CN111198062A - 一种应变式六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应变式六维力传感器，包括：一体式弹性体和若干个电阻应变片；该一体式弹性体包括：外环构件、内环构件以及变形梁；在变形梁的左右两侧面上分别放置有电阻应变片，用于测量六维力中的纵向力Fx、垂直力Fz和滚动阻力矩My；在变形梁的正面和反面分别开设有一个径向槽，用于放置有电阻应变片，从而测量六维力中的侧向力Fy、侧倾力矩Mx和回正力矩Mz。本发明能降低各通道的维间耦合度，从而提高六维力传感器的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于测控技术领域，具体是一种用于检测轮胎六维力的应变式六维力传感器及解耦方法。
背景技术
车辆运动控制主要关注轮胎与地面接触位置的轮胎力信息，因此对于轮胎力的测量对车辆动力学稳定性控制品质提升具有重要意义。具体来说，轮胎在行驶过程中只要受到垂直力、侧向力、纵向力和侧倾力矩、滚动阻力矩、回正力矩，对于这些力的测量最直接有效的方法是采用六维力传感器。在六维力传感器中，弹性体结构是影响传感器性能的主要因素。根据弹性体的结构形式区分，弹性体可以分为一体式结构和复合式结构。一体式结构一般为单一几何现状，弹性应变分布于弹性体表面不同区域。复合式结构多为多平面组合式结构，弹性应变分布于弹性体不同表面的不同区域。
按六维力传感器弹性体结构分为两大类，即直接输出型传感器(无耦合型)和间接输出型传感器(耦合型)。直接输出型传感器的弹性体是在力学分析的基础上设计出来的，其输出力的六个分量直接由应变桥或根据结构常数通过简单的计算求得。这种弹性体的结构简单，但是体积较大，并且非整体式的构件会产生很大的滞后。间接输出型传感器的弹性体有梁式、八角环式等类型，其中梁式又分为竖梁和横梁两种结构。这类弹性体的滞后小，但是数据处理比较复杂。
目前，从投入使用的六维力传感器来看，在结构上基本采用间接输出型结构。这种结构的设计存在的问题主要表现在灵敏度与刚度的矛盾、维间耦合两个方面，从而严重影响到传感器的测试精度。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种应变式六维力传感器，以期能降低各通道的维间耦合度，从而提高六维力传感器的测量精度。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种应变式六维力传感器的特点征包括：一体式弹性体和若干个电阻应变片；
所述一体式弹性体包括：外环构件、内环构件以及变形梁；
所述外环构件通过螺栓安装在轮辋适配器上；所述内环构件通过螺栓安装在轮毂适配器上；在所述外环构件和内环构件之间沿圆周方向均匀分布有所述变形梁；
在所述变形梁的左右两侧面上分别放置有电阻应变片，用于测量六维力中的纵向力Fx、垂直力Fz和滚动阻力矩My；在所述变形梁的正面和反面分别开设有一个径向槽，在所述径向槽内放置有电阻应变片，用于测量六维力中的侧向力Fy、侧倾力矩Mx和回正力矩Mz。
本发明所述的应变式六维力传感器的特点也在于，设置所述变形梁有八个，并将八个变形梁按照顺时针依次编号为A～H；
任意一个变形梁的正面径向槽内设置两个电阻应变片；并将靠近所述内环构件的电阻应变片按照顺时针依次编号为第1应变片～第8应变片；靠近所述外环构件的电阻应变片按照顺时针依次编号为第9应变片～第16应变片；
任意一个变形梁的反面径向槽内也设置两个电阻应变片；并将靠近所述内环构件的电阻应变片按照顺时针依次编号为第17应变片～第24应变片；靠近所述外环构件的电阻应变片按照顺时针依次编号为第25应变片～第32应变片；
任意一个变形梁的左右两侧面分别设置有两个电阻应变片，并将靠近所述内环构件的左右两侧面的电阻应变片按照顺时针依次编号为第33应变片～第48应变片；
将靠近所述外环构件的左右两侧面的电阻应变片按照顺时针依次编号为第49应变片～第64应变片。
八个所述变形梁上的所有电阻应变片共组成十二个应变片组；
由第37应变片、第38应变片、第45应变片、第46应变片组成第一个应变片组；
由第53应变片、第54应变片、第61应变片、第62应变片组成第二个应变片组；
由第2应变片、第4应变片、第6应变片、第8应变片、第18应变片、第20应变片、第22应变片、第24应变片组成第三个应变片组；
由第10应变片、第12应变片、第14应变片、第16应变片、第26应变片、第28应变片、第30应变片、第32应变片组成第四个应变片组；
由第33应变片、第34应变片、第41应变片、第42应变片组成第五个应变片组；
由第49应变片、第50应变片、第57应变片、第58应变片组成第六个应变片组；
由第1应变片、第5应变片、第17应变片、第21应变片组成第七个应变片组；
由第9应变片、第13应变片、第25应变片、第29应变片组成第八个应变片组；
由第35应变片、第36应变片、第39应变片、第40应变片、第43应变片、第44应变片、第47应变片、第48应变片组成第九个应变片组；
由第51应变片、第52应变片、第55应变片、第56应变片、第59应变片、第60应变片、第63应变片、第64应变片组成第十个应变片组；
由第3应变片、第7应变片、第19应变片、第32应变片组成第十一个应变片组；
由第11应变片、第15应变片、第27应变片、第31应变片组成第十二个应变片组；
且任意一个应变片组均构成一个惠斯通全桥电路，并依次编号为第一惠斯通全桥电路～第十二惠斯通全桥电路。
将十二个惠斯通全桥电路分为测量电路与校准电路；
所述测量电路共有六个，包括：第一惠斯通全桥电路、第三惠斯通全桥电路、第五惠斯通全桥电路、第七惠斯通全桥电路、第九惠斯通全桥电路和第十一惠斯通全桥电路，并依次编号为第一个测量电路～第六个测量电路；
所述校准电路共有六个，包括：第二惠斯通全桥电路、第四惠斯通全桥电路、第六惠斯通全桥电路、第八惠斯通全桥电路、第十惠斯通全桥电路和第十二惠斯通全桥电路，并依次编号为第一个校准电路～第六个校准电路；
由任意第j个测量电路与相应的第j个校准电路构成第j个通道，j＝1,2,…,6。
由所述第j个测量电路与第j个校准电路通过第j个通道的补偿系数Dj组成第j个解耦模型，并利用式(1)得到第j个通道的补偿系数Dj：
式(1)中：Qi为所述一体式弹性体上所受的第i个力或力矩，
为所述一体式弹性体的第j个测量电路在第i个力或力矩Qi的作用下的耦合输出；
为所述一体式弹性体的第j个校准电路在第i个力或力矩Qi作用下的耦合输出；i＝1,2,…,6，且i≠j。
利用式(2)建立所述第j个解耦模型：
式(2)中：
为所述一体式弹性体的第j个通道在广义力Q作用下的总应变输出；
为所述一体式弹性体的第j个测量电路在广义力Q作用下的应变输出；
为所述一体式弹性体的第j个校准电路在广义力Q作用下的应变输出。
第一个解耦模型
用于获取六维力中的纵向力Fx；
第二个解耦模型
用于获取六维力中的侧向力Fy；
第三个解耦模型
用于获取六维力中的垂直力Fz；
第四个成解耦模型
用于获取六维力中的侧倾力矩Mx；
第五个解耦模型
用于获取六维力中的滚动阻力矩My；
第六个解耦模型
用于获取六维力中的回正力矩Mz。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的应变式六维力传感器中，通过在一体式弹性体上布置十二个应变片组，将十二个应变片组分成六个测量电路与六个校准电路，通过测量电路与校准电路耦合输出比值得到耦合补偿系数，基于耦合补偿系数建立测量电路、校准电路的解耦模型，从而使得传感器的各通道维间耦合度低，即解耦方法简单、有效。
2、本发明弹性体为轮辐式八梁结构，即采用对称式结构，有效减低了维间干扰；同时通过控制径向槽的深度，使得传感器既有很高的刚度又具有很好的灵敏度；
3、本发明中的一体式弹性体可整体加工，减少了重复性误差，且其结构简单，易于加工。
附图说明
图1是本发明八梁应变式六维力传感器弹性体的结构示意图；
图2是本发明八梁应变式六维力传感器弹性体的正视图；
图3是本发明沿图2中A-A线的剖视图；
图4是本发明应变片在弹性体正面上的粘贴示意图；
图5是本发明应变片在弹性体反面上的粘贴示意图；
图6是本发明测量电路接线图；
图7是本发明校准电路接线图；
图8是本发明弹性体在纵向力(Fx)作用下的仿真结果图；
图9是本发明弹性体在侧向力(Fy)作用下的仿真结果图；
图10是本发明弹性体在侧倾力矩(Mx)作用下的仿真结果图；
图11是本发明弹性体在滚动阻力矩(My)作用下的仿真结果图；
图中标号：1外环构件、2内环构件、3变形梁。
具体实施方式
本实施例中，一种应变式六维力传感器，包括：一体式弹性体和若干个电阻应变片；
如图1所示，一体式弹性体包括外环构件1、内环构件2以及变形梁3；
外环构件1通过螺栓安装在轮辋适配器上；内环构件2通过螺栓安装在轮毂上；在外环构件1和内环构件2之间沿圆周方向均匀分布有变形梁3；
其中，一体式弹性体安装在车轮上，受六维力的作用会发生形变，使得粘贴在弹性体上的电阻应变片的阻值发生变化，组桥电路将电阻变化转化成与之相对应的差动电压变化信号，对该信号进行处理可以得到车轮六维力信号。
在变形梁的左右两侧面上分别放置有电阻应变片，用于测量六维力中的纵向力Fx、垂直力Fz和滚动阻力矩My；在所述变形梁的正面和反面分别开设有一个径向槽，在所述径向槽内放置有所述电阻应变片，用于测量六维力中的侧向力Fy、侧倾力矩Mx和回正力矩Mz。
如图2所示，本实施例中的六维力传感器的一体式弹性体采用对称式结构，可有效减低维间干扰；
如图3所示，本实施例通过控制径向槽的深度，电阻应变片粘贴在径向槽内，传感器即有很高的刚度又具有很好的灵敏度；
在径向槽内粘贴电阻应变片的方式可有效减少相邻电阻应变片之间的串扰。特别地，每个电阻应变片的灵敏度是相等的。
如图4、图5所示，本实施例中的应变式六维力传感器是设置变形梁有八个，并将八个变形梁按照顺时针依次编号为A～H；
任意一个变形梁的正面径向槽内设置两个电阻应变片；并将靠近内环构件的电阻应变片按照顺时针依次编号为第1应变片R1～第8应变片R8；靠近外环构件的电阻应变片按照顺时针依次编号为第9应变片R9～第16应变片R16；
任意一个变形梁3的反面径向槽内也设置两个电阻应变片；并将靠近内环构件2的电阻应变片按照顺时针依次编号为第17应变片R17～第24应变片R24；靠近外环构件1的电阻应变片按照顺时针依次编号为第25应变片R25～第32应变片R32；
任意一个变形梁3的左右两侧面分别设置有两个电阻应变片，并将靠近内环构件2的左右两侧面的电阻应变片按照顺时针依次编号为第33应变片R33～第48应变片R48；
将靠近外环构件1的左右两侧面的电阻应变片按照顺时针依次编号为第49应变片R49～第64应变片R64。
本实施例中，八个变形梁上的所有电阻应变片共组成十二个应变片组；
由第37应变片、第38应变片、第45应变片、第46应变片组成第一个应变片组；
由第53应变片、第54应变片、第61应变片、第62应变片组成第二个应变片组；
由第2应变片、第4应变片、第6应变片、第8应变片、第18应变片、第20应变片、第22应变片、第24应变片组成第三个应变片组；
由第10应变片、第12应变片、第14应变片、第16应变片、第26应变片、第28应变片、第30应变片、第32应变片组成第四个应变片组；
由第33应变片、第34应变片、第41应变片、第42应变片组成第五个应变片组；
由第49应变片、第50应变片、第57应变片、第58应变片组成第六个应变片组；
由第1应变片、第5应变片、第17应变片、第21应变片组成第七个应变片组；
由第9应变片、第13应变片、第25应变片、第29应变片组成第八个应变片组；
由第35应变片、第36应变片、第39应变片、第40应变片、第43应变片、第44应变片、第47应变片、第48应变片组成第九个应变片组；
由第51应变片、第52应变片、第55应变片、第56应变片、第59应变片、第60应变片、第63应变片、第64应变片组成第十个应变片组；
由第3应变片、第7应变片、第19应变片、第32应变片组成第十一个应变片组；
由第11应变片、第15应变片、第27应变片、第31应变片组成第十二个应变片组；
由于惠斯通全桥电路具有灵敏度高、非线性误差小的优点，本发明采用惠斯通全桥电路对六个维度上的力进行测量，即任意一个应变片组均构成一个惠斯通全桥电路，并依次编号为第一惠斯通全桥电路～第十二惠斯通全桥电路。
本实施例中，将十二个惠斯通全桥电路分为测量电路与校准电路；
如图6所示，测量电路共有六个，包括：第一惠斯通全桥电路、第三惠斯通全桥电路、第五惠斯通全桥电路、第七惠斯通全桥电路、第九惠斯通全桥电路和第十一惠斯通全桥电路，并先从左到右，再从上到下依次编号为第一个测量电路～第六个测量电路；
如图7所示，校准电路共有六个，包括：第二惠斯通全桥电路、第四惠斯通全桥电路、第六惠斯通全桥电路、第八惠斯通全桥电路、第十惠斯通全桥电路和第十二惠斯通全桥电路，并先从左到右，再从上到下依次编号为第一个校准电路～第六个校准电路；
由任意第j个测量电路与相应的第j个校准电路构成第j个通道，j＝1,2,…,6。
令广义力Q代表传感器弹性体上所受的力和力矩，即：
(Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6)＝(Fx Fy Fz Mx My Mz) (1)
设Qi作用在弹性体上，则除Qi对本身通道有输出外，其他力和力矩对该通道的输出都为耦合输出；
本实施例中，由第j个测量电路与第j个校准电路通过第j个耦合通道的补偿系数Dj组成第j个解耦模型，并利用式(2)得到第j个耦合通道的补偿系数Dj：本实施例中的各通道耦合补偿系数定义为通道测量电路的耦合总输出与校准电路的耦合总输出比值，其表达式为：
式(2)中：Qi为一体式弹性体上所受的第i个力和力矩，
为一体式弹性体的第j个测量电路在第i个力和力矩Qi的作用下的耦合输出；
为一体式弹性体的第j个校准电路在第i个力和力矩Qi作用下的耦合输出；i＝1,2,…,6，且i≠j。
本实施例中，利用式(3)建立第j个解耦模型：
式(3)中：
为一体式弹性体的第j个通道在广义力Q作用下的总应变输出；
为一体式弹性体的第j个测量电路在广义力Q作用下的应变输出；
为一体式弹性体的第j个校准电路在广义力Q作用下的应变输出。
其中，第j测量电路和第j校准电路在广义力Q作用下的应变输出是包括自身通道耦合总输出的，即：
将式(2)、式(4)和式(5)带入式(3)中可得：
由式(6)可知，在广义力Q作用下，传感器的第j通道总应变输出只与对应的力或力矩测量电路输出、校准电路输出和第j通道耦合补偿系数有关，故可实现传感器的解耦。
本实施例中，第一个解耦模型
用于获取六维力中的纵向力Fx；第二个解耦模型
用于获取六维力中的侧向力Fy；第三个解耦模型
用于获取六维力中的垂直力Fz；第四个成解耦模型
用于获取六维力中的侧倾力矩Mx；第五个解耦模型
用于获取六维力中的滚动阻力矩My；第六个解耦模型
用于获取六维力中的回正力矩Mz。
如图8-图11所示为利用有限元分析软件ABAQUS对本发明进行的仿真结果。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，它可广泛应用于土木、地质、材料、机械等工程的分析和科学研究。此处采用ABAQUS6.14软件对本发明的弹性体进行结构静力分析，根据弹性体的形变和提取的应变数据分析其维间耦合情况。
如图8所示，一体式弹性体在纵向力Fx作用下，C梁发生拉伸形变，G梁发生压缩形变，提取第一个应变片组、第二个应变片组的电阻应变片位置的应变数据，通过分析得到Fx通道的最大维间耦合度最大为0.004886％；
一体式弹性体在垂直力Fz作用时，只需要把弹性体旋转90o，分析方法与Fx一致，即A梁发生压缩形变，E梁发生拉伸形变，提取第五个应变片组、第六个应变片组的电阻应变片位置的应变数据，通过分析得到Fz通道的最大维间耦合度为0.002131％。
如图9所示，一体式弹性体在侧向力Fy作用下，B、D、F与H梁正面发生弯曲拉伸，B、D、F与H梁反面发生弯曲压缩，提取第三个应变片组、第四个应变片组的电阻应变片位置的应变数据，通过分析得到Fy通道的最大维间耦合度为0.284068％。
如图10所示，一体式弹性体在侧倾力矩Mx，A梁正面、E梁反面发生弯曲压缩变形，同时A梁反面、E梁正面发生弯曲拉伸变形，提取第七个应变片组、第八个应变片组的电阻应变片位置的应变数据，通过分析得到Mx通道的最大维见耦合度为0.004648％。
一体式弹性体在回正力矩Mz作用时，只需要把弹性体选择90o，分析方法与Mx一致，即C梁正面、G梁反面发生弯曲压缩变形，同时C梁反面、G梁正面发生弯曲拉伸变形，提取第十一个应变片组、第十二个应变片组的电阻应变片位置的应变数据，通过分析得到Mz通道的最大维见耦合度为0.066092％。
如图11所示，一体式弹性体在滚动阻力矩My作用下，B、D、F与H梁左侧发生弯曲拉伸变形，B、D、F与H梁右侧发生弯曲压缩变形，提取第九个应变片组、第十个应变片组的电阻应变片位置的应变数据，通过分析得到My通道的最大维间耦合度为0.012347％。
Claims (7)
1.一种应变式六维力传感器，其特征包括：一体式弹性体和若干个电阻应变片；
所述一体式弹性体包括：外环构件(1)、内环构件(2)以及变形梁(3)；
所述外环构件(1)通过螺栓安装在轮辋适配器上；所述内环构件(2)通过螺栓安装在轮毂适配器上；在所述外环构件(1)和内环构件(2)之间沿圆周方向均匀分布有所述变形梁(3)；
在所述变形梁的左右两侧面上分别放置有电阻应变片，用于测量六维力中的纵向力Fx、垂直力Fz和滚动阻力矩My；在所述变形梁的正面和反面分别开设有一个径向槽，在所述径向槽内放置有电阻应变片，用于测量六维力中的侧向力Fy、侧倾力矩Mx和回正力矩Mz。
2.根据权利要求1所述的应变式六维力传感器，其特征是，设置所述变形梁(3)有八个，并将八个变形梁(3)按照顺时针依次编号为A～H；
任意一个变形梁(3)的正面径向槽内设置两个电阻应变片；并将靠近所述内环构件(2)的电阻应变片按照顺时针依次编号为第1应变片～第8应变片；靠近所述外环构件(1)的电阻应变片按照顺时针依次编号为第9应变片～第16应变片；
任意一个变形梁(3)的反面径向槽内也设置两个电阻应变片；并将靠近所述内环构件(2)的电阻应变片按照顺时针依次编号为第17应变片～第24应变片；靠近所述外环构件(1)的电阻应变片按照顺时针依次编号为第25应变片～第32应变片；
任意一个变形梁(3)的左右两侧面分别设置有两个电阻应变片，并将靠近所述内环构件(2)的左右两侧面的电阻应变片按照顺时针依次编号为第33应变片～第48应变片；
将靠近所述外环构件(1)的左右两侧面的电阻应变片按照顺时针依次编号为第49应变片～第64应变片。
3.根据权利要求2所述的应变式六维力传感器，其特征在于，八个所述变形梁(3)上的所有电阻应变片共组成十二个应变片组；
由第37应变片、第38应变片、第45应变片、第46应变片组成第一个应变片组；
由第53应变片、第54应变片、第61应变片、第62应变片组成第二个应变片组；
由第2应变片、第4应变片、第6应变片、第8应变片、第18应变片、第20应变片、第22应变片、第24应变片组成第三个应变片组；
由第10应变片、第12应变片、第14应变片、第16应变片、第26应变片、第28应变片、第30应变片、第32应变片组成第四个应变片组；
由第33应变片、第34应变片、第41应变片、第42应变片组成第五个应变片组；
由第49应变片、第50应变片、第57应变片、第58应变片组成第六个应变片组；
由第1应变片、第5应变片、第17应变片、第21应变片组成第七个应变片组；
由第9应变片、第13应变片、第25应变片、第29应变片组成第八个应变片组；
由第35应变片、第36应变片、第39应变片、第40应变片、第43应变片、第44应变片、第47应变片、第48应变片组成第九个应变片组；
由第51应变片、第52应变片、第55应变片、第56应变片、第59应变片、第60应变片、第63应变片、第64应变片组成第十个应变片组；
由第3应变片、第7应变片、第19应变片、第32应变片组成第十一个应变片组；
由第11应变片、第15应变片、第27应变片、第31应变片组成第十二个应变片组；
且任意一个应变片组均构成一个惠斯通全桥电路，并依次编号为第一惠斯通全桥电路～第十二惠斯通全桥电路。
4.根据权利要求3所述的应变式六维力传感器，其特征在于，将十二个惠斯通全桥电路分为测量电路与校准电路；
所述测量电路共有六个，包括：第一惠斯通全桥电路、第三惠斯通全桥电路、第五惠斯通全桥电路、第七惠斯通全桥电路、第九惠斯通全桥电路和第十一惠斯通全桥电路，并依次编号为第一个测量电路～第六个测量电路；
所述校准电路共有六个，包括：第二惠斯通全桥电路、第四惠斯通全桥电路、第六惠斯通全桥电路、第八惠斯通全桥电路、第十惠斯通全桥电路和第十二惠斯通全桥电路，并依次编号为第一个校准电路～第六个校准电路；
由任意第j个测量电路与相应的第j个校准电路构成第j个通道，j＝1,2,…,6。
5.根据权利要求4所述的应变式六维力传感器，其特征在于：由所述第j个测量电路与第j个校准电路通过第j个通道的补偿系数Dj组成第j个解耦模型，并利用式(1)得到第j个通道的补偿系数Dj：
式(1)中：Qi为所述一体式弹性体上所受的第i个力或力矩，
为所述一体式弹性体的第j个测量电路在第i个力或力矩Qi的作用下的耦合输出；
为所述一体式弹性体的第j个校准电路在第i个力或力矩Qi作用下的耦合输出；i＝1,2,…,6，且i≠j。
6.根据权利要求5所述的应变式六维力传感器，其特征在于：利用式(2)建立所述第j个解耦模型：
式(2)中：
为所述一体式弹性体的第j个通道在广义力Q作用下的总应变输出；
为所述一体式弹性体的第j个测量电路在广义力Q作用下的应变输出；
为所述一体式弹性体的第j个校准电路在广义力Q作用下的应变输出。
7.根据权利要求6所述的应变式六维力传感器，其特征在于：
第一个解耦模型
用于获取六维力中的纵向力Fx；
第二个解耦模型
用于获取六维力中的侧向力Fy；
第三个解耦模型
用于获取六维力中的垂直力Fz；
第四个成解耦模型
用于获取六维力中的侧倾力矩Mx；
第五个解耦模型
用于获取六维力中的滚动阻力矩My；
第六个解耦模型
用于获取六维力中的回正力矩Mz。
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|---|---|---|---|
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- 2020-01-09 CN CN202010022799.XA patent/CN111198062A/zh active Pending
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