CN110987243B - 基于杠杆原理的f形弹性体力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于杠杆原理的F形弹性体力传感器，包括杠杆臂、连接于杠杆臂上的两个支臂以及贴于两个支臂的应变片，所述杠杆臂与支臂构成近似F形。该传感器可应用于扭矩传感器或拉压力传感器，此时杠杆臂端部与两个支臂的端部其中一端作为主动端连接于主动件，另一端作为被动端连接于被动件。本发明的基于杠杆作用原理，两个支臂产生与杠杆臂端部作用力或力矩成比例的且简单均匀的拉或压两种应变，可增加传感器的灵敏度而又保证整体刚度，以协调灵敏度和刚度的矛盾，提高精度和分辨率，且加工方便，通过组合可适用于多种场合下的力学测量。

Description

基于杠杆原理的F形弹性体力传感器

技术领域

本发明属于力传感器技术领域，特别涉及一种基于杠杆原理的F形弹性体力传感器。

背景技术

应变式力传感器的工作原理是通过检测弹性体上的应变并将其转化为电信号从而实现力传感。现有的力传感器弹性体多采用梁氏弯曲变形、轴式扭转变形以及筒式拉压变形的模式进行应变测量；

梁氏弯曲变形基于一种类似悬臂梁的结构，梁体的自由端受到载荷使得梁体弯发生曲形变，应变片分别检测梁体弯曲时的压缩侧以及拉伸侧的应变利用惠登思桥测量得出两种拉压应变的差值，该测量方法基于弯曲变形模式会引起应变不均匀度问题，影响检测结果，而且灵敏度和刚度相互影响较大，二者难以权衡；

轴式传感器基于检测轴沿自身轴线发生的扭转变形，将应变片布置在与中轴呈+45度和-45度方向的位置，两应变片分别承受压缩效应和拉伸效应，再利用惠登思桥测量两种拉压应变的差值；该检测方法依然存在应变不均匀度问题，轴向距离大，应变片摆放位置角度难以精确定位，同样灵敏度和刚度相互影响较大，二者难以权衡；

筒式传感器基于检测柱受压发生拉压变形，即检测柱轴向压缩变形，径向拉伸变形，两应变片分别测量二者拉压应变并利用惠登思桥得出两种拉压应变的差值，但该检测方法中拉伸和压缩引起电阻值的增加和减少并不相等，拉压应变测量不简单直接；

采用弯曲或扭转变形模式进行应变测量会引起应变不均匀问题，而且灵敏度和刚度相互影响较大，往往伴随着灵敏度和刚度权衡问题；应变不均度往往与应变测量的灵敏度和精度相关，从而也限制灵敏度和刚度的权衡问题的改善程度。尽管有些结构采用了拉压变形模式，但由于拉压变形不简单直接，易受到其他分量的影响，拉压效果不理想；

本发明基于上述问题提出一种基于杠杆原理的F形弹性体力传感器，该传感器可应用于拉压压力检测或者扭矩检测，运用纯拉伸变形模式获取应变，改善应变不均匀度，可增加传感器的灵敏度同时保证整体刚度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于杠杆原理的F形弹性体力传感器，该传感器可应用于拉压压力检测或者扭矩检测，运用纯拉伸变形模式获取应变，改善应变不均匀度，可增加传感器的灵敏度同时保证整体刚度。

本发明提供了一种基于杠杆原理的F形弹性体力传感器，包括杠杆臂、连接于杠杆臂上的两个支臂以及贴于两个支臂的应变片，所述杠杆臂与支臂构成近似F形。

进一步，该传感器用于扭矩检测时，两个支臂不等长，且两个支臂长度方向的中心点连线交于一点，该点为转动圆心。

进一步，该传感器用于拉压力检测时，两个支臂垂直于杠杆臂。

进一步，杠杆臂与支臂一体成型。

进一步，所述两个支臂端部连接有连接座，所述连接座与杠杆臂上设置有用于与主动件或被动件连接的连接部。

进一步，所述杠杆臂、支臂以及连接座一体成型。

本发明的有益效果：

本发明的基于杠杆作用原理，两个支臂产生较纯粹的拉和压两种应变效应，利用惠登思桥测量两种拉压应变的差值，即可测量出作用在端点处的作用力或力矩，该结构能直接产生比梁的弯曲变形模式更简单且均匀的拉压应变；可增加传感器的灵敏度又保证整体刚度，有利于协调灵敏度和刚度的矛盾，提高力传感器的精度和分辨率，该传感器具有温度补偿和抗干扰能力，且组合加工方便，可适用多种场合下的力学测量；

本发明的传感器可保持良好的应变均匀性，并改善灵敏度和刚度之间权衡；与传统的辐条型几何结构相比，该方法通过单向拉伸和压缩变形模式来暴露两个支臂上的应变；采用两支臂的单向拉压应变暴露的方法能消除其他不相关的组件的影响提升抗干扰能力，又提高应变片的检测效率和精度；此外，该结构可以同时实现高灵敏度和高刚度；且该弹性体的几何形状可具有很薄的轴向尺寸，容易集成到一些对于空间有高要求的智能产品中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为弹性体结构示意图；

图2为在应用于扭矩传感器时结构原理图；

图3为扭矩传感器结构示意图；

图4为图3中杆臂受力分析结构示意图；

图5为连接座与弹性体结构示意图；

图6为两弹性体平面对称布置结构示意图；

图7为各尺寸变化对灵敏度影响示意图；

图8为各尺寸变化对刚度影响示意图；

图9为各尺寸变化对综合因子影响示意图；

具体实施方式

图1为弹性体结构示意图；图2为在应用于扭矩传感器时结构原理图；图3为扭矩传感器结构示意图；图4为图3中杆臂受力分析结构示意图；图5为连接座与弹性体结构示意图；图6为两弹性体平面对称布置结构示意图；图7为各尺寸变化对灵敏度影响示意图；图8为各尺寸变化对刚度影响示意图；图9为各尺寸变化对综合因子影响示意图；

本实施例提供了一种基于杠杆原理的F形弹性体，弹性体包括杠杆臂、连接于杠杆臂上的两个支臂，所述杠杆臂与支臂构成近似F形；应保证杠杆臂的刚度远大于两个支臂的刚度，在受力检测时，杠杆臂近似看做刚体，支臂看做弹性体，结合图1所示，两个支臂分别为一号支臂2和二号支臂3，一号支臂2连接于杆臂的右端处，二号支臂3在一号支臂的左侧，使得该结构呈近似F型结构，近似F型含义为形状呈F形并可在F形结构相允许一定的形变，形变后的形状与F形结构类似；由于杠杆作用原理，当杠杆臂左端或者二号支臂连受到近似垂直于杠杆臂其的作用力时，一号支臂受拉，二号支臂受压，一号支臂和二号支臂两个支臂产生较纯粹的拉和压两种应变效应，

通过应变片检测一号支臂和二号支臂两个支点处的拉压应变实现对杆臂右端点处作用力的测量，从而利用惠登思桥测量两种拉压应变的差值，即可测量出作用在端点处的作用力或力矩，这种基于杠杆原理的F形弹性体力传感器能直接产生比梁的弯曲变形更简单且均匀的拉压应变；另外F型结构整体刚度很大程度上与杆臂相关，通过增加杆臂的高度或厚度以提高杆臂的整体刚度，保证杠杆臂的刚度远大于两个支臂的刚度，结合图1所示，杆臂的高度远大于两支臂的高度，使得杆臂在受力过程中可近似看做理想的刚性臂，同时可缩短应变测量的区域即缩小两个支臂的宽度以及两支臂之间的中心距以增加灵敏度而保证整体刚度，有利于协调灵敏度和刚度的矛盾，提高力传感器的精度和分辨率，该传感器还具有温度补偿和抗干扰能力，且组合加工方便，可适用于多种场合下的力学测量。

本实施例中，该传感器用于扭矩检测时，两个支臂不等长，且两个支臂长度方向的中心点连线交于一点，该点为转动圆心。结合图2所示，杠杆臂端部连接于外圈内侧，一号支臂和二号支臂的端部连接于内环上的连接座上，两个支臂的中心连线为线条b1，该线条过转动圆心，其中即过外圈6的中心，过一号支臂和二号支臂两端的连线分别为线条b2和线条b3，在实际使用过程中，一号支臂和二号支臂长度较小，甚至只有几个毫米，该结构使得线条b1、线条b2和线条b3近似重合，外圈在转动时作用于杠杆臂外端的作用力，通过该杠杆结构的弹性体，使得一号支臂和二号支臂受到延其长度方向接近理想状态的纯拉和纯压两种应变效应；

本实施例中，该传感器用于拉压力检测时，两个支臂垂直于杠杆臂。检测拉力时，可应用于拉压力传感器，例如在地磅的使用中，杠杆臂用于承受地面物体的压力，基于杠杆原理，一号支臂和二号支臂受到延其长度方向受到理想状态的纯拉和纯压两种应变效应；

本实施例中，杠杆臂与支臂一体成型。通过一体成型结构提高应变均匀性，改善应力集中现象；

本实施例中，所述两个支臂端部连接有连接座7，所述连接座与杠杆臂上设置有用于与主动件或被动件连接的连接部8。结合图5所示，连接座便于安装于被动件或者主动件上，连接座可以为如图5中的矩形体结构，或者可以为图3和图6中的多边体结构，此时两个F形弹性体共用一个连接部，连接座的具体形状与被动件或者主动件相适配，其中连接部可以为螺纹孔、光孔或者螺柱等连接结构，便于与主动件或者被动件的装配。所述杠杆臂、支臂以及连接座一体成型，通过一体成型结构提高各个零部件的整体一致性，并提高应变均匀性，改善应力集中现象；

本实施例提供了一种上述弹性体的传感器，在上述弹性体结构上增加了应变片，两个支臂上贴有用于检测支臂拉伸或压缩的应变片4，应变片贴合方向为支臂的长度方向，应变片用于检测两个支臂在其长度方向的拉伸或压缩形变。上述传感器可应用于扭矩传感器或拉压力传感器，杠杆臂端部与两个支臂的端部其中一端作为主动端连接于主动件，另一端作为被动端连接于被动件。作为扭矩传感器应用时，两个支臂的长度方向的中心点连线交于一点，该点为转动圆心。作为拉压力传感器应用时，两个支臂垂直于杆臂连接。

在检测时所述杠杆臂一端可与主动件相连，此时两支臂与被动件相连或者杠杆臂一端可与弹性体结构的被动件相连，此时两支臂与弹性体结构的主动件相连；结合图3所示，该传感器用于检测扭矩，该传感器可集成于轮毂内，该结构是在上述传感器基础上形成的扭矩传感器，还包括内圈5以及外套于内圈的外圈6，所述内圈与外圈之间连接有至少一个弹性体，其中杠杆臂一端以及支臂的端部作为弹性体的主动端和被动端，所述主动端与被动端分别连接于外圈与内圈上；主动件为外圈，被动件为内圈；内圈与外圈分别外接与被测物理结构之间作用的主动部分和被动部分，通过设置不同数量的臂杆组件可以达到检测不同的受力场合并相互抵消干扰；

本实施例中，所述内圈外圆与外圈内圆同轴设置，所述杠杆臂沿外圈径向延伸，杠杆臂远离一号支臂和二号支臂的一端作为主动件连接于外圈内圆，所述内圈5外圆具有向外凸起的连接座7，该连接座与两个支臂以及内圈一体成型，所述一号支臂和二号支臂的自由端作为被动件端接于连接座上；在轴向投影面上，且两个支臂长度方向的中心点连线交于内圈中心；该结构在使用时内圈固连于被测物理结构之间作用的被动部分，外圈固连于被测物理结构之间作用的主动部分，当外圈受力转动时，对杠杆臂的外端形成切向作用力，此时一号杆臂和二号干杯受到延其长度方向的纯拉或者纯压应变效应，利用惠登思桥测量该作用力以达到检测被测物体扭矩的目的，当然也可在此基础上更换臂杆组件的主动件与被动件与被检测物体的结构进行适配，具体不在赘述。

对应于杠杆臂连接处的外圈或内圈的外侧壁上沿轴向开设有改善缝，结合图1所示，本实施例中，所述外圈侧壁对应于杠杆臂连接处沿轴向开设有改善缝8；所述改善缝沿过杠杆臂中心线的轴向截面对称；如图2所示，该改善缝在轴向投影面上呈弧形结构，通过改善缝改善外圈的应变均匀度。

本实施例中，所述内圈外圆与外圈内圆之间设置有以外圈中心轴线为中心对称设置的两组弹性体，当然也可依据实际使用工况调整臂杆组件的组数，每组弹性体包括以过外圈中心轴线的某一平面对称设置的两个弹性体；所述改善缝沿过外圈中心轴线的某一平面对称，该平面等分于杠杆臂，改善缝的轴向中心对称面与杠杆臂的轴向中心对称面重合，改善缝以及杠杆臂均以该中心对称面对称；结合图3所示，改善缝以平面a2为中心平面对称，同样杠杆臂也以a2为中心平面对称；改善缝减小弯矩对测量的影响，从而改善两支臂的应变均匀度，提升检测的灵敏度；该对称布置的弹性体可相互抵消由于内圈、外圈制造误差以及外力不均等因素造成的干扰，提高了检测的精度。

本实施例中，相邻改善缝之间的外圈壁上开有连接孔9，所述连接孔轴线过同组弹性体中两个弹性体的中心对称面；结合图3所示，位于上方的一组弹性体中，两个弹性体以平面a1为中心对称，即连接孔的轴线过平面a1；该连接孔为圆形孔结构，通过连接孔便于与外部弹性体结构连接。

下面以图3中所示的扭矩传感器为例对杠杆臂进行受力分析并对各个参数对灵敏度、刚度以及综合因子的影响进行分析；

初始外圈加载在杠杆臂的扭力为T，在图4中所示简化模型中可以看出，用一号支臂展现拉伸行为，而二号支臂则展现压缩行为，二者为单向拉伸和压缩变形模式，图4中，L为杠杆臂的长度；H为杠杆臂的高度；h为一号支臂和二号支臂的高度，其中一号支臂和二号支臂等高；b₁为一号支臂的宽度，b₂为二号支臂的宽度；c为一号支臂和二号支臂中心距；图4中t未表示出，t为杠杆臂、一号支臂和二号支臂的厚度，三者厚度相同；

剪切力F为：

其中R为外圈内圆半径；

；

；

因此，将在一号支臂和二号支臂上沿F方向生成双向应力σ₁和σ₂；

；

；

因此，源自全桥的总应变表示为：

其中E为杨氏模数；

灵敏度S_L表示为：

其中挠度θL主要与图3中八个支点有关，假定杠杠杆臂、内圈和外圈是刚体；因此，总挠度θL和刚度K_L为：

综合指数

为灵敏度和刚度的乘积，用于表示权衡问题的改善程度：

因此，可以通过仅增加c/h来改善权衡问题；与弯曲变形模式相比，它不会影响应变均匀性；

不同参数的变化将影响灵敏度，刚度和综合指数，灵敏度的影响如图7所示，刚度的影响如图8所示，综合指数的影响如图9所示；

所考虑的参数如下：

b₁，b₂，c，t，h；

其中b₁取值2mm～10mm，b₂ 取值 2mm～10mm， c 取值 2mm～10mm， t 取值 2mm～10mm， h 取值 2mm～10mm；

如图7所示，b₁，b₂，c和t的数值的增加对灵敏度有反向效果，即数值越大灵敏度越低，而h数值的变化对灵敏度影响几乎为零；

如图8所示，b₁，b₂，c和t数值的增加对刚度具有正向效果，即数值越大，刚度越大，而h数值的增加对刚度具有负向效果，即数值越大刚度越低；

减小灵敏度和刚度之间的相互作用的解耦是优化权衡问题的目标；综合指数表示权衡问题的改善程度，应使其得到较大的值。如图9所示，参数b₁, b₂以及t对应的直线为近似水平直线并近似重合，即对综合指数的影响几乎为零，c的增加对综合指数产生正向积极影响，而h则具有负向影响； b₁，b₂和t对综合指数影响不大；因此，提高c/h将有效地改善权衡问题；

保持良好的应变均匀性，并改善灵敏度和刚度之间权衡；与弯曲和扭转形变模式相比，该方法通过单向拉伸和压缩变形模式来暴露两个支臂上的应变。单向应变暴露对于应变测量非常重要，因为它能消除其他不相关的因素的影响提升抗干扰能力，又提高了应变片的检测效率和精度；此外，该结构可以同时实现高灵敏度和高刚度；该传感器的几何形状具有很薄的轴向尺寸，很容易集成到一些对于空间有高要求的智能产品中；应当注意的是，盘形的F形部件可作为一个独立的结构从内圈和外圈中分离出来，通过不同的组合方式适用于多种场合下的力学测量。

结合图6所示，弹性体结构还可以为两个近似F形结构对称设置，两个F形结构弹性体平面对称布置，两个弹性体的具有共同的主动件和被动件；两个弹性体的杠杆臂同时作为主动件或被动件；两个F形结构中支臂自由端相对连接于连接座上，其中连接座可连接于弹性体结构的被动件或弹性体结构的主动件，或者两个臂杆组件中支臂可各自独立连接于被测弹性体结构上，具体不在赘述；该对称布置结构可相互抵消由于内圈、外圈制造误差以及外力不均等因素造成的干扰，提高了检测的精度；

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于杠杆原理的F形弹性体力传感器，其特征在于：包括杠杆臂、连接于杠杆臂上的两个支臂以及贴于两个支臂的应变片，所述杠杆臂与支臂构成近似F形弹性体，以使得两个支臂产生纯拉和纯压两种应变效应；

杠杆臂与支臂一体成型；

所述杆臂的高度大于两支臂的高度，以使得杆臂在受力过程中可近似看做理想的刚性臂；

该传感器用于拉压力检测时，两个支臂垂直于杠杆臂；

该传感器用于扭矩检测时，还包括内圈以及外套于内圈的外圈，所述内圈与外圈之间连接有至少一个F形弹性体，其中杠杆臂一端以及支臂的端部作为弹性体的主动端和被动端，所述主动端与被动端分别连接于外圈与内圈上；对应于杠杆臂连接处的外圈或内圈的外侧壁上沿轴向开设有改善缝。

2.根据权利要求1所述的基于杠杆原理的F形弹性体力传感器，其特征在于：该传感器用于扭矩检测时，两个支臂不等长，且两个支臂长度方向的中心点连线交于一点，该点为转动圆心。

3.根据权利要求1所述的基于杠杆原理的F形弹性体力传感器，其特征在于：所述两个支臂端部连接有连接座，所述连接座与杠杆臂上设置有用于与主动件或被动件连接的连接部。

4.根据权利要求3所述的基于杠杆原理的F形弹性体力传感器，其特征在于：所述杠杆臂、支臂以及连接座一体成型。

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