凹槽12的内壁连接。所述第二测力臂32的两端分别固定在所述下凹槽22两侧的槽面上，且不与所述下凹槽22的内壁连接。所述连接臂33的两端分别连接所述第一测力臂31及第二测力臂32，从而通过所述测力臂30将所述上台10及下台20连接起来。

需要说明的是，在本发明实施例中，较佳地，所述第一测力臂31与所述第二测力臂32平行，所述连接臂33分别垂直于所述第一测力臂31及所述第二测力臂32，且所述连接臂33的一端与所述第一测力臂31连接的位置为所述第一测力臂31的中部位置，所述连接臂33的另一端与所述第二测力臂32连接的位置为所述第二测力臂32的中部位置，从而所述第一测力臂31、第二测力臂32及所述连接臂33形成一工字形，即所述测力柱30为一工字形测力柱。

需要说明的是，在本发明实施例中，可以有多个所述第一测力臂31、多个所述第二测力臂32和多个所述连接臂33。这些结构设计均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述连接臂33的一端与所述第一测力臂31连接的位置设置有加固件35，所述连接臂33的另一端与所述第二测力臂32连接的位置也设置有加固件35。所述加固件35用于在进行测量时，使得加固的位置对力的变化比较不敏感，而在未设置有所述加固件35的地方对力的变化比较敏感，增加测量的灵敏度和精度。

在本发明实施例中，所述应变件40可由若干个应变片通过一定的位置摆放关系构成，其中，所述应变片可为电阻应变片，其是基于应变效应制成的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。可以理解的是，在本发明的其他实施例中，所述应变片也可为金属应变片，光学应变片等，本发明不做具体限定。

在本发明实施例中，所述应变件40可由所述应变片组成“米”字形，“X”字形，“十”字形或其他形状，本发明不做具体限定。

在本发明实施例中，所述应变件40设置于所述测力柱30的预定位置上。其中，所述第一测力臂31上设置有两个应变件40，且较佳地，位于所述第一测力臂31上的两个应变件40分别设置于所述第一测力臂31的两端，即第一端311及第二端312上，并关于所述连接臂33对称。所述第二测力臂32上设置有两个应变件40，且较佳地，位于所述第二测力臂32上的两个应变件40分别设置于所述第二测力臂32的两端，即第三端321及第四端322，并关于所述连接臂33对称。所述连接臂33上设置有一个应变件40，且较佳地，所述应变件40设置于所述连接臂33的中部331。即，一个测力柱30上设置了五个应变件40。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述应变件40可设置于所述测力柱30上，且背向所述上凹槽12及下凹槽22的内壁的这一侧(即所述侧力柱30的外侧面，如图1所示)，也可设置于朝向所述上凹槽12及下凹槽22的内壁的这一侧(即所述侧力柱30的内侧面)，也可同时设置于所述侧力柱30的外侧面和内侧面，其中，对于同时设置于所述侧力柱30的外侧面和内侧面这种情况，则一个测力柱30上应设置有十个应变件40。这些设计方案均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

需要说明的是，在本发明实施例中，除了所述第一测力臂的两端、第二测力臂的两端及连接臂的中部以外，其它位置也可以设置应变件40，这些设计方案均在本发明的保护范围之内，在此不再赘述。

在本发明实施例中，由于所述侧力柱30工字形的设计及所述应变件40预定的放置位置，所述应变件40是通过测量第一测力臂31、第二测力臂32及连接臂33的剪切应变(物体受到力偶作用使物体两个平行截面间发生相对平行移动)达到测量应力的，相对于直接测量应力的技术方案，本发明实施提供的多轴力传感器100的测量精度和灵敏度更高。

请一并参阅图1至图3，在本发明实施例中，所述弹性体可通过一体成型工艺加工制成，也可由独立的上台10、下台20及测力柱30安装获得。使用时，当所述上台10或下台20相对受力时，所述弹性体本身将产生形变，进而所述应变件40产生机械形变，所述应变件40的电阻值相应的发生变化，通过检测由所述应变件40的电阻值变化而引起的电压变化或电流变化，即可对受力情况进行测量及分析。

综上所述，本发明实施例提供的多轴力传感器100，通过设置工字型的测力柱30，并将应变件40布置于所述测力柱30的预定位置上，使得所述多轴力传感器100结构简单紧凑、装配方便，能够测量加载到所述多轴力传感器100上的力或力矩信号的值。另外，由于所述应变件40布置的位置，使得所述应变件40通过测量第一测力臂31、第二测力臂32及连接臂33的剪切应变达到测量力的效果，相对于直接测量应力，本发明提供的多轴力传感器100的测量精度和灵敏度更高，提高了所述多轴力传感器100的性能。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种多轴力传感器，其特征在于，包括弹性体及应变件，所述弹性体包括上台、下台及设置于所述上台与所述下台之间的至少三个测力柱，其中，所述测力柱包括第一测力臂、第二测力臂及连接臂，所述第一测力臂固定于所述上台的周壁，所述第二测力臂固定于所述下台的周壁，所述连接臂的一端连接所述第一测力臂，另一端连接所述第二测力臂；所述应变件布置于所述第一测力臂的两端、第二测力臂的两端及连接臂的中部，以通过测量第一测力臂、第二测力臂及连接臂的剪切应变测量应力；所述上台的周壁开设有与所述测力柱等数目的上凹槽，所述第一测力臂的两端分别固定于所述上凹槽两侧的槽面，以固定于所述上台的周壁上；所述下台的周壁开设有与所述测力柱等数目的下凹槽，所述第二测力臂的两端分别固定于所述下凹槽两侧的槽面，以固定于所述下台的周壁上。

2.根据权利要求1所述的多轴力传感器，其特征在于，所述上台平行于所述下台，所述上凹槽等间隔的开设于所述上台的周壁，所述下凹槽等间隔的开设于所述下台的周壁，且所述下凹槽与所述上凹槽一一对准。

3.根据权利要求1所述的多轴力传感器，其特征在于，布置于所述第一测力臂两端的应变件关于所述连接臂对称；布置于所述第二测力臂两端的应变件关于所述连接臂对称。

4.根据权利要求1所述的多轴力传感器，其特征在于，所述应变件设置于所述第一测力臂、第二测力臂及连接臂的外侧面和/或内侧面。

5.根据权利要求1所述的多轴力传感器，其特征在于，所述第一测力臂平行于所述第二测力臂，所述连接臂垂直于所述第一测力臂及第二测力臂，且所述连接臂的一端连接所述第一测力臂的中部，另一端连接所述第二测力臂的中部，以形成一工字形测力柱。

6.根据权利要求5所述的多轴力传感器，其特征在于，所述连接臂的两端与所述第一测力臂的中部及第二测力臂的中部连接的位置均设置有加固件，以使所述连接的位置保持稳定。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的多轴力传感器，其特征在于，所述弹性体一体成型。