CN117740224A - 一种多通道输出的二分量力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种多通道输出的二分量力传感器，包括应力感知主体，包括设于两端的第一基座和第二基座，第一基座和第二基座之间设有多个应变梁，每个应变梁上设有多个应变敏感元件，应变敏感元件之间通过导线连接成惠斯通电桥，相对应变梁上的每对应变敏感元件组成一个惠斯通电桥，形成多个冗余通道，提高了传感器的可靠性，大幅度降低了因单个传感器的失效而造成的安全隐患，多通道输出的传感器的存在，具有一定的冗余特性，能够保证足够的安全性，符合航天领域、医学领域等的使用需求，多通道输出的力传感器的应用更好的满足了因操作速度、使用环境等因素对机器人的高要求。

Description

一种多通道输出的二分量力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种多通道输出的二分量力传感器。

背景技术

随着科技的不断进步，航空航天、医学检测等高精尖领域也逐步增大对力传感器的需求，力传感器及其配套设备，例如工业机器人、测控机床等集成度较高的设备在当前工业中应用最多，这些设备的主要特点就是存在有力觉和视觉，它具有对外界信息进行反馈调整的能力，力觉系统和视觉系统是机器人感知外界环境、提供反馈信息的重要方式，是目前新型高精度领域感知层面的基本构成要素。

通常情况下，单一的二分量力传感器通常仅输出两个方向的载荷，并且每个方向仅输出单一通道结果，这样可以满足常规的力值测量需求，但是航空航天和医学检测等领域，不允许存在数据异常、数据丢失等情况，尤其是在机械与人体接触的范围，需要保证绝对的安全性和可靠性。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明中提供了一种多通道输出的二分量力传感器，从而有效解决背景技术中所指出的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多通道输出的二分量力传感器，包括：

应力感知主体，包括设于两端的第一基座和第二基座，所述第一基座和所述第二基座之间设有多个应变梁；

所述第一基座上设有被测件，被测件运动使受力方向平行于一对所述应变梁的宽度方向，使所述应变梁产生剪切微量变形；

每个所述应变梁上设有多个应变敏感元件，用于将剪切微量变形转换成为微伏级的电压信号；

所述应变敏感元件之间通过导线连接成惠斯通电桥，相对所述应变梁上的每对所述应变敏感元件组成一个惠斯通电桥，形成多个冗余通道。

进一步地，所述应变梁的数量为大于等于4的偶数。

进一步地，所述应力感知主体上的多个惠斯通电桥均为独立组桥和输出。

进一步地，所述应力感知主体为一体加工成型。

进一步地，所述应变梁为片体结构，所述第一基座和所述第二基座的厚度与所述应变梁的厚度，且所述第二基座与所述应变梁接触区域厚度增加。

进一步地，所述第一基座和所述第二基座的厚度与所述应变梁交界处设有过渡结构，所述过渡结构厚度从中间向两侧逐渐增大。

进一步地，所述第一基座和所述第二基座中心设有过线孔，用于支持设备内部中心走线。

进一步地，所述第二基座的底部设有布线槽，所述布线槽沿所述第二基座长度方向向两侧延伸，每个所述布线槽的末端设有贯穿所述第二基座的引线孔。

进一步地，所述第二基座设有引线夹具，所述引线夹具呈几字型结构。

进一步地，还包括保护套，为筒体结构，套设于所述第一基座和所述应变梁上，用于保护所述应变梁。

通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：

通过设置应力感知主体，包括设于两端的第一基座和第二基座，第一基座和第二基座之间设有多个应变梁，每个应变梁上设有多个应变敏感元件，应变敏感元件之间通过导线连接成惠斯通电桥，相对应变梁上的每对应变敏感元件组成一个惠斯通电桥，形成多个冗余通道，提高了传感器的可靠性，大幅度降低了因单个传感器的失效而造成的安全隐患，多通道输出的传感器的存在，具有一定的冗余特性，能够保证足够的安全性，符合航天领域、医学领域等的使用需求，多通道输出的力传感器的应用则更好的满足了因操作速度、使用环境等因素对机器人的高要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中多通道输出的二分量力传感器的结构示意图；

图2为实施例1中多通道输出的二分量力传感器的另一角度的结构示意图；

图3为实施例1中多通道输出的二分量力传感器去掉保护套的结构示意图；

图4为实施例1中应力感知主体的结构示意图；

图5为实施例1中多通道输出的二分量力传感器的局部爆炸图；

图6为实施例1中被测件运动方向的示意图；

图7为实施例1中应变梁X向受力产生剪切变形的示意图；

图8实施例2中多通道输出的二分量力传感器的结构示意图；

图9实施例3中多通道输出的二分量力传感器的结构示意图；

图10为实施例1中应变敏感元件粘贴分布位置示意图；

图11为实施例1中惠斯通电桥组件方式的示意图。

附图标记：1、应力感知主体；11、第一基座；111、过线孔；12、第二基座；121、安装孔；122、布线槽；123、引线孔；13、应变梁；131、过渡结构；14、引线夹具；2、应变敏感元件；3、保护套；4、连接件；

01、被测件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1：

如图1至7所示：一种多通道输出的二分量力传感器，包括：

应力感知主体1，包括设于两端的第一基座11和第二基座12，第一基座11和第二基座12之间设有多个应变梁13；

第一基座11上设有被测件01，被测件01运动使受力方向平行于一对应变梁13的宽度方向，使应变梁13产生剪切微量变形；

每个应变梁13上设有多个应变敏感元件2，用于将剪切微量变形转换成为微伏级的电压信号；

应变敏感元件2之间通过导线连接成惠斯通电桥，相对应变梁13上的每对应变敏感元件2组成一个惠斯通电桥，形成多个冗余通道。

本实施例的一个实施方式是，如图3所示，每个应变梁13上设置四个应变敏感元件2，每个应变敏感元件2与对面同高度的应变梁13上敏感原件相连组成一个惠斯通电桥，本实施例中应变梁13的数量为四个，两对应变梁13，每对应变梁13上组成四个惠斯通电桥，构成了八个惠斯通电桥，形成八个冗余通道，即便存在单个应变敏感元件的失效导致相应的一个电桥失效，降低了因单一故障而引起的系统失效的风险，另一个应变敏感元件组成的电桥也可以同样提供有效输出，以供终端进行数据处理与反馈。

通过设置应力感知主体1，包括设于两端的第一基座11和第二基座12，第一基座11和第二基座12之间设有多个应变梁13，每个应变梁13上设有多个应变敏感元件2，应变敏感元件2之间通过导线连接成惠斯通电桥，相对应变梁13上的每对应变敏感元件2组成一个惠斯通电桥，形成多个冗余通道，提高了传感器的可靠性，大幅度降低了因单个传感器的失效而造成的安全隐患，多通道输出的传感器的存在，具有一定的冗余特性，能够保证足够的安全性，符合航天领域、医学领域等的使用需求，多通道输出的力传感器的应用则更好的满足了因操作速度、使用环境等因素对机器人的高要求。

通过将剪切微量变形转换成微伏级的电压信号，传感器能够实现对受力的高精度测量。多个通道的输出可以提供更为准确和稳定的数据，对于一些需要高精度测量的应用场景，这是非常重要的。

上述被测件01可以为档位调节用的推杆，如航天飞机或者汽车的档位调节时，上述剪切微变形是指，当推杆X方向运动时，中间处的一对应变梁13与受力方向平行，参考图7，多通道输出的二分量力传感器正视图中，处于中间的应变梁13，该对应变梁13沿宽度方向(箭头方向)产生剪切微量变形，该对应变梁13上的多应变敏感元件2，本实施例中，一个应变梁13上是四个多应变敏感元件2，一对应变梁13上是八个，八个多应变敏感元件2将X方形受力产生的剪切微变形转化成电压信号，形成多通道输出，实时同步完成受力载荷的测量和输出。

第二基座12设有安装孔121，用于设备连接，第一基座11与被测件01连接，被测件01可以是推杆，推杆摇晃感知受到的载荷并进行传递。通过允许连接到其他设备，传感器变得更加灵活和通用，这样的设计使得传感器可以适应不同种类的被测设备和工作条件，增加了其适用性。

第一基座11上设有连接件4，连接件4连接被测件01，连接件4可以为法兰，方便将被测件01安装在第一基座11上，方便安装和拆卸，这对于在不同应用场景中更换或维护被测件01是很重要的，提高了整个系统的可维护性，也可以是其他方式的连接件4，如插件连接等。

作为上述实施例的优先，应变梁13的数量为大于等于4的偶数，以适应多方向力的测量，传感器可以更好地适应这种多方向力的测量需求。

应变梁13以第一基座11轴心对称设置。传感器可以更好地感知来自不同方向的力，并更准确地分析和测量这些力，这种设置有助于确保传感器对来自各个方向的力的均衡感知。

本实施例中，作为应变梁13设置一种可选的方式，继续参考图3，应变梁13的数量为四个，相邻两个应变梁13到第一基座11轴心的夹角为90°，形成两对相互垂直的应变梁13组件，分别为第一应变梁13组和第二应变梁13组，如图7所示，设与第一应变梁13组宽度方向平行的方向为X轴，那么与第二应变梁13组宽度相平行的为Y轴，当推杆沿X轴方向运动或者摆动时，第一应变梁13组沿宽度方向受力，产生剪切微变形，应变敏感元件2将产生剪切微变形转化成微伏级的电压信号，由于每根应变梁13上的应变敏感元件2数量较多，本实施例中为四个，构成8个输出通道，传感器可以直接输出模拟信号，相应的，当推杆沿Y轴方向运动或者摆动时，与上述原理类似，此处不再赘述。

在本实施例中，应力感知主体1上的多个惠斯通电桥均为独立组桥和输出，不存在互相影响的情况，确保应力感知主体1在实际测量过程中能够独立工作，即便存在单个应变敏感元件的失效导致相应的一个电桥失效，另一个应变敏感元件组成的电桥也可以同样提供有效输出，以供终端进行数据处理与反馈，从而降低了整个系统发生故障的可能性。

其中，应力感知主体1为一体加工成型，第一基座11、第二基座12和感应梁为一体加工成型，一方面，助于降低零部件之间的摩擦、松动或相对运动，从而提高系统的稳定性和可靠性；另一方面，传感器的机械强度通常更高。这使得传感器能够更好地抵抗外部冲击、振动或其他机械应力，增强了其在复杂工作环境中的耐用性。

在本实施例中，应变梁13为片体结构，第一基座11和第二基座12的厚度与应变梁13的厚度，且第二基座12与应变梁13接触区域厚度增加，其作用一是有效增加刚性边界基座刚性；作用二是降低质量，轻量化设计有助于减小惯性质量，提高传感器的响应速度和灵敏度，考虑了性能与负载的平衡，确保增加的材料只用于提高传感器的刚性，而不是无谓地增加质量，避免无意义的增加厚度和质量；作用三是增加其刚性以提高传感器受力时的稳定性，这对于需要高精度和高稳定性的力测量应用而言是至关重要的，确保传感器在复杂工况下能够提供可靠的测量数据。

作为上述实施例的优先，第一基座11和第二基座12的厚度与应变梁13交界处设有过渡结构131，过渡结构131厚度从中间向两侧逐渐增大，作为一种过渡结构131的实施方式，过渡结构131可以为圆角或者C角过渡，用于确保应变梁13上应变分布的稳定性，有助于防止在受到外部冲击或振动时产生的不稳定因素，确保传感器能够在各种环境条件下可靠地运行。

其中，第一基座11和第二基座12中心设有过线孔111，用于支持设备内部中心走线，设备信号传输线缆通过传感器中心通孔延伸至传感器外部；同时，实现了设备走线和传感器应力感知主体1的独立走线。第一基座11和第二基座12中心设有一圈通孔，用于与设备之间的紧固连接。

作为上述实施例的优先，第二基座12的底部设有布线槽122，布线槽122沿第二基座12长度方向向两侧延伸，每个布线槽122的末端设有贯穿第二基座12的引线孔123，传感器的电源和信号线从传感器底部引出并进入通信引线孔123，接入设备接口，底部走线避免多处线缆的杂乱无章。

应力感知主体1的八个通道的电源和信号线采用独立输出和供电的形式，但均从同一引线孔123引出，便于实际使用中的布线，降低难度。

第二基座12上有传感器引线孔123，应力感知主体1内部完全桥路组桥后，其引线均会穿过该出引线孔123，通过引线夹具14固定最终引出至终端设备。

在本实施中，第二基座12设有引线夹具14，引线夹具14呈几字型结构。有效压住引线，操作简便易于操作，引线能够紧固，避免弯折等问题，确保其在使用过程中不会松脱或晃动，这对于传感器的稳定性和可靠性至关重要。

其中，还包括保护套3，为筒体结构，套设于第一基座11和应变梁13上，用于保护应变梁13；具体的，第一基座11优选为圆形，如图5所示，保护套3安装在应力感知主体1上时，保护套3的内圈与第一基座11外圈贴合，保护套3用于包裹应力感知主体1，保护传感器内部的应变敏感元件、电路及线路，起到一定的电磁隔离作用，防止外部电磁干扰对传感器内部电路和敏感元件的影响，保证了传感器的准确性和稳定性；同时保护套3可以防止灰尘、液体及杂物进入传感器，助于提高传感器的耐久性和稳定性。

实施例2：

与实施例1不同的是，如图8所示，应变梁13的数量为六个，相邻两个应变梁13到第一基座11轴心的夹角为60°，形成三对夹角等分的应变梁13组件，可以测量与三对应变梁13组件宽度方向平行的力，原理和效果与实施例1中的相似，此处不再赘述。

实施例3：

与实施例1不同的是，如图9所示，应变梁13的数量为八个，相邻两个应变梁13到第一基座11轴心的夹角为45°，形成四对夹角等分的应变梁13组件，可以测量与四对应变梁13组件宽度方向平行的力；原理和效果与实施例1中的相似，此处不再赘述。

应变梁13设置的数量可以是四个、六个、八个，也可以是其他大于四的偶数个，不在例举，适应多方向力的测量，根据具体的测量需求设置。

本发明传感器进行标校的方法如下：

如图10所示，在应变梁13部位的四个表面上都粘贴有应变敏感元件，敏感元件之间通过导线连接成惠斯通电桥，电桥连接方式如图11所示。每个应变梁13相对面上的应变敏感元件2组成一个惠斯通电桥，一共组成8组电桥，其输量为毫伏级电压信号，分别记为b1、b2、…、b8。

在使用本发明传感器时，上述电桥模拟电压信号b1、b2、…、b8由位于传感器外部的数据采集装置进行实时的调理、A/D转换、采集及计算处理，获得二个方向力和，每个方向输出4个通道的数据，可以满足实时输出计算结果。

计算处理模型为：

Fx、Fy分别表示沿空间直角坐标系的X和Y方向的载荷。系数矩阵及函数矩阵/>由六轴联合加载标定方法获得。

采用六轴联合加载标校的方法对本发明传感器进行标校，以获得系数矩阵及函数矩阵/>

对本发明传感器进行检验加载的目的在于给出传感器的精度(衡量测量结果的重复性)和准度(衡量测量结果与真值的偏差大小)，本发明传感器用于X和Y方向载荷的同时测量，因此，传感器精度和准度的检测必须在六轴联合加载的条件下进行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，包括：

应力感知主体，包括设于两端的第一基座和第二基座，所述第一基座和所述第二基座之间设有多个应变梁；

所述第一基座上设有被测件，被测件运动使受力方向平行于一对所述应变梁的宽度方向，使所述应变梁产生剪切微量变形；

每个所述应变梁上设有多个应变敏感元件，用于将剪切微量变形转换成为微伏级的电压信号；

所述应变敏感元件之间通过导线连接成惠斯通电桥，相对所述应变梁上的每对所述应变敏感元件组成一个惠斯通电桥，形成多个冗余通道。

2.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，所述应变梁的数量为大于等于4的偶数。

3.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，所述应力感知主体上的多个惠斯通电桥均为独立组桥和输出。

4.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，所述应力感知主体为一体加工成型。

5.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，所述应变梁为片体结构，所述第一基座和所述第二基座的厚度与所述应变梁的厚度，且所述第二基座与所述应变梁接触区域厚度增加。

6.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，所述第一基座和所述第二基座的厚度与所述应变梁交界处设有过渡结构，所述过渡结构厚度从中间向两侧逐渐增大。

7.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，所述第一基座和所述第二基座中心设有过线孔，用于支持设备内部中心走线。

8.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，所述第二基座的底部设有布线槽，所述布线槽沿所述第二基座长度方向向两侧延伸，每个所述布线槽的末端设有贯穿所述第二基座的引线孔。

9.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，所述第二基座设有引线夹具，所述引线夹具呈几字型结构。

10.根据权利要求1所述的多通道输出的二分量力传感器，其特征在于，还包括保护套，为筒体结构，套设于所述第一基座和所述应变梁上，用于保护所述应变梁。