CN1916579A - 织物动态摩擦测试的二维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种织物动态摩擦测试的二维力传感器，该传感器为中轴线相互垂直且各按其中轴线对称的薄梁弹性体悬臂结构，该传感器包括立式应变梁2、卧式应变梁4、基座7、连接梁1和另一个连接梁3。本发明的二维力传感器结构简单，安装方便，整体刚度大，固有频率高，两维力各向敏感度高，可以进行各种形式的摩擦测试，具有旋转式和往复式滑动的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于力学测试技术和传感器应用技术领域，具体地说涉及一种织物动态摩擦测试的二维力传感器。
背景技术
在进行织物触感形成的生物力学基础研究过程中，我们需要测试低载荷作用下织物/皮肤的动态摩擦行为。由于织物/皮肤之间的摩擦行为不满足一般正压力比摩擦力大10倍左右的规律，摩擦力常与正压力相当，甚至更高，因此一般的层叠式多分力传感器难以同时兼顾二者的灵敏度。同时，织物属于粘弹性的纤维集合体，表面具有规律的周期性纹理结构，以致动态摩擦过程中震动幅度大、频率高、粘滑现象明显。织物所特有的表面结构和力学性能，需要一种固有频率高、刚度大、能同时记录水平和垂直方向力的专用二维力传感器。
关于织物触感的摩擦行为评估的核心是对织物/皮肤接触的微小载荷和摩擦力的测量。现有公知的实验室测试织物摩擦系数的测力传感器为一维力传感器，主要考察静态摩擦行为，如Instron拉伸实验仪或同类设备改装成的滑块式摩擦测试仪(块状滑撬、人造手指滑撬)和以KES为代表的震动式探针表面摩擦计[Bueno M A，Renner M.Journal of theTextile Institute，2001，92(3)：299-313]，不能同时反映接触界面间作用力(法向和切向)的实时变化，如KES-F摩擦计初始时给予探针恒定的正压力(50cN)。现有对织物摩擦力的测量方法忽视了正压力的动态行为，难以正确反映织物/皮肤之间的相互作用。中国专利公开号200510023641.x的“二维微力测量传感器”，采用弹性体平行梁悬臂结构，由相互垂直的、对称轴位于同一直线的立式弯曲梁和卧式弯曲梁组成，两组梁上分别贴有应变片，分别测量垂直和水平方向的力。这种传感器可以进行多种接触方式微摩擦测试，并保证一定的测试精度和分辨率，它的缺点是弹性体整体刚度小，容易变形；固有频率低，不利于动态测试。中国专利公开号200510094990.0的“二维小量程力传感器”，在弹性体悬臂的应力集中处挖有前、后和上、下两组相互交叉的通孔，由通孔外测表面的应变片测量垂直和水平两个方向的力。这种传感器的结构难以保证一个方向的受力不影响到与之垂直方向的应变信号。文献“微摩擦测试仪力传感器的研究”[黎海文，贾宏光，吴一辉，精密工程，2002，10(4)：388-391]中，提出了一种用于微机械样品间摩擦的传感器，把传感器弹性体设计为带有悬臂梁薄膜和应变片电阻的硅梁，弹性体结构决定了其测量量程小，加工工艺复杂。“用于摩擦系数测试的二维力传感器”[史炎，内燃机车，2002，336(2)：41-43]，采用直角型组合式传感器，测试正压力的横梁为剪切桥式，相应摩擦力测试垂直梁为双孔平行梁式，只适用于较大量程力的测量，且不便于携带摩擦滑头。因此，上述的各类传感器在结构、刚度、固有频率、灵敏度、二维力测量范围等方面都难以满足织物/皮肤摩擦实验的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种织物动态摩擦测试的二维力传感器，以解决现有技术的缺陷。
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和研究的需要，提出一种应用于织物/皮肤摩擦测试中的二维力动态测量传感器，不仅能同时测量毫牛级的摩擦力和法向载荷、两向具有相当的敏感度、固有频率高，而且适合点、线、面多种接触方式的动态摩擦测试。
本发明主要包括两个应变梁、一个基座和两个连接梁，采用的技术方案是：二维力传感器的结构采用弹性体悬臂结构，梁的横截面为矩形，由两中轴线相互垂直且各以中轴线为对称轴的立式应变梁和卧式应变梁组成。立式应变梁两端与连接梁连接，卧式应变梁两端分别与连接梁和基座连接。这种结构设计，使传感器受力时的应变主要发生在相应各应变梁的应变最大处，具有灵敏的各向异性的力传递能力，从而确保各应变梁的弯曲敏感方向与待测力的方向一致。分别在应变梁中心轴线两侧对称的外壁各贴两对应变片，组成全桥电路。在传感器受载荷和摩擦力的影响下，立式应变梁受摩擦力作用发生应变，卧式应变梁受载荷发生应变，从而这种应变促使应变片的电阻发生变化。正是中心轴线相互垂直的实体薄应变梁结构的设计，可增加传感器整体刚度，提高固有频率，减小温度误差，改进测量的精度，以及扩大待测力的动态范围，同时保持两维力传递方向有相当的灵敏度。基座一端连接卧式应变梁，一端经通孔固定传感器于工作平台。传感器另一端用于装配摩擦头连接杆。
具体的技术方案为：一种织物动态摩擦测试的二维力传感器，其特征在于该传感器为中轴线相互垂直且各按其中轴线对称的薄梁弹性体悬臂结构，该传感器包括立式应变梁2、卧式应变梁4、基座7、连接梁1和另一个连接梁3；其中立式应变梁2两端与连接梁1和另一个连接梁3连接，卧式应变梁4一端与另一个连接梁3连接，另外一端则通过紧钉螺钉8固定在基座7上；两对应变片5对称粘贴于立式应变梁2的正反面，组成惠更斯全桥电路，位置紧靠连接梁3；另外两对应变片6对称粘贴于卧式应变梁4的正反面，组成惠更斯全桥电路，位置紧靠基座7；基座7中央有一固定基座通孔9，连接梁1中央有一连接杆通孔10，可用于与连接杆11进行连接。
本发明的二维力传感器可用于测试织物/皮肤动态摩擦力，也可用于力触觉反馈研究的摩擦测试。
本发明的二维力传感器结构简单，安装方便，整体刚度大，固有频率高，两维力各向敏感度高，可以进行各种形式的摩擦测试，具有旋转式和往复式滑动的灵活性，完全能满足市场的需求。
附图说明
图1本发明弹性体立体结构示意图
图2弹性体前视图
图3弹性体俯视图
图4电阻应变片连接及应变响应示意图
图5传感器受力示意图
其中：1、连接梁 2、立式应变梁 3、连接梁，4、卧式应变梁 5、应变片 5、应变片 7、基座 8、紧钉螺钉 9、固定基座通孔10、连接杆通孔11、连接杆 12、柔性滑头 13、织物 Ff——摩擦力； FA——接触压力； FN——接触体支持力
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但本发明并不限于该实施例：
本发明的二维力传感器采用中轴线相互垂直且各按其中轴线对称的薄梁弹性体悬臂结构，如图1所示。悬臂前端连接梁1连接立式应变梁2，连接梁1中间开带内螺纹的竖直孔10，便于与连接杆11连接。通过连接梁3连接立式应变梁2和卧式应变梁4，卧式应变梁4与基座7连接，基座7中挖有固定基座通孔9以便把传感器固定于工作平台，基座7上的紧钉螺钉8固定卧式应变梁4于基座7上。
立式应变梁2和卧式应变梁4中性轴对称两侧各贴两对应变片5、6，如图2、图3所示。这样，在每个应变梁上贴有4片应变片，组成了一个惠更斯全桥电路，如图4示意，相对于单片形式提高了传感器的补偿能力和灵敏度。如图5所示，当装配加载端的摩擦头12滑过织物13表面时，滑动方向的摩擦力Ff和竖直方向的正压力FN，分别迫使立式应变梁2和卧式应变梁4发生形变，并使应变梁上的两组应变片5、6的电阻分别发生变化，电桥电路平衡被打破，在输出端输出电压，如图4示意，从而根据输出电压的变化测出两维矢量力。
Claims (1)
1.一种织物动态摩擦测试的二维力传感器，其特征在于该传感器为中轴线相互垂直且各按其中轴线对称的薄梁弹性体悬臂结构，该传感器包括立式应变梁(2)、卧式应变梁(4)、基座(7)、连接梁(1)和另一个连接梁(3)；其中立式应变梁(2)两端与连接梁(1)和另一个连接梁(3)连接，卧式应变梁(4)一端与另一个连接梁(3)连接，另外一端则通过紧钉螺钉(8)固定在基座(7)上；两对应变片(5)对称粘贴于立式应变梁(2)的正反面，组成惠更斯全桥电路，位置紧靠连接梁(3)；另外两对应变片(6)对称粘贴于卧式应变梁(4)的正反面，组成惠更斯全桥电路，位置紧靠基座(7)；基座(7)中央有一固定基座通孔(9)，连接梁(1)中央有一连接杆通孔(10)，可用于与连接杆(11)进行连接。
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