CN113008428A - 一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，包括应变横梁、内轮辐和外轮辐，内轮辐与外轮辐分别作为力矩传感器的输入单元或输出单元，内轮辐与外轮辐之间安装有多个应变横梁，应变横梁内开设有通孔，应变横梁上设有与通孔对应的梁槽，该梁槽的开口处安装有压电薄膜。本发明在应变横梁上进行两次应力放大，第一次应力放大通过在应变横梁上开通孔来实现，第二次放大通过在通孔一侧或者两侧位置构建梁槽与压电薄膜构成梁膜结构进行第二次应力放大，这样能大大增加传感器的灵敏度；在检测力矩时，位于两次放大部位的压电薄膜在受力的同时会产生频率变化，通过对频率的测试实现力矩的检测，具有响应时间快，测量精度高，稳定性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料力频特性检测技术领域，特别是涉及一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器。
背景技术
近些年来，机械臂在工业、物流、服务业等各个领域的使用频率不断增长。与此同时，机械臂与人同时作业的场景(如手动示教、康复机器人等)也显著增加。要完成人与机械臂的直接接触需要机械臂具备更加灵巧的运动和优秀的力控性能，这通常通过柔顺控制算法来实现。
柔顺控制算法的关键问题在于机械臂的接触力信息的获得。对于由多个旋转关节所组成的串联机器人来说，一般通过利用检测在施加的力矩时而产生形变的力矩传感器来得到力矩信息。
除了在机器人领域以外，还有许多领域需要力矩传感器来对力矩进行精准检测，如自动机床、钻探机械、汽车发动机等设备，总的来说，只要需要电机的设备都会涉及到力矩的检测，因此力矩传感器在各领域起着重要的作用。
由现有技术可知的各种用于检测力矩的装置应用最多的就是应变片式传感器。例如专利文献CN105965504A描述了一种用于检测力矩的装置，该装置使用四根横梁的轮辐结构结合金属应变仪作为敏感单元，并使用一种将应变仪交错连接的方法对力矩进行检测，该设计总共使用8个应变仪，其中四个应变片为一组组成电桥电路，在实现对应变仪的电阻值进行测量的同时通过特殊的电桥电路实现温度补偿，而另外四个应变仪的安装则是为了在保证整体结构对称性的同时提供另外一组电桥电路作为测量对比参考，减少测量误差，此种传统传感器的设计使得传感器的敏感单元数量太多，传感器的整体刚度会有所降低，同时采用应变片作为传感单元具有精度不高，测量速度慢,动态响应低的缺点。
专利文献CN106737773A则提出一种高刚度的传感器，利用新颖的结构设计，来提高整体结构的刚度，防止轴向和径向力对传感器进行干扰，但是敏感单元仍旧是使用8个金属应变片，且没有对传感单元进行提高灵敏度设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器在应变横梁上进行两次应力放大，第一次应力放大通过在应变横梁上开通孔来实现，第二次放大通过在通孔一侧或者两侧位置构建梁槽与压电薄膜构成梁膜结构进行第二次应力放大，这样能大大增加传感器的灵敏度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，包括应变横梁、内轮辐和外轮辐，所述的内轮辐与外轮辐分别作为力矩传感器的输入单元或输出单元，所述的内轮辐与外轮辐之间安装有多个应变横梁，该应变横梁内开设有通孔，所述的应变横梁上设有与通孔对应的梁槽，该梁槽的开口处安装有压电薄膜。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，每个应变横梁位于通孔的上、下两侧均对称布置有两个梁槽，每个梁槽内均安装有一压电薄膜。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的应变横梁共有两个且沿圆周方向对称布置，其中一个应变横梁侧面的两个压电薄膜为一组，另有一个应变横梁侧面的两个压电薄膜为另外一组，力矩作用时，每组中的两个压电薄膜分别受拉、受压形成差动式，处于相同的温度条件，数字电路在对这两个压电薄膜进行频率测量的同时，通过相减去除温度引起的频率变化，实现温度补偿，得到两组测量数据形成对比，去除温度的影响。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的通孔呈哑铃状。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的压电薄膜的厚度范围为0.01mm-2mm。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的梁槽的开口处设有放置压电薄膜的安装凹槽。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的梁槽和安装凹槽整体呈凸字型。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的内轮辐与外轮辐之间安装有多个支撑梁。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的支撑梁呈扇形块状结构，该支撑梁上开设有减重孔。
作为对本发明所述的技术方案的一种补充，所述的支撑梁共有两个且沿圆周方向对称布置。
有益效果：本发明涉及一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，具有以下几个优点：
1、在应变横梁上进行两次应力放大，第一次应力放大通过在应变横梁上开通孔来实现，第二次放大通过在通孔一侧或者两侧位置构建梁槽与压电薄膜构成梁膜结构进行第二次应力放大，这样能大大增加传感器的灵敏度；
2、以压电薄膜为敏感单元，使用至少一对的压电薄膜敏感单元为一组，组成的数字电路代替传统应变片式传感器中以四个金属应变片敏感单元为一组组成的电桥电路测量力矩，在相同的温度条件下，通过差动结构，相减去除温度引起的频率变化，实现温度补偿，减少传感单元的使用个数，提高传感器的刚度，解决现有力矩传感器敏感单元数量过多的问题；
3、对称布置的支撑梁用于因两次放大之后的结构刚度损失补偿，同时可做到在不增加传感器整体厚度的情况下增加传感器刚度，解决传感器的刚度问题；
4、支撑梁上开设有圆孔，设置圆孔不仅能减轻重量，而且加强支撑梁的抗变形能力；
5、本发明用于力矩检测时，只需要检测石英力频敏感单元的频率变化便可以实现对力矩的检测，数字量的输出，具有精度高，频率稳定性高，响应时间快，抗干扰能力强，滞后小等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一所述的力矩传感器的主视图；
图2是本发明图1的局部放大图；
图3是本发明实施例一所述的力矩传感器的立体图；
图4是本发明实施例二所述的力矩传感器的主视图；
图5是本发明进行灵敏度测试的实验图；
图6是本发明进行解析度测试的实验图。
图示：1、应变横梁，2、压电薄膜，3、安装凹槽，4、梁槽，5、通孔，6、支撑梁，7、内轮辐，8、外轮辐，9、中间岛，10、减重孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，如图1-6所示，包括应变横梁1、内轮辐7和外轮辐8，所述的内轮辐7与外轮辐8分别作为力矩传感器的输入单元或输出单元，一种情况是内轮辐7作为输入单元、外轮辐8作为输出单元，另一种情况是内轮辐7作为输出单元、外轮辐8作为输入单元，两种都可以，内轮辐7和外轮辐8其中一个与电机输出端连接，而另外一个与输出轴连接，作业时，电机将力矩动力传输到与之相连接的轮辐，经过传感器的另外一个轮辐传递至输出轴进而实现力矩的传输。
所述的内轮辐7与外轮辐8之间安装有多个应变横梁1，该应变横梁1两端分别与内轮辐7和外轮辐8相接形成一体，所述的应变横梁1内开设有通孔5，该应变横梁1上设有与通孔5对应的梁槽4，所述的梁槽4的开口处安装有压电薄膜2，应变横梁1上进行两次应力放大，第一次应力放大通过在应变横梁1上开通孔5来实现，第二次放大通过在通孔5一侧或者两侧位置构建梁槽4与压电薄膜2构成梁膜结构进行第二次应力放大，这样能大大增加传感器的灵敏度。
所述的通孔5呈哑铃状，这种哑铃状的形状设计能有效减少传感器的厚度，提高灵敏度、应力均匀度以及材料利用率，还能大大提高传感器的性能。通孔5的形状不仅限于哑铃状、长条状、椭圆状以及各种形状组合等。
所述的梁槽4的开口处设有安装凹槽3，所述的梁槽4和安装凹槽3整体呈凸字型，安装凹槽3的宽度大于梁槽4的宽度，梁槽4与安装凹槽3的连接处形成台阶结构，台阶结构能有效限制压电薄膜2的位置，同时保证压电薄膜2不受到遮挡。设置安装凹槽3只是一种安装形式，还可以将压电薄膜2封装成一个封装体，然后封装体放在梁槽4里面。
所述的内轮辐7与外轮辐8之间安装有多个支撑梁6，所述的支撑梁6呈扇形块状结构，该支撑梁6上开设有减重孔10，设置减重孔10不仅能减轻重量，而且加强支撑梁6的抗变形能力。所述的支撑梁6共有两个且沿圆周方向对称布置，该支撑梁6的数量不仅只有两个，可根据实际需求进行增加。
实施例一：如图1和图3所示，将4个压电薄膜2作为敏感元件，分别放置于两个应变横梁1的侧面，一个应变横梁1侧面的两个压电薄膜2为一组，另有一个应变横梁1侧面的两个压电薄膜2为另外一组，力矩作用时，每组中的两个压电薄膜2分别受拉、受压形成差动式，处于相同的温度条件，数字电路在对这两个压电薄膜2进行频率测量的同时，可通过相减去除温度引起的频率变化，实现温度补偿，而位于另外一个应变横梁1的一组两个压电薄膜2具有相同的原理，可得到两组测量数据，形成对比减少误差，满足结构的对称性，大大减少传感单元使用数量。压电薄膜2的厚度范围为0.01mm-2mm，可以根据实际需求选取压电薄膜2的厚度。
在压电薄膜2的敏感处通过开通孔5和梁膜结构进行两次应力放大，提高检测的灵敏度和精度。对称布置的支撑梁6可用于因两次放大之后的结构刚度损失补偿，同时可做到在不增加传感器整体厚度的情况下增加传感器刚度，解决传感器的灵敏度和刚度问题。
实施例二：所述的内轮辐7内设有中间岛9，中间岛9处于不受力的状态。本次实施例将是在实施例一的基础上提出一种传感元件使用数量更少的方案，此次实施例只含有三个敏感元件(即压电薄膜2)，两个敏感元件受力，交错位于两个应变横梁1上，还有一个敏感元件位于中间岛9上处于不受力的状态，其中两个受力敏感元件分别与不受力敏感元件构成两组频率测量，每一组均含有一个受力和不受力敏感元件，处于相同的温度条件，形成一个敏感元件受力、一个敏感元件不受力的差动方式，通过相减去除温度引起的频率变化，可实现温度补偿，并与另外一组形成对比减少误差，进一步减少敏感元件数量。
本发明在完成传感器结构和敏感单元设计以后，将力矩传感器放置于标定装置上通过悬挂砝码的方式进行静态标定，得到传感器输出频率值与施加扭矩值得关系曲线。扭矩值的大小可以通过砝码重量与施力杆的长度计算得出，最后通过频谱仪(N9020A-503频谱分析仪)采集传感器的频率变化。
一、灵敏度测试
实验时，分10次从0-120NM施加扭矩，然后分10次从120-0NM卸载扭矩，反复重复3次，分别记录传感器上敏感单元的频率变化量。由于存在两根应变梁，每一根梁上两个敏感单元，可得到一组差动式频率数据，两根应变梁可得到两组数据，后期可通过单片机进行计算，并以两组平均值进行输出。现只使用频谱仪对其中一根应变梁上处理后的频率进行测试验证，其结果如图5所示，其中y*表示加载，y表示卸载。
由图5可知，传感器力频系数约为350Hz/NM。由于25M晶片受压力时，频率变化总量程为54000Hz，则对应扭矩量程可达300NM，同时可依据国标(JB 13359-2018)计算出扭矩传感器静态指标如下表所示。
| 线性度 | 灵敏度 | 重复性 | 迟滞性 |
| 1.6％ | 350Hz/NM | 2.8％ | 1.1％ |
二、解析度测试
结合传感器差动式输出，传感器满量程频率变化为105000Hz，经过换算1/10000解析度为10Hz，对应扭矩变化为0.03NM，换算成砝码重量为4g，所以，只需要通过添加4g的砝码，通过观察添加4g砝码的时候频率输出是否稳定，以及线性度情况，完成解析度实验，具体实验结果如图6所示。
由实验结果可以看出，施加4g砝码时，频率输出变化量稳定，且与10Hz相差不大，所以，能达到1/10000的解析度。
本发明对石英晶片进行设计，选定基频25M晶片作为敏感单元，晶片力频系数为5400Hz/N和极限受力为10N。通过ANSYS有限元分析并设计了传感器结构，确定了石英晶片敏感单元的安装位置和晶片的受力情况，并对传感器结构并进行优化，确保晶片主应力方向与晶片平行，并从结构上保证传感器的灵敏度。选用皮尔斯电路作为晶片起振电路，并设计了计频前处理电路，实现频率计数；最后将传感器放置于标定装置中进行标定，得到传感器的量程为300NM，灵敏度为350Hz/NM、线性度为1.6％、迟滞为1.1％以及重复性2.8％，解析度1/10000。
上述仅为本发明的较佳实施例而已，要知道使用三个或四个敏感元件并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原理内做出的任何修改、等同替换和改进等都在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：包括应变横梁(1)、内轮辐(7)和外轮辐(8)，所述的内轮辐(7)与外轮辐(8)分别作为力矩传感器的输入单元或输出单元，所述的内轮辐(7)与外轮辐(8)之间安装有多个应变横梁(1)，该应变横梁(1)内开设有通孔(5)，所述的应变横梁(1)上设有与通孔(5)对应的梁槽(4)，该梁槽(4)的开口处安装有压电薄膜(2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：每个应变横梁(1)位于通孔(5)的两侧均对称布置有两个梁槽(4)，每个梁槽(4)内均安装有一压电薄膜(2)。
3.根据权利要求2所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：所述的应变横梁(1)共有两个且沿圆周方向对称布置，其中一个应变横梁(1)侧面的两个压电薄膜(2)为一组，另有一个应变横梁(1)侧面的两个压电薄膜(2)为另外一组，力矩作用时，每组中的两个压电薄膜(2)分别受拉、受压形成差动式，处于相同的温度条件，得到两组测量数据形成对比。
4.根据权利要求1所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：所述的通孔(5)呈哑铃状。
5.根据权利要求1所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：所述的压电薄膜(2)的厚度范围为0.01mm-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：所述的梁槽(4)的开口处设有放置压电薄膜(2)的安装凹槽(3)。
7.根据权利要求6所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：所述的梁槽(4)和安装凹槽(3)整体呈凸字型。
8.根据权利要求1所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：所述的内轮辐(7)与外轮辐(8)之间安装有多个支撑梁(6)。
9.根据权利要求8所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：所述的支撑梁(6)呈扇形块状结构，该支撑梁(6)上开设有减重孔(10)。
10.根据权利要求8所述的一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，其特征在于：所述的支撑梁(6)共有两个且沿圆周方向对称布置。
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