CN115683436A - 一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其包括传感器弹性安装架，磁致伸缩力检测材料贴片以及励磁线圈、检测线圈。本发明基于逆磁致伸缩效应检测X，Y，Z三个方向的力Fx，Fy，Fz的大小。本发明提出使用逆磁致伸缩效应为原理的力敏元件，其原理是利用磁致伸缩材料受力会导致其磁特性发生改变，利用励磁线圈、检测线圈感应其磁特性的变化量，从而推导出力的大小。利用磁致伸缩效应结合弹性安装架以提高传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器。
背景技术
力传感器是一种能感受拉力或压力并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和弹性元件组成。力传感器在机器人技术领域应用广泛，一般安装在机器人各个关节内部，能够全面地感知机器人与外部环境相互作用时所承受的力矩大小，为机器人的柔顺控制提供力感信息。
目前对力进行测量的几种主要方法包括应变式、光电式、电容式以及磁弹式等，各个方法都有其特有的优势，也存在着各自的缺点，适合应用的领域也往往不同。
应变片传感器对力的测量是通过在弹性梁上粘贴应变片组成测量电桥，当弹性梁受力产生微小变形后引起电桥中电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现力的测量。其具有精度灵敏度高，成本低廉等优点。
光电式传感器将开孔数完全相同的两片光栅固定在弹性梁上，并将光电元件和固定光源分别固定在光栅两侧，弹性梁无力作用时两片光栅的明暗条纹错开，完全遮挡光路。有力作用时两个光栅的截面产生相对转角，明暗条纹部分重合，部分光线透过光栅照到光敏元件上，输出电信号。通过测量输出的电信号能够测得外加力的大小。其优点在于可以实时监测，响应迅速；缺点是结构复杂、静态标定困难、可靠性较差、抗干扰能力差。
电容式力传感器是通过给弹性体安装两个电极，当弹性体受力时，两片电极之间的面积或者距离会发生变化，此时电容就会发生改变。通过检测电容的变化来得到力的大小。
磁弹式力传感器是在弹性梁上粘贴磁致伸缩材料，在弹性梁上施加力后，弹性梁的应力应变会导致粘贴在其上的磁致伸缩材料发生应力应变，由于逆磁致伸缩效应，磁致伸缩材料受到应力时其磁导率会发生改变，通过检测其磁导率的变化来得到力的大小。
现有磁弹式力传感器根据测量方式一般分为旁路式和套筒式。旁路式通常在磁致伸缩材料旁放置一个U型磁铁，并在U型磁铁上绕上激励与检测绕组，使其系统闭合为一个完整的磁路；套筒式通常是利用两个套筒将磁致伸缩材料完全包裹，激励绕组在最外层，检测绕组在激励绕组内测，使磁力线完整覆盖磁致伸缩材料。但上述两种测量方式都存在体积较大，难以小型化的缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，成本低、灵敏度高、响应速度快而且结构强度高。
本发明采取以下技术方案实现上述目的：
一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，包括弹性安装架、至少三个磁致伸缩力检测材料贴片以及至少三个PCB板；所述弹性安装架包括中心法兰、四个外圈固定块、八根浮动梁以及四根应变梁，四根所述应变梁沿水平方向均匀布置在所述中心法兰的侧壁上，四个所述外圈固定块间隔设在所述中心法兰的周围，所述应变梁的一端连接所述中心法兰，另一端通过所述浮动梁连接所述外圈固定块；
所述应变梁以所述中心法兰为原点分为X轴和Y轴，所述磁致伸缩力检测材料贴片分别位于X轴方向上的所述应变梁的侧面、Y轴方向上的所述应变梁的侧面以及任一所述应变梁的底面；
每一所述PCB板的底层均安装有检测线圈，每一所述PCB板的顶层均安装有励磁线圈，所述PCB板固定安装在所述磁致伸缩力检测材料贴片上，一个所述磁致伸缩力检测材料贴片对应安装一个所述PCB板，且所述PCB板位于所述检测线圈的一面贴紧所述磁致伸缩力检测材料贴片。
优选地，所述中心法兰的中间设有一个通孔，所述通孔的周围均匀分布有八个安装孔。
优选地，所述应变梁为一端贯通的空心结构。
优选地，所述磁致伸缩力检测材料贴片为采用1K107材料制作的薄片材料，且所述磁致伸缩力检测材料贴片为正方形。
优选地，所述磁致伸缩力检测材料贴片与所述应变梁的连接方式为粘贴连接。
优选地，所述PCB板与所述磁致伸缩力检测材料贴片的固定安装方式为粘贴连接。
优选地，每一所述外圈固定块上均设有两个固定安装孔。
优选地，所述磁致伸缩力检测材料贴片和所述PCB板各设为六个，六个所述磁致伸缩力检测材料贴片分别位于X轴方向上的两根所述应变梁的侧面、Y轴方向上的两根所述应变梁的侧面以及任意两根所述应变梁的底面。
本发明的有益效果是：
本发明所描述的基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，基于逆磁致伸缩效应检测X，Y，Z三个方向的力Fx，Fy，Fz的大小，其原理是利用磁致伸缩材料贴片受力会导致其磁特性发生改变，并利用励磁线圈、检测线圈感应其磁特性的变化量，从而推导出力的大小。利用磁致伸缩效应结合弹性安装架以提高传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施方式提供的基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器的结构示意图；
图2为本发明实施方式提供的基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器中的弹性安装架的结构示意图。
附图中，1-弹性安装架，11-中心法兰，12-外圈固定块，13-浮动梁，14-应变梁，15-通孔，16-安装孔，17-固定安装孔，2-磁致伸缩力检测材料贴片，3-PCB板。
具体实施方式
下面结合附图1～2和具体实施方式对本发明进行详细说明。
请同时参见图1～2，本实施方式提供一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，包括弹性安装架1、六个磁致伸缩力检测材料贴片2以及六个PCB板3。弹性安装架1包括中心法兰11、四个外圈固定块12、八根浮动梁13以及四根应变梁14。四根应变梁14沿水平方向均匀布置在中心法兰11的侧壁上，四个外圈固定块12间隔设在中心法兰11的周围，应变梁14的一端连接中心法兰11，另一端通过浮动梁13连接外圈固定块12；
应变梁14以中心法兰11为原点分为X轴和Y轴，磁致伸缩力检测材料贴片2分别位于X轴方向上的应变梁14的侧面、Y轴方向上的应变梁14的侧面以及任意应变梁14的底面；
每一PCB板3的底层均安装有检测线圈，每一PCB板3的顶层均安装有励磁线圈，PCB板3固定安装在磁致伸缩力检测材料贴片2上，一个磁致伸缩力检测材料贴片2对应安装一个PCB板3，且PCB板3位于检测线圈的一面贴紧磁致伸缩力检测材料贴片2。
在本实施方式中，中心法兰11的中间设有一个通孔15，通孔15的周围均匀分布有八个安装孔16，用于配合外部件进行安装。
在本实施方式中，应变梁14为一端贯通的空心结构，提高应变梁14的变形量，以提高传感器的测量灵敏度。
在本实施方式中，磁致伸缩力检测材料贴片2为采用1K107材料制作的薄片材料，且六个磁致伸缩力检测材料贴片2均为大小相同的正方形。磁致伸缩力检测材料贴片2与应变梁14的连接方式为粘贴连接。PCB板3与磁致伸缩力检测材料贴片2的固定安装方式也为粘贴连接。
在本实施方式中，每一外圈固定块12上均设有两个固定安装孔17，用于配合外部件进行安装。
在本实施方式中，磁致伸缩力检测材料贴片2和PCB板3各设为六个，六个磁致伸缩力检测材料贴片2分别位于X轴方向上的两根应变梁14的侧面、Y轴方向上的两根应变梁14的侧面以及任意两根应变梁14的底面。具体地，其中两个磁致伸缩力检测材料贴片2设在X轴正方向和Y轴正方向上的应变梁14的底面。
工作原理：
本发明的一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器在使用时，力或力矩输入时会导致应变梁14发生应力应变，从而引起粘贴在其上的磁致伸缩力检测材料贴片2产生应力，根据磁致伸缩材料的逆磁致伸缩效应，在励磁线圈产生的交变磁场中会改变其磁通，检测线圈检测到磁通的变化继而转化成电学信号来表示所受力或力矩的变化。
本发明对于X，Y，Z三个方向的力Fx，Fy，Fz的检测各通过两组PCB板3上的励磁线圈和检测线圈共同完成。
对于X轴方向的力的检测，通过Y轴方向上的两根应变梁14的侧面上的磁致伸缩力检测材料贴片2进行力敏检测，再通过其上粘贴的PCB板3上的励磁线圈和检测线圈将磁特性转换为电特性，并通过两组PCB板3的线圈信号的差分进行放大处理，具体为测量结果取Y轴方向上的两组检测线圈的平均值，以消除偶然误差。
对于Y轴方向的力的检测，通过X轴方向上的两根应变梁14的侧面上的磁致伸缩力检测材料贴片2进行力敏检测，再通过其上粘贴的PCB板3上的励磁线圈和检测线圈将磁特性转换为电特性，并通过两组PCB板3的线圈信号的差分进行放大处理，具体为测量结果取X轴方向上的两组检测线圈的平均值，以消除偶然误差。
对于Z轴方向的力的检测，通过X轴正方向和Y轴正方向上的应变梁14的底面的磁致伸缩力检测材料贴片2进行力敏检测，再通过其上粘贴的PCB板3上的励磁线圈和检测线圈将磁特性转换为电特性，并通过两组PCB板3的线圈信号的差分进行放大处理，具体为测量结果取应变梁14底面的两组检测线圈的平均值，以消除偶然误差。
磁弹效应是铁磁材料所具有的独特的物理性质，其表明了在外部作用力的影响下，其内部的参数磁导率会改变。由铁磁材料制作而成的弹性轴在稳定的外部激励场的作用下，与此同时，它又受到外部作用力的影响时，弹性轴材料磁化状态的改变可以看作是磁导率改变的结果。磁性材料在扭矩或应力的作用下，其内部磁畴结构的改变是影响材料内部磁化状态改变的原因。所以说，利用铁磁材料的磁弹效应可以通过测量对其加载扭矩时其磁化强度的改变来表征其应力状态变化，从而将测量扭矩的问题转化为测量材料的磁化强度的问题。除此之外，磁致伸缩系数这一物理量的正负也会影响磁畴的转动方向。该传感器从磁导率的改变和磁感应强度的改变来探讨弹性轴材料的磁化状态改变。实际上，磁化强度的改变就是磁感应强度的改变，所以我们可以从宏观的磁感应强度的改变来分析施加的外部扭矩。
可以理解的是，X轴方向仅有其中一根应变梁14上设有PCB板3，也可以得到X轴方向的力的检测结果。
可以理解的是，Y轴方向仅有其中一根应变梁14上设有PCB板3，也可以得到Y轴方向的力的检测结果。
可以理解的是，仅有其中一根应变梁14的底面设有PCB板3，也可以得到Z轴方向的力的检测结果。
虽然，上文中已经用具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其特征在于，包括弹性安装架、至少三个磁致伸缩力检测材料贴片以及至少三个PCB板；所述弹性安装架包括中心法兰、四个外圈固定块、八根浮动梁以及四根应变梁，四根所述应变梁沿水平方向均匀布置在所述中心法兰的侧壁上，四个所述外圈固定块间隔设在所述中心法兰的周围，所述应变梁的一端连接所述中心法兰，另一端通过所述浮动梁连接所述外圈固定块；
所述应变梁以所述中心法兰为原点分为X轴和Y轴，所述磁致伸缩力检测材料贴片分别位于X轴方向上的所述应变梁的侧面、Y轴方向上的所述应变梁的侧面以及任一所述应变梁的底面；
每一所述PCB板的底层均安装有检测线圈，每一所述PCB板的顶层均安装有励磁线圈，所述PCB板固定安装在所述磁致伸缩力检测材料贴片上，一个所述磁致伸缩力检测材料贴片对应安装一个所述PCB板，且所述PCB板位于所述检测线圈的一面贴紧所述磁致伸缩力检测材料贴片。
2.根据权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其特征在于，所述中心法兰的中间设有一个通孔，所述通孔的周围均匀分布有八个安装孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其特征在于，所述应变梁为一端贯通的空心结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其特征在于，所述磁致伸缩力检测材料贴片为采用1K107材料制作的薄片材料，且所述磁致伸缩力检测材料贴片为正方形。
5.根据权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其特征在于，所述磁致伸缩力检测材料贴片与所述应变梁的连接方式为粘贴连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其特征在于，所述PCB板与所述磁致伸缩力检测材料贴片的固定安装方式为粘贴连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其特征在于，每一所述外圈固定块上均设有两个固定安装孔。
8.根据权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的三维力传感器，其特征在于，所述磁致伸缩力检测材料贴片和所述PCB板各设为六个，六个所述磁致伸缩力检测材料贴片分别位于X轴方向上的两根所述应变梁的侧面、Y轴方向上的两根所述应变梁的侧面以及任意两根所述应变梁的底面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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