CN106706188A - 一种高刚度扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高刚度扭矩传感器，由弹性体、安装在弹性体内腔底部的防尘板及设置在弹性体空腔内的放大器组成，在弹性体上部按“十字”型设置有四个弹性梁，在每个弹性梁中心的弹性敏感区表面各粘贴有两个敏感电阻应变片，四个弹性梁上各敏感电阻应变片间对应依序连接构成两路惠斯通电桥，两路惠斯通电桥的引出线接至放大器进行放大调制，经调制后的以电缆形式输出并经防尘板上预留的出线孔引出。本发明的主要特点是对现有技术中存在的当薄片状弹性敏感区同时起到刚性支撑作用时，传感器灵敏度与刚度相互制约的问题加以解决，提供一种结构分配更加合理、抗耦合性更强、综合测量精度更高的高刚度扭矩式传感器。

Description

一种高刚度扭矩传感器

技术领域

本发明内容属于电子感测衡器技术领域，涉及一种体积小、量程高、刚度高、测量精度高、抗耦合性强的单维扭矩式传感器。

背景技术

扭矩式传感器是一种应用广泛的单维测试传感器，具有灵敏度高、精度高、结构简单、可靠性高等基本特点。由于扭矩式传感器测试主要依赖于结构体剪切变形，剪切位置灵活多变，使得传感器结构具有极高的可控性，迄今该类型传感器已被广泛应用于机器人控制、航空航天测试监控以及各类撞击试验中。但目前本领域内公知的一体式单维扭矩式传感器当其弹性敏感区同时起到刚性支撑作用时，存在有传感器灵敏度与刚度相互制约问题(即由于弹性敏感区位于传感器力传递的串联路径上，传感器输出灵敏度越高，刚度越小)；此外，当弹性敏感区呈薄片式结构时，还存在着弹性敏感区法相抗耦合能力差的问题(当垂直于弹性区方向上存在随机干扰时，该干扰力将影响弹性体的输出信号，影响传感器的输出精度。当弹性敏感区呈薄片式结构时，该类干扰更为明显)。由于上述因素的影响，致使目前本领域内公知类型传感器的测量精度、结构强度、刚度等性能均比较低。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种结构分配更加合理、抗耦合性更强、综合测量精度更高的高刚度扭矩式传感器。

用于实现本发明目的的技术解决方案如下所述。

一种高刚度扭矩传感器，包括一个带有内腔的罩筒式弹性体、一块安装在弹性体内腔底部的防尘板以及一个设置在弹性体至防尘板间腔体内的带调理板的放大器，在弹性体上部沿中心轴程按“十字”型设置有四个弹性梁，在每个弹性梁的中心敏感区上表面各粘贴有两个敏感电阻应变片，其中，四个弹性梁上各奇数号敏感电阻应变片间依序连接构成一路惠斯通电桥，各偶数号敏感电阻应变片间依序连接构成另一路惠斯通电桥，两路惠斯通电桥的引出线接至放大器进行放大调制，经调制后的以电缆形式输出并经防尘板上预留的出线孔引出,得到两路输出电压信号。

上述高刚度扭矩传感器中，四个弹性梁的横截面均呈U型。

上述高刚度扭矩传感器中，弹性敏感区中心位置所在半径与弹性体最大半径比为0.65～0.7:1。

上述高刚度扭矩传感器中，四个沿弹性体中心轴程“十字”型对称分布的弹性梁，弹性梁既是弹性敏感区又是刚性支撑区。

与现有技术相比，本发明具有的优点和技术效果是：

一、本发明所述扭矩传感器中弹性体的弹性区域整体采用“U”型截面结构，在工作状态下，当弹性体受扭转作用时，在弹性应变区“U”型区域的底部表面上产生错动的剪切变形，而敏感应变片粘贴于弹性应变区“U”型区域底部，方向与剪切变形梯度最大方向一致，即剪切变形量与外力呈线性关系，输出电压信号与外力亦呈线性关系，而且当弹性敏感区法向受到干扰时，“U”型区的两侧侧翼就起到了刚性支撑作用；

二、本发明所述扭矩传感器中弹性体的弹性敏感区为20mm×21mm的长方形区域，权衡刚度、灵敏度的相互制约影响，从而优化得到最佳的分配方式；此外，将弹性敏感区所在位置位于弹性敏感区中心位置所在半径与弹性体最大半径比为0.65～0.7:1(最佳比为0.686:1)处，既可保证传感器具有一定输出灵敏度，又能最大限度的提高结构的承载能力；

三、本发明所述扭矩传感器具有结构形式简单、线性度好、输出灵敏度大、应用效果好等特点，经本发明设计者实验检测，本发明与公知的一维扭矩式传感器作对比，其灵敏度、抗耦合能力等方面都有较为明显的提升，具体参数如下：加载精度≥3‰F.S.；复合加载精度≥5‰F.S.。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例的侧视半剖结构示意图。

图2是该扭矩传感器对图1的俯视(视角)下的弹性梁的结构示意图。

图3是图2中弹性区横截面结构的示意图(I部区域的A-A视图)。

图中各数字标记名称分别是：1－弹性体，2－放大器，3－防尘板,4－弹性梁一，5－弹性梁二，6－弹性梁三，7－弹性梁四，8－弹性梁“U”截面结构,9－弹性敏感区一，10－弹性敏感区二，11－弹性敏感区三，12－弹性敏感区四，13－敏感电阻应变片一，14－敏感电阻应变片二，15－敏感电阻应变片三，16－敏感电阻应变片四，17－敏感电阻应变片五，18－敏感电阻应变片六，19－敏感电阻应变片七，20－敏感电阻应变片八，21－过线孔一，过线孔二。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见附图1，本发明所述的高刚度扭矩传感器由弹性体1、放大器2和防尘板3组成。弹性体1为带下有内腔的罩筒式构件，在其内腔底端壁上设有凸台。防尘板3通过螺纹配合方式连接于弹性体1内腔底端凸台上，在防尘板3上预留有出线孔。放大器2设置在弹性体1至防尘板3间的空腔内，其顶端与弹性体1内腔上侧底部通过螺纹配合的方式连接，在放大器2上设有内置放大电路的调理板，用于完成对传感器检测信号的放大。

在弹性体1上设置的弹性梁的结构如图2所示。四个弹性梁4、5、6、7沿弹性体1中心轴程按“十字”型设置在弹性体1上，四个弹性梁4、5、6、7的横截面均呈U型(参见图3)。在每个弹性梁4、5、6、7的中心对应各设置有一个弹性敏感区9、10、11、12。在每个弹性敏感区9、10、11、12上表面各粘贴有两个敏感电阻应变片13、14、15、16、17、18、19、20，各弹性敏感区上其中的一个敏感电阻应变片间依序连接构成一组惠斯通电桥，其中的另一个敏感电阻应变片间依序连接构成另一组惠斯通电桥，即如图2所示的各弹性敏感区上四个奇数号敏感电阻应变片(敏感电阻应变片一13、敏感电阻应变片三15、敏感电阻应变片五17和敏感电阻应变片七19)间依序连接构成一路惠斯通电桥，内中的敏感电阻应变片一13和敏感电阻应变片三15为一组对桥，敏感电阻应变片五17和敏感电阻应变片七19为一组对桥，并进行温度、灵敏度等的补偿；各弹性敏感区上四个偶数号敏感电阻应变片(敏感电阻应变片二14、敏感电阻应变片四16、敏感电阻应变片六18和敏感电阻应变片八20)间依序连接构成另一路惠斯通电桥，内中的敏感电阻应变片二14和敏感电阻应变片四16为一组对桥，敏感电阻应变片六18和敏感电阻应变片八20为一组对桥，并进行温度、灵敏度等的补偿。产品组装时，将两路惠斯通电桥的(mV级信号)引出线接至放大器2的放大板(调理板)上涂胶固定，构成放大器2的输入线端，并通过放大板上的放大电路完成信号的放大、降噪功能，之后再将放大器2的信号输出端线通过接插件穿过防尘板3上预留的出线孔引出，同样将防尘板3通过螺纹配合的方式固定在弹性体1内腔上，完成整个传感器的结构组装。

Claims (3)

1.一种高刚度扭矩传感器，其特征在于：包括一个带有内腔的罩筒式弹性体(1)、一块安装在弹性体(1)内腔底部的防尘板(3)以及一个设置在弹性体(1)至防尘板(3)间腔体内的带调理板的放大器(2)，在弹性体(1)上部沿中心轴程按“十字”型设置有四个弹性梁(4、5、6、7)，在每个弹性梁(4、5、6、7)的中心敏感区(9、10、11、12)上表面各粘贴有两个敏感电阻应变片，其中，四个弹性梁(4、5、6、7)上各奇数号敏感电阻应变片间依序连接构成一路惠斯通电桥，各偶数号敏感电阻应变片间依序连接构成另一路惠斯通电桥，两路惠斯通电桥的引出线接至放大器(2)进行放大调制，经调制后的以电缆形式输出并经防尘板(3)上预留的出线孔引出。

2.根据权利要求1所述的高刚度扭矩传感器，其特征在于：四个弹性梁(4、5、6、7)的横截面均呈U型。

3.根据权利要求1所述的高刚度扭矩传感器，其特征在于：弹性敏感区中心位置所在半径与弹性体最大半径比为0.686:1。