CN111174962B - 一种可调量程的电容式三维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种可调量程的电容式三维力传感器，操作简单、具有高分辨力，属于传感器技术领域。本发明包括弹性载体、保护外壳、密封端盖、可动电容极板、固定电容极板、调整垫块、螺柱、差动螺母、刻度盘，弹性载体的中间开槽形成十字槽和十字梁结构，且十字槽交叉坐落于十字梁上，可动电容极板和固定电容极板组成电容传感器，可动电容极板和固定电容极板分别粘接在十字槽和调整垫块上，调整垫块与螺柱固定连接，螺柱外螺纹与差动螺母内螺纹、差动螺母外螺纹与弹性载体内螺纹组成差动螺纹副，旋转刻度盘与差动螺母外部螺纹配合连接；根据固定电容极板与可动电容极板的初始间距，获得传感器测力灵敏度和量程。

Description

一种可调量程的电容式三维力传感器

技术领域

本发明涉及一种三维力传感器，特别涉及一种可调量程的电容式三维力传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

随着机器人行业的快速发展，智能化机器人已收到工业界和学术界的广泛关注。其中，多维力传感器作为智能机器人感知外界环境和接触物体的重要媒介，是智能机器人发展不可缺少的关键部件。目前，根据测量原理，多维力传感器主要分为电阻应变式、压电式、电容式。压电式传感器刚性高、动态特性好，但很难长时间测试静态力，适合于冲击、爆炸等领域；目前，应用最广泛的电阻应变式传感器，具有体积小、安装方便、设计灵活、功能强等优点，但由于自身测试原理，导致刚度和灵敏度无法兼得，动态性较差。随着电容式微位移传感器的发展，其位移分辨率可达纳米级别，基于此制作的力传感器，不仅可测静态力，而且分辨力高、刚度高、动态性好。

目前，多数电容式传感器是固定的量程和灵敏度，如公开号CN201910265925.1“一种变极距型电容式三维力传感器结构”，传感器的量程和灵敏度不可调节。将对机器人感知变化的外界环境和物体产生局限性，若安装个多个传感器成本将大大增加，安装过程复杂，因此有必要研制可调量程和灵敏度的多维力传感器。可调量程和灵敏度的电容式传感器出现的不多，中国专利CN 107063517A“一种基于电容边缘效应的力矩传感器”通过传感器外圈结构调节电容动静极板的初始间距，实现传感器量程和灵敏度的可调节，但该测量装置仅能测量和调节单一方向的扭矩，并且操作复杂、可调性差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种操作简单、具有高分辨力的可调量程的电容式三维力传感器。

本发明的一种可调量程的电容式三维力传感器，包括弹性载体1、保护外壳2、密封端盖3、可动电容极板4、固定电容极板5、调整垫块6、螺柱7、差动螺母8、刻度盘9，弹性载体1的中间开槽形成十字槽1A和十字梁1B结构，且十字槽1A交叉坐落于十字梁1B上，可动电容极板4和固定电容极板5组成电容传感器，可动电容极板4和固定电容极板5分别粘接在十字槽1A和调整垫块上，调整垫块6与螺柱7固定连接，螺柱7外螺纹与差动螺母8内螺纹、差动螺母8外螺纹与弹性载体1内螺纹组成差动螺纹副，旋转刻度盘与差动螺母8外部螺纹配合连接；

本发明根据固定电容极板5与可动电容极板4的初始间距，获得传感器测力灵敏度和量程，根据四个电容传感器感知到的十字槽1A的变形量，获得轴向力、两个方向的径向力。

作为优选，本发明的弹性载体1呈台阶筒状，凸出端为固定端，则另一端为受力端，整个传感器外部由保护外壳与弹性载体1固定端端部连接，受力端装配密封端盖3保护密封。

作为优选，本发明的弹性载体1呈台阶筒状，两端部均有若干螺纹孔和定位销孔。调整垫块6与弹性载体1十字槽两侧面相配合，抑制调整垫块6转动。

本发明的有益效果，本发明可以调节电容传感器的间距，从而转化为调节三维力传感器的灵敏度和量程，适合于智能机器人感知不同大小的力，而不必更换多个不同量程的传感器，操作简单，而且可以调节电容传感器的间距达到很小，具备高分辨力的特点。

附图说明

图1为本发明电容式三维力传感器的示意图；

图2为弹性载体1的立体结构示意图；

图3为弹性载体1的平面示意图；

图4为电容式三维力传感器的剖视图；

图5为图4的A-A向视图；

图6为图4的B-B向视图；

图7为图4的C向视图；

图8为图4的局部放大图。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的一种可调量程的电容式三维力传感器，包括弹性载体1、四个可动电容极板4、四个固定电容极板5、四个调整垫块6、四个螺柱7、四个差动螺母8和四个刻度盘9；

弹性载体1为圆筒状，一端为受力端，另一端为固定端，所述弹性载体1包括十字槽1A和十字梁1B；在弹性载体1的筒壁上开有四个槽，所述四个槽位使筒内筒外相通，四个槽共同组成十字槽1A；在每个槽位的底部各设有一个梁，四个梁共同组成十字梁1B，十字槽1A和十字梁1B作为弹性变形体，十字槽交叉坐落在十字梁上，四个调整垫块6分别放置在四个槽内，调整垫块6的高度小于所在槽的高度，每个调整垫块6内均设有内孔，四个可动电容极板4分别固定在四个调整垫块6的底部，四个固定电容极板5分别固定在四个槽的底部，位置与上方的可动电容极板4相对；四个可动电容极板4与四个固定电容极板5组成四个电容传感器，用于感知十字槽1A的变形量；

在弹性载体1的固定端设有四个螺纹孔，四个螺纹孔分别从固定端延伸至四个槽内，在顶端的四个螺纹孔处分别设有一个刻度盘9，四个差动螺母8分别设置在四个刻度盘9的内孔中，差动螺母8的外表面上部与刻度盘9的内孔固定连接，差动螺母8的外表面下部的外螺纹与所在螺纹孔的螺纹啮合，四个螺柱7分别设置在四个螺纹孔内，并延伸至四个调整垫块6的内孔内固定，四个螺柱7的外螺纹分别与四个差动螺母8的内螺纹啮合；

通过旋转四个刻度盘9，调整固定电容极板5与可动电容极板4的初始间距d₀。

本实施方式在使用中，初始状态下可动电容极板4和固定电容极板5相接触，旋转刻度盘9可带动差动螺母8一起转动，因内外螺纹副齿距不同，造成差动螺母8带动弹性载体1与螺柱7向上运动的距离不同，经计算刻度盘每旋转一个刻度，弹性载体1与螺柱7向上运动的差距为(0.75-0.7)/50＝0.001mm，因螺柱7与调整垫块6和固定电容极板5固连，弹性载体1与可动电容极板4粘接，进而调整电容传感器固定电容极板5与可动电容极板4的初始间距d₀，改变电容传感器的灵敏度S_Cd和量程Δd_max，从而改变三维力传感器的灵敏度S_dF和量程。

如图1至8所示，本实施方式的弹性载体1凸出一端为固定端，另一端为受力端，靠近受力端一侧十字槽1A底部粘接4个相同的固定电容极板5，其分别对应4个相同的可动电容极板4并构成电容传感器P1、P2、P3、P4，每个可动电容极板4分别粘接在相应的调整垫块6上，每个调整垫块6呈现带内孔的长方体形状，两个侧面与十字槽1A的槽侧面配合，抑制调整垫块6的转动；每个调整垫块6的内孔配合螺柱7的光轴部分，每个螺柱7上部是M4×7外螺纹，配合差动螺母8的内螺纹，每个差动螺母8上部外螺纹与六角形刻度盘9相配合，差动螺母8下部是外螺纹，规格是公制细牙螺纹M6×0.75，分别与弹性载体1固定端的4个螺纹孔的内螺纹配合；

弹性载体1固定端另有4个螺纹孔和2个销孔，作用是用于固连和定位外部载体；

弹性载体1受力端与密封端盖3通过螺钉连接并压紧保护外壳2，密封端盖3有4个螺纹孔和2个销孔，作用是固连和定位施力物体，保护外壳2由圆筒2A和出线口2B组成，出线口2B用于电容传感器P1、P2、P3、P4引线的引出。

本实施方式的外部力作用于密封端盖3，通过螺钉传递至弹性载体1受力端，然后传递至十字梁1B，由十字梁1B传递至十字槽1A底部，引起十字槽1A底部变形，从而十字槽1A底部的变形被四个电容传感器P1、P2、P3、P4检测。电容传感器P1、P2、P3、P4周向均布并检测轴向位移，如图5所示，当轴向力Fz作用时，十字槽1A底部均产生变形，通过电容传感器P1、P2、P3、P4感知变形量来计算轴向力Fz；当径向力Fx作用时，十字槽1A底部P1、P2所处位置产生变形，且大小相等方向相反，P3、P4所处位置产生变形为0，通过电容传感器P1、P2感知变形量来计算径向力Fx；当径向力Fy作用时，十字槽1A底部P3、P4所处位置产生变形，且大小相等方向相反，P1、P2所处位置产生变形为0，通过电容传感器P3、P4感知变形量来计算径向力Fy。利用四处的变形量来求解三维力，计算公式如下：

式中，Δd₁、Δd₂、Δd₃、Δd₄分别是电容传感器P1、P2、P3、P4感知的变形量，k₁、k₂、k₃是与弹性载体1刚度有关的系数，需通过实验标定获取。

根据测试系统理论，平行板电容器的电容C计算公式如下：

式中，ε是固定电容极板5与可动电容极板4间介质的介电常数，S是固定电容极板5与可动电容极板4的相对面积，d是两平行电容极板的间距。

当弹性载体1在三维力作用下发生变形，从而导致d₀减小Δd，电容器电容量C₀将发生变化，变化量记为ΔC，于是有

则电容随变形变化的灵敏度S_Cd为：

由上式可看出基于平行板电容传感器测量变形从原理上存在着非线性，只有当变形量Δd相比于两平行板间距d₀足够小时，约等式右侧才能成立。因此为了保证传感器的线性度，应设计较大的极板间距，但导致了灵敏度的降低。在介质不变的情况下，电容式传感器的灵敏度与极板面积S成正比，与极板间距的平方d₀ ²成反比。因此若要提高电容传感器灵敏度可以选择提高极板面积或减小极板间距，但十字槽空间有限，极板面积不可能太大，而若减小间距为了保证线性度可使用的量程也会相应降低。综合考虑电容传感器的线性度和灵敏度，通常要求量程与极板间距满足：

d₀＝(5～10)Δd_max

于是，电容随外力的变化灵敏度S_CF

式中，S_dF是变形随外力变化灵敏度，k是与传感器弹性载体1刚度有关的常数，是k₁、k₂、k₃的总称。

由以上公式可知，当d₀改变时，灵敏度S_CF发生变化，电容传感器间距的最大变形量Δd_max确定，进而确定电容传感器的量程，转化为三维力传感器的量程。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种可调量程的电容式三维力传感器，其特征在于，包括弹性载体(1)、四个可动电容极板(4)、四个固定电容极板(5)、四个调整垫块(6)、四个螺柱(7)、四个差动螺母(8)和四个刻度盘(9)；

弹性载体(1)为圆筒状，一端为受力端，另一端为固定端，所述弹性载体(1)包括十字槽(1A)和十字梁(1B)；在弹性载体(1)的筒壁上开有四个槽，所述四个槽位使筒内筒外相通，四个槽共同组成十字槽(1A)；在每个槽位的底部各设有一个梁，四个梁共同组成十字梁(1B)；四个调整垫块(6)分别放置在四个槽内，调整垫块(6)的高度小于所在槽的高度，每个调整垫块(6)内均设有内孔，四个可动电容极板(4)分别固定在四个调整垫块(6)的底部，四个固定电容极板(5)分别固定在四个槽的底部，位置与上方的可动电容极板(4)相对；四个可动电容极板(4)与四个固定电容极板(5)组成四个电容传感器，用于感知十字槽(1A)的变形量；

在弹性载体(1)的固定端设有四个螺纹孔，四个螺纹孔分别从固定端延伸至四个槽内，在顶端的四个螺纹孔处分别设有一个刻度盘(9)，四个差动螺母(8)分别设置在四个刻度盘(9)的内孔中，差动螺母(8)的外表面上部与刻度盘(9)的内孔固定连接，差动螺母(8)的外表面下部的外螺纹与所在螺纹孔的螺纹啮合，四个螺柱(7)分别设置在四个螺纹孔内，并延伸至四个调整垫块(6)的内孔内固定，四个螺柱(7)的外螺纹分别与四个差动螺母(8)的内螺纹啮合；

通过旋转四个刻度盘(9)，调整固定电容极板(5)与可动电容极板(4)的初始间距d₀。

2.根据权利要求1所述的电容式三维力传感器，其特征在于，所述传感器还包括保护外壳(2)和密封端盖(3)；

密封端盖(3)设置在弹性载体(1)的受力端，保护外壳(2)套在弹性载体(1)的外表面，保护外壳(2)的一端与弹性载体(1)的固定端连接，保护外壳(2)的另一端与密封端盖(3)固定连接。

3.根据权利要求1所述的电容式三维力传感器，其特征在于，调整垫块(6)的形状和尺寸与槽的两侧面相配合，抑制调整垫块(6)转动。

4.根据权利要求1所述的电容式三维力传感器，其特征在于，根据固定电容极板(5)与可动电容极板(4)的初始间距d₀，获得传感器测力灵敏度S_CF和量程Δd_max；

d₀＝(5～10)Δd_max，

ε是固定电容极板(5)与可动电容极板(4)间介质的介电常数，S是固定电容极板(5)与可动电容极板(4)的相对面积，k是与弹性载体(1)刚度有关的常数。

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