CN112362200A - 一种十字型双直梁电容式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十字型双直梁电容式扭矩传感器，其由上端盖、感应动电极组，PCB信号处理板、传感器主体以及下端盖组成；传感器主体主要由外圈、内圈以及连接于内外圈间的变形梁组成，变形梁截面形状为双矩形，绕轴向呈十字型分布，外圈内侧设有第一凹槽和第二凹槽。感应动电极组与内圈连接，PCB信号处理板通过螺钉固接于外圈。本发明采用截面形状为双矩形的十字型双直梁作为变形梁，能在不降低传感器抗偏载性能前提下，提高电容式扭矩传感器灵敏度。同时通过在传感器外圈内侧设置第一凹槽和第二凹槽，分别增加了动极板长度和变形梁长度，进一步提高了电容式扭矩传感器的灵敏度。

Description

一种十字型双直梁电容式扭矩传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及力传感器，特别涉及一种十字型双直梁电容式扭矩传感器。

背景技术

机器人技术广泛应用于航空航天、医疗以及各类工业领域，近年来涉及人机交互的应用迅速增加，安全性和可靠性成为机器人的重要指标。目前较为成熟的扭矩传感器主要为应变式，应变式传感器电路设计复杂，对应变片黏贴的工艺要求很高，价格昂贵，且容易损坏。电容式扭矩传感器结构简单、动态性能好，属于非接触测量，是未来机器人关节扭矩传感器的发展趋势。

现阶段国内电容式扭矩传感器研发工作刚刚起步，大部分电容式扭矩传感器采用等截面单直梁作为变形梁，通常需要降低变形梁扭转刚度来提高电容式扭矩传感器灵敏度。而为了降低扭转刚度，需对变形梁结构尺寸进行相应变化，又会导致其他偏载方向的抗弯刚度显著下降，影响电容式扭矩传感器的抗偏载性能。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前电容式扭矩传感器的不足，提出了一种十字型双直梁电容式扭矩传感器，通过将等截面直梁沿传感器径向分成两根平行且尺寸一致的直梁，在保持变形梁偏载方向抗弯刚度不变的情况下，降低其沿传感器轴向旋转方向变形梁的抗弯刚度，从而在不增加偏载干扰的同时提高了传感器灵敏度。

为了实现上述目标，本发明的技术方案如下：

一种十字型双直梁电容式扭矩传感器至少包括上端盖1、感应动电极组2、PCB信号处理板3、传感器主体4、下端盖5；所述传感器主体4至少包括外圈4-1、内圈4-2以及变形梁4-3；所述变形梁4-3为双直梁结构，呈十字型分布，且截面形状为双矩形，一端连接于内圈4-2外侧，另一端连接于外圈4-1内侧；所述上端盖1以及下端盖5分别通过螺钉连接于传感器主体4上下两端；所述感应动电极组2通过螺钉连接于内圈4-2；所述PCB信号处理板3通过螺钉固定连接于外圈4-1。

所述外圈4-1内侧设有第一凹槽4-1-1、第二凹槽4-1-2以及走线孔4-1-3。所述走线孔4-1-3用于穿过传感器信号线。所述内圈4-2设有第三凹槽4-2-1。所述感应动电极组2至少包括感应动极板2-2和绝缘连接件2-1，感应动极板2-2通过绝缘连接件2-1嵌在内圈4-2上的第三凹槽4-2-1内。所述绝缘连接件2-1包括感应动极板定位端2-1-2，感应动极板定位端2-1-2上方垂直固接有固定端2-1-1。所述PCB信号处理板3上设有感应静电极3-1；所述感应静电极3-1与感应动电极板2-2构成垂直极板型电容器6。

本发明的特点和有益效果在于：

(1)本发明采用十字型双直梁作为传感器变形梁，与截面面积相同以及长度相等的单直梁相比，能够在偏载方向抗弯刚度不变的情况下，降低沿传感器轴向旋转方向的抗弯刚度，从而在不增加偏载干扰的同时提高传感器的灵敏度。

(2)本发明在不改变传感器尺寸的情况下，通过设置第三凹槽增加变形梁长度，设置第二凹槽增加感应动极板的长度，在两者共同作用下，进一步提高了传感器的灵敏度。

(3)本发明动感应动电极组通过绝缘连接件嵌在传感器主体的内圈凹槽内，实现传感器转换元件电容器和传感器机械本体电气隔离，减小了带电体靠近或接触传感器机械本体而对传感器测量精度的影响。

附图说明

图1为本发明整体结构爆炸图；

图2为本发明传感器主体结构示意图；

图3为本发明传感器主体和感应动电极组装配图；

图4为本发明感应动电极组结构示意图；

图5为本发明传感器主体、感应动电极组和PCB信号处理板装配示意图；

附图中，上端盖1，感应动电极组2，绝缘连接件2-1，固定端2-1-1，动极板感应动极板定位端2-1-2，感应动极板2-2，PCB信号处理板3，感应静电极3-1，传感器主体4，外圈4-1，第一凹槽4-1-1，第二凹槽4-1-2，走线孔4-1-3，内圈4-2，第三凹槽4-2-1，变形梁4-3，下端盖5，垂直极板型电容器6。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，在下文将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。

如图1、图2所示，一种十字型双直梁电容式扭矩传感器至少包括上端盖1、感应动电极组2，PCB信号处理板3、传感器主体4、下端盖5；所述传感器主体4至少包括外圈4-1、内圈4-2以及变形梁4-3；所述变形梁4-3截面形状为双矩形，结构为双直梁，呈十字型分布，其数目为4，其一端连接于内圈4-2外侧，另一端连接于外圈4-1内侧；所述上端盖1以及下端盖5分别通过螺钉连接于传感器主体4上下两端，其作用为将传感器进行密封处理；所述感应动电极组2通过螺钉连接于内圈4-2；所述PCB信号处理板3通过螺钉固定连接于外圈4-1。

如图2所示，所述外圈4-1内侧设有第一凹槽4-1-1、第二凹槽4-1-2以及走线孔4-1-3；所述走线孔4-1-3用于穿过传感器信号线；所述内圈4-2设有第三凹槽4-2-1；四个第一凹槽4-1-1对称设置在外圈4-1内侧，与第一凹槽4-1-1呈45°设有第二凹槽4-1-2，第二凹槽4-1-2内设有作为传感器敏感元件的变形梁4-3，变形梁4-3另一端和传感器内圈4-2连接。第一凹槽4-1-1和第二凹槽4-1-2用于在不增大传感器尺寸的情况下分别增加感应动极板2-2和变形梁4-3的长度。

如图3、图4所示，所述感应动电极组2至少包括感应动极板2-2和绝缘连接件2-1，感应动极板2-2通过绝缘连接件2-1嵌在内圈4-2上的第三凹槽4-2-1内。

所述绝缘连接件2-1包括感应动极板定位端2-1-2，感应动极板定位端2-1-2上方垂直固接有固定端2-1-1。

如图5所示，所述PCB信号处理板3上设有感应静电极3-1；所述感应静电极3-1与感应动电极板2-2构成垂直极板型电容器6。

其工作原理，传感器工作时，外圈4-1固定，对内圈4-2施加扭矩，扭矩通过内圈4-2传递至变形梁4-3，使变形梁4-3发生变形，内圈4-2相对外圈4-1产生位移，因此感应动极板2-2相对PCB信号处理板3产生位移，引起垂直极板型电容器6电容产生变化，测量出变化的电容量，并标定出电容变化量与对应力矩值的关系式，实现对力矩的测量。

最后说明的是以上仅是本发明的优选实施方式，而本发明并非仅局限于以上实施例，还可以做各种修改或变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡运用本发明原理所研究的等效技术变化，均包含于本发明的专利范围内。

Claims (6)

1.一种十字型双直梁电容式扭矩传感器，包括上端盖(1)、感应动电极组(2)、PCB信号处理板(3)、传感器主体(4)、下端盖(5)；其特征在于所述传感器主体(4)至少包括外圈(4-1)、内圈(4-2)以及变形梁(4-3)；所述变形梁(4-3)为双直梁结构，其数目为4，呈十字型分布，且截面形状为双矩形，其一端连接于内圈(4-2)外侧，另一端连接于外圈(4-1)内侧；所述上端盖(1)以及下端盖(5)分别通过螺钉连接于传感器主体(4)上下两端；所述感应动电极组(2)通过螺钉连接于内圈(4-2)；所述PCB信号处理板(3)通过螺钉固定连接于外圈(4-1)。

2.根据权利要求1所述的一种十字型双直梁电容式扭矩传感器，其特征在于，所述外圈(4-1)内侧设有第一凹槽(4-1-1)、第二凹槽(4-1-2)以及走线孔(4-1-3)。

3.根据权利要求1所述的一种十字型双直梁电容式扭矩传感器，其特征在于，所述内圈(4-2)设有第三凹槽(4-2-1)。

4.根据权利要求3所述的一种十字型双直梁电容式扭矩传感器，其特征在于，所述感应动电极组(2)至少包括感应动极板(2-2)和绝缘连接件(2-1)，感应动极板(2-2)通过绝缘连接件(2-1)嵌在内圈(4-2)上的第三凹槽(4-2-1)内。

5.根据权利要求4所述的一种十字型双直梁电容式扭矩传感器，其特征在于，所述绝缘连接件(2-1)包括感应动极板定位端(2-1-2)，感应动极板定位端(2-1-2)上方垂直固接有固定端(2-1-1)。

6.根据权利要求4所述的一种十字型双直梁电容式扭矩传感器，其特征在于，所述PCB信号处理板(3)上设有感应静电极(3-1)；所述感应静电极(3-1)与感应动电极板(2-2)构成垂直极板型电容器(6)。

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