CN114659697B - 一种基于电容传感器的柔性六维力传感器 - Google Patents

一种基于电容传感器的柔性六维力传感器 Download PDF

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    • G01L5/165—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in capacitance

Abstract

本发明涉及一种基于电容传感器的柔性六维力传感器,解决现有的六维力传感器结构复杂、安装要求高，使用局限性大的问题。本装置包括正方形的胶块，所述胶块三组相对的侧面之间分别设置有压力传感器，所述压力传感器为变距离式电容传感器，所述胶块同一顶点的三个侧面内设置有扭矩传感器。本发明摈弃了复杂的机械连接结构，利用胶块受压力和扭转力矩产生的变形，转换为电容传感器的电容变化信号进行输出，结构简单，加工精度要求低，成本低，使用寿命可靠，且方便更换。

Description

一种基于电容传感器的柔性六维力传感器
技术领域
本发明属于传感器领域，涉及一种六维力传感器，涉及一种基于电容传感器的柔性六维力传感器。
背景技术
传感器是科学研究中普遍应用的测量工具，常用的传感器有温度传感器、距离传感器、压力传感器等。电容传感器是一种可变电容器，将被测量对象的尺寸、压力变化转化为电容变化，经过换算出测量值。
六维力传感器是一种测量X、Y、Z轴三个方向压力分量以及三个方向力矩分量的传感器。现有的六维力传感器一般为梁式框架结构，在各个节点上分别设置不同方向的压力传感器和扭力传感器，如公开号为CN113739976A的一种整体式结构解耦六维力传感器，公开号为CN113739975A的一种结构解耦六维力传感器。以上传感器结构复杂、安装精度要求高，局限性较大。也有其他类型的六维力传感器如公开号为CN113607313A的基于C形梁的层积式光纤光栅六维力-力矩传感器，通常也是通过复杂的机械连接结构来安放各个方向的力矩、扭力传感器。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的六维力传感器结构复杂、安装要求高，使用局限性大的问题，提供一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，采用柔性材料包埋六个方向的电容传感器，成型后对电容传感器和对应的压力和力矩进行标定，实现六维力的测量，摒弃了复杂的机械连接结构，结构简单，外形尺寸可以大大缩减，生产成本低廉。
本发明解决其技术问题所采用的一种技术方案是：一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，包括正方形的胶块，所述胶块三组相对的侧面之间分别设置有压力传感器，所述压力传感器为变距离式电容传感器，每个压力传感器包括相对设置的两个平面电极片，两平面电极片分别嵌设在胶块相对的两侧面、相互平行且对齐；所述胶块同一顶点的三个侧面内设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器在对应侧面居中设置，所述扭矩传感器为变面积式电容传感器，扭矩传感器包括两组存在间距且相互对齐的扇形电极片，两组扇形电极片埋设于胶块内且随胶块扭转，两组扇形电极片均与胶块对应侧面平行。
本方案的六维力传感器，采用电容传感器结合柔性的胶块，摈弃了复杂的机械连接结构，利用胶块受压力和扭转力矩产生的变形，转换为电容传感器的电容变化信号进行输出，对电容信号和力及力矩的对应关系进行标定后，可以根据电容变化值简单换算成力或力矩值，实现六维力的大小和方向的测量。
作为优选，所述胶块在预埋压力传感器和扭矩传感器后浇筑成型。采用预埋浇筑的方式可以让胶块和传感器的电极片有更好的随动性。
作为优选，各压力传感器的平面电极片和各扭矩传感器的扇形电极片分别通过引线连接至电容计算电路板，所述电容计算电路板设置在胶块的外侧。电容计算电路板在极端条件下可以通过万用表的代替。
作为优选，所述平面电极片为圆形电极片。
作为优选，所述扭矩传感器的两组扇形电极片间距不超过胶块厚度的50%。扭矩传感器需要居中设置，因此三个方向的扭矩传感器会轴线存在交点，因此扭矩传感器采用短间距的设置方式，三个扭矩传感器不交叉，避免相互影响，由于扭矩传感器的扇形电极片之间存在间距，当胶块扭转时，不同位置的扇形电极片会产生相对扭转，从而使两组扇形电极片对齐的有效面积变小，电容发生变化，反应出扭矩的大小和方向。
作为优选，所述扇形电极片分多个扇形段设置，相邻扇形段的间距不小于扇形段自身的宽度。扇形电极片可以分2-3段设置，扇形段的间距不小于扇形段自身的宽度，可以扇形电极片过量转动导致电容反向增加。
作为优选，所述扭矩传感器的两组扇形电极片之间设置弹性绝缘支架，所述弹性绝缘支架为薄片状。弹性绝缘支架可以采用与胶块同样的材质，在预埋时候对两组扇形电极片进行支撑。
作为优选，同一压力传感器的两平面电极板之间掺入云母介质填充，同一扭矩传感器的两组扇形电极片之间掺入云母介质填充。云母介质可以提升电容传感器的灵敏度。
作为优选，胶块同一侧面的压力传感器设置在扭矩传感器的侧方，且胶块三个方向的压力传感器和扭矩传感器相对位置一致。胶块各向同性。
作为优选，所述胶块为硅胶块。
本发明采用电容传感器包埋于柔性的胶块，摈弃了复杂的机械连接结构，利用胶块受压力和扭转力矩产生的变形，转换为电容传感器的电容变化信号进行输出，结构简单，加工精度要求低，成本低，使用寿命可靠，且方便更换。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是本发明的一种压力传感器位置示意图。
图3是本发明的一种扭矩传感器结构示意图。
图4是本发明的一种扭矩传感器扇形电极片错位示意图。
图中 ：1、硅胶块，2、压力传感器，3、平面电极片，4、扭矩传感器，5、扇形电极片，6、弹性绝缘支架，7、电容计算电路板，8、有效面积。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
实施例1：一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，如图1、2所示。包括正方形的硅胶块1，所述硅胶块1三组相对的侧面之间分别设置有压力传感器2，所述压力传感器2为变距离式电容传感器，每个压力传感器包括相对设置的两个平面电极片3，平面电极片3为圆形电极片，两平面电极片分别嵌设在硅胶块相对的两侧面、相互平行且对齐。所述硅胶块1同一顶点的三个侧面内设置有扭矩传感器4，所述扭矩传感器在对应侧面居中设置。如图3所示，所述扭矩传感器4为变面积式电容传感器，扭矩传感器包括两组存在间距且相互对齐的扇形电极片5，两组扇形电极片5埋设于硅胶块内且随硅胶块扭转，两组扇形电极片5均与硅胶块1对应侧面平行。硅胶块1同一侧面的压力传感器2设置在扭矩传感器4的侧方，且硅胶块三个方向的压力传感器和扭矩传感器相对位置一致。硅胶块1在预埋压力传感器2和扭矩传感器4后浇筑成型。各压力传感器2的平面电极片3和各扭矩传感器4的扇形电极片5分别通过引线连接至电容计算电路板7，所述电容计算电路板设置在硅胶块1的外侧。
如图1、3所示，扭矩传感器4的两组扇形电极片5相互对齐，间距不超过硅胶块1厚度的50%。扇形电极片5分两个扇形段设置，两个扇形段相互对称，且扇形段自身弧度不超过90度。两组扇形电极片5之间设置弹性绝缘支架6，所述弹性绝缘支架为薄片状，采用与硅胶块相同的材质，主要用于预埋时的支撑。如图4所示，当硅胶块收到扭转力矩，扭矩传感器的两组扇形电极片旋转错位，两组扇形电极片5相互对齐的有效面积8发生变化，导致电容线性变化，电容变化可以通过换算计算力矩大小。
实施例2：一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，如图1所示。本实施例中，硅胶中整体掺入云母材质，以提升电容传感器精度。其余结构与实施例1相同。

Claims (6)

1.一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，其特征在于：包括正方形的胶块，所述胶块三组相对的侧面之间分别设置有压力传感器，所述压力传感器为变距离式电容传感器，每个压力传感器包括相对设置的两个平面电极片，两平面电极片分别嵌设在胶块相对的两侧面、相互平行且对齐；所述胶块同一顶点的三个侧面内设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器在对应侧面居中设置，所述扭矩传感器为变面积式电容传感器，扭矩传感器包括两组存在间距且相互对齐的扇形电极片，两组扇形电极片埋设于胶块内且随胶块扭转，两组扇形电极片均与胶块对应侧面平行；所述胶块在预埋压力传感器和扭矩传感器后浇筑成型；所述扇形电极片分多个扇形段设置，相邻扇形段的间距不小于扇形段自身的宽度；所述扭矩传感器的两组扇形电极片之间设置弹性绝缘支架，所述弹性绝缘支架为薄片状；胶块同一侧面的压力传感器设置在扭矩传感器的侧方，且胶块三个方向的压力传感器和扭矩传感器相对位置一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，其特征在于：各压力传感器的平面电极片和各扭矩传感器的扇形电极片分别通过引线连接至电容计算电路板，所述电容计算电路板设置在胶块的外侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，其特征在于：所述平面电极片为圆形电极片。
4.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，其特征在于：所述扭矩传感器的两组扇形电极片间距不超过胶块厚度的50%。
5.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，其特征在于：同一压力传感器的两平面电极板之间掺入云母介质填充，同一扭矩传感器的两组扇形电极片之间掺入云母介质填充。
6.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的柔性六维力传感器，其特征在于：所述胶块为硅胶块。
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