CN109974916B - 一种变极距型电容式三维力传感器结构 - Google Patents

一种变极距型电容式三维力传感器结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变极距型电容式三维力传感器结构，包括外壳、弹性件、可动极板、固定极板和Z向固定极板。弹性件包括凸台、两根X向横梁和两根Y向横梁；X向横梁外端设置X向可动极板，Y向横梁外端设置Y向可动极板；外壳同轴套设在弹性件的外周，X向固定极板和Y向固定极板安装在外壳内侧壁；X向固定极板与对应的X向可动极板组成X向变极距型电容，Y向固定极板与对应的Y向可动极板组成Y向变极距型电容；Z向固定极板设置在凸台正下方，位置固定，且与凸台相平行；Z向固定极板和凸台形成Z向变极距型电容。本发明基于变极距型电容原理，将输入力转换为电容输出，具有结构简单、使用寿命长、温度效应好、功耗低等优点。

Description

一种变极距型电容式三维力传感器结构
技术领域
本发明涉及测力技术领域，特别是一种变极距型电容式三维力传感器结构。
背景技术
力传感器是一种以一定精度将力信号转变为与之具有确定对应关系的电信号输出的测量装置，是绝大多数机器人系统中不可或缺的传感器件。传统的单维力传感器只能测量某一固定方向的输入力，具有较大的局限性。而多维力传感器则能同时感知多个方向的力或力矩分量，适用于输入力或力矩的大小和方向均未知的场合，例如生物力学测量、医疗、康复等领域。三维力传感器是多维力传感器中应用最为广泛的一类，可检测空间任意方向作用力的大小和方向。
目前三维力传感器的结构设计主要基于电阻应变原理。公开号CN103575446A的中国专利申请，其公开了一种中等量程三维力传感器，通过粘贴在弹性件上的金属应变片敏感输入力，并将其转化为电压信号输出，具有结构简单，自重影响小等优点。这类基于电阻应变原理的三维力传感器，其使用寿命受到应变片性能约束，测量精度易受环境温度的影响，且功耗相对较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种变极距型电容式三维力传感器结构，该变极距型电容式三维力传感器结构基于变极距型电容原理，将输入力转换为电容输出，能适用于需长期测量或环境温度变化较大、环境较恶劣的应用场合。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种变极距型电容式三维力传感器结构，包括外壳、弹性件、四块可动极板、四块固定极板和一块Z向固定极板。
弹性件包括一体设置的凸台和四根横梁，四根横梁呈十字形布设在凸台的外周，位于同一直线上的其中两根横梁为X向横梁，另外两根横梁为Y向横梁。
每根横梁的外端均连接一块呈弧形的可动极板，其中，位于X向横梁外端的可动极板称为X向可动极板，位于Y向横梁外端的可动极板称为Y向可动极板。
外壳同轴套设在弹性件的外周，可动极板底部与外壳相连接。
四块固定极板设置在外壳内壁面，且与四块可动极板形状相同，位置相对应；其中，与X向可动极板位置相对应的固定极板称为X向固定极板，与Y向可动极板位置相对应的固定极板称为Y向固定极板；X向固定极板与对应的X向可动极板组成X向变极距型电容，Y向固定极板与对应的Y向可动极板组成Y向变极距型电容。
Z向固定极板设置在凸台正下方，位置固定，且与凸台相平行；Z向固定极板和凸台形成Z向变极距型电容。
凸台为圆柱形，外壳为带有底盖的圆筒形。
底盖与凸台之间的空腔内设有支撑圆台，支撑圆台四周均布有四根限位连接筋，相邻两根限位连接筋之间形成极板空腔，可动极板均放置在对应的极板空腔内。
可动极板包括可动部和位于可动部底部的固定部，固定部的厚度大于可动部的厚度，固定极板与可动部位置相对应。
固定部通过螺栓与外壳侧壁螺纹连接。
Z向固定极板与支撑圆台螺纹连接。
还包括顶盖，顶盖同轴安装在凸台顶部。
顶盖底部面积与凸台顶部面积相等。
横梁厚度小于凸台的厚度。
本发明具有如下有益效果：
（1）现有的三维力传感器普遍根据电阻应变原理设计，本发明提出的三维力传感器则基于变极距型电容原理，测量精度不易受温度影响，且使用次数不受应变片性能约束，使用寿命更长，适用于需长期测量或环境温度变化较大、环境较恶劣的应用场合。
（2）本发明所设计的电容式三维力传感器，其电容极板间静电引力极小，因此传感器整体功耗较低，且相对独立的极板结构，具有较小的维间耦合干扰。
（3）本发明所设计的三维力传感器，其X向与Y向均采用差分电容的结构，具有较好的测量线性度和灵敏度。
（4）本发明所设计的三维力传感器体积小、结构简单，将测量电路装配于传感器内部，使用方便，操作简洁。
附图说明
图1显示了本发明一种变极距型电容式三维力传感器结构未安装顶盖时的结构示意图。
图2显示了本发明一种变极距型电容式三维力传感器结构安装顶盖后的结构示意图。
图3显示了外壳的结构示意图。
图4显示了弹性件的结构示意图。
图5显示了固定板的结构示意图。
图6显示了Z向固定极板的结构示意图。
图7显示了顶盖的结构示意图。
其中有：
10.弹性件；11.凸台；121.X向横梁；122.Y向横梁；
20.顶盖；
31.X向可动极板；32.Y向可动极板；33.可动部；34.固定部；
41. X向固定极板；42.Y向固定极板；
50.外壳；51.底盖；52.支撑圆台；53.限位连接筋；
60.Z向固定极板。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种变极距型电容式三维力传感器结构，包括弹性件10、顶盖20、四块可动极板、四块固定极板、外壳50和一块Z向固定极板60。
如图1和图3所示，弹性件包括一体设置的凸台11和四根横梁。
凸台优选为圆柱形，但也可以为长方体、圆台或其他形状等。
顶盖优选同轴安装在凸台顶部，结构优选如图7所示，顶盖面积优选与凸台顶部面积相等，在图7中，也即顶盖底部的圆柱体的横截面积与凸台的面积相等。
四根横梁呈十字形布设在凸台的外周，横梁厚度优选小于凸台的厚度，四根横梁的交叉点与凸台的中心重合。
位于同一直线上的其中两根横梁为X向横梁121，另外两根横梁为Y向横梁122。
每根横梁的外端均连接一块呈弧形的可动极板，横梁和可动极板之间优选为一体设置。其中，位于X向横梁外端的可动极板称为X向可动极板31，位于Y向横梁外端的可动极板称为Y向可动极板32。
可动极板包括可动部33和位于可动部底部的固定部34，固定部的厚度大于可动部的厚度。
外壳同轴套设在弹性件的外周，优选为带有底盖51的圆筒形。
如图4所示，底盖与凸台之间的空腔内设有支撑圆台52，支撑圆台四周均布有四根限位连接筋53，限位连接筋的外端优选与外壳侧壁相连接。作为替换，支撑圆台也可与底盖相连接。
相邻两根限位连接筋之间形成极板空腔，可动极板均放置在对应的极板空腔内，限位连接筋对可动极板周向进行限位。
可动极板底部，也即固定部，优选通过螺栓与外壳的侧壁相连接。
四块固定极板优选通过螺栓固定在外壳内壁面。如图5所示，固定极板与可动极板形状相同，位置相对应，优选与可动部位置相对应。其中，与X向可动极板位置相对应的固定极板称为X向固定极板41，与Y向可动极板位置相对应的固定极板称为Y向固定极板42。
X向固定极板与对应的X向可动极板组成X向变极距型电容，Y向固定极板与对应的Y向可动极板组成Y向变极距型电容。
Z向固定极板60设置在凸台正下方，位置固定，优选与支撑圆台为螺纹连接。Z向固定极板与凸台相平行，其结构，如图6所示。Z向固定极板和凸台形成Z向变极距型电容。
测量原理如下：
输入力作用于顶盖12，通过紧固螺钉传递至弹性件的凸台；力的作用使得弹性件产生形变，各电容极板之间的极距发生微小变化，引起电容量变化，从而将输入力转换为电容量输出，通过检测各极板电容变化量即可得出输入力的大小和方向。具体而言：
1）当X向的力作用于三维力传感器时，弹性件的形变使得两个X向可动板的可动部沿X方向产生等大反向的微小位移，两个X向变极距型电容的极距变化，使得两个X向变极距型电容的电容量发生等大反向的变化，形成差分结构；两个X向变极距型电容的电容量的差值，即对应当前X向输入力的大小。
2）当Y向的力作用于三维力传感器时，弹性件的形变使得两个Y向可动板的可动部沿Y方向产生等大反向的微小位移，两个Y向变极距型电容的极距变化，使得两个Y向变极距型电容的电容量发生等大反向的变化，形成差分结构；两个Y向变极距型电容的电容量的差值，即对应当前Y向输入力的大小。
3）当Z向的力作用于三维力传感器时，弹性件的形变使得凸台沿Z方向产生微小位移，凸台的下表面与Z向固定板所组成的Z向变极距型电容的极距变化，使得其电容量发生变化，该电容变化量即对应当前Z向输入力的大小。
传感器配套的测量电路，优选装配于支撑圆台的下面，电路的传输导线通过导线孔引出，可直接输出测量结果。
以根据本发明结构所制作的三维传感器实例，具体说明其测量特性。
传感器采用PEEK材料加工，其各极板间距设置为1.5mm，PORON泡沫作为极板介质，采用3.3V供电。
当外界输入力（其沿X/Y/Z方向的分量均为200N）作用于该传感器时，弹性结构产生形变：其中一个X向变极距型电容的极距减小约0.13mm，其电容量增大约0.35pF；另一个X向变极距型电容的极距增大约0.13mm，其电容量减小约0.35pF；两个X向变极距型电容的电容量相减，得到X向的电容变化量为0.7pF。
其中一个Y向变极距型电容的极距减小约0.13mm，其电容量增大约0.35pF；另一个Y向变极距型电容的极距增大约0.13mm，其电容量减小约0.35pF。
两个Y向变极距型电容极板的电容量相减，得到Y向的电容变化量为0.7pF。
Z向变极距型电容的极距增大约0.11mm，其电容量减小约0.4pF，即Z向的电容变化量为-0.4pF。
传感器的效果即在于，最终将沿X/Y/Z方向200N的力分量，转化为X向的0.7pF电容变化量，Y向的0.7pF电容变化量，以及Z向的0.4pF电容变化量。
同理，当外界输入力的大小和方向发生变化时（实质为沿X/Y/Z方向的力分量发生变化），各方向（或通道）的输出也会发生相应变化，且两者一一对应。由此，本发明所设计的三维力传感器结构成功实现了输入力到电信号的转化，可用于对三维力进行测量。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种变极距型电容式三维力传感器结构，其特征在于：包括外壳、弹性件、四块可动极板、四块固定极板和一块Z向固定极板；
弹性件包括一体设置的凸台和四根横梁，四根横梁呈十字形布设在凸台的外周，位于同一直线上的其中两根横梁为X向横梁，另外两根横梁为Y向横梁；
每根横梁的外端均连接一块呈弧形的可动极板，其中，位于X向横梁外端的可动极板称为X向可动极板，位于Y向横梁外端的可动极板称为Y向可动极板；
外壳同轴套设在弹性件的外周，可动极板底部与外壳相连接；
四块固定极板设置在外壳内壁面，且与四块可动极板形状相同，位置相对应；其中，与X向可动极板位置相对应的固定极板称为X向固定极板，与Y向可动极板位置相对应的固定极板称为Y向固定极板；X向固定极板与对应的X向可动极板组成X向变极距型电容，Y向固定极板与对应的Y向可动极板组成Y向变极距型电容；
Z向固定极板设置在凸台正下方，位置固定，且与凸台相平行；Z向固定极板和凸台形成Z向变极距型电容；
底盖与凸台之间的空腔内设有支撑圆台，支撑圆台四周均布有四根限位连接筋，相邻两根限位连接筋之间形成极板空腔，可动极板均放置在对应的极板空腔内；
可动极板包括可动部和位于可动部底部的固定部，固定部的厚度大于可动部的厚度，固定极板与可动部位置相对应。
2.根据权利要求1所述的变极距型电容式三维力传感器结构，其特征在于：凸台为圆柱形，外壳为带有底盖的圆筒形。
3.根据权利要求2所述的变极距型电容式三维力传感器结构，其特征在于：固定部通过螺栓与外壳侧壁螺纹连接。
4.根据权利要求2所述的变极距型电容式三维力传感器结构，其特征在于：Z向固定极板与支撑圆台螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的变极距型电容式三维力传感器结构，其特征在于：还包括顶盖，顶盖同轴安装在凸台顶部。
6.根据权利要求5所述的变极距型电容式三维力传感器结构，其特征在于：顶盖底部面积与凸台顶部面积相等。
7.根据权利要求1所述的变极距型电容式三维力传感器结构，其特征在于：横梁厚度小于凸台的厚度。
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