CN207180915U - 一种双差动电容式力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双差动电容式力矩传感器，它由传感器外圈、若干变形梁、传感器内圈、电容动电极部分、过载保护部分、基板和电容静电极部分等构成。电容动电极部分和电容静电极部分组成了4个电容器，其中第一电容器与第三电容器关于x轴对称分布，构成差动结构一；第二电容器与第四电容器关于y轴对称分布，构成差动结构二；差动结构一与差动结构二之间呈正交分布，构成双差动式结构。通过双差动式结构可以有效提高力矩传感器的灵敏度和可靠性，减小线性误差，并能抵消横向力造成的干扰。将传感器力矩反馈信息应用于机器人控制中，能实现对机器人的精确力矩控制，提高机器人运转效率。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器技术领域，涉及力传感器，特别涉及一种双差动电容式力矩传感器。
背景技术
力矩传感器作为一种结构型传感器，已经在许多需要测量力矩的领域中得到广泛应用。按力矩信号产生的方式，力矩传感器可分为光学式、光电式、电容式、电磁式与应变式等，它的原理是利用结构参数变化来转换成相应的电信号。目前市场上较为成熟的力矩传感器主要是电磁式和应变式。电磁式力矩传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，通过对信号进行组合处理后得到力矩信息；该传感器是一种无磨损的非接触式传感器，但由于体积较大，不适用于机器人关节力矩的测量。应变式力矩传感器通常结构复杂，力矩解耦困难，需要额外信号放大电路、A/D转换器等。
电容式力矩传感器是根据静电场有关定律作为其理论基础制成的，具有温度稳定性好、结构简单、动态响应好且可以实现非接触测量的优点；因此，电容式力矩传感器近年来被广泛应用于厚度、位移、压力、速度和浓度等物理测量中。然而目前在机器人关节应用中，电容式力矩传感器由于灵敏度不高，抗干扰能力差，且容易受到横向力和过载力矩的影响，使得机器手在抓取某个物体或机器人末端要完成某个特定的动作时难以实现精确的力矩控制，从而降低了机器人控制系统的精度。
发明内容
本实用新型的目的在于，针对目前电容式力矩传感器的不足，提出一种双差动电容式力矩传感器；通过采用双差动式的结构，提高力矩传感器的灵敏度和线性度，同时消除横向力等干扰造成的影响。
为实现上述目标，本实用新型采用的技术方案如下：
一种双差动电容式力矩传感器包括传感器外圈1、若干变形梁2、传感器内圈3、电容动电极部分4、过载保护部分5、基板6和电容静电极部分7等。所述传感器外圈1上均匀分布着若干圆凸台9和U型凸台10，凸台上均开设有螺纹孔，其中圆凸台9上的螺纹孔用于连接基板6，通过基板6上的环型槽11可将基板6与传感器外圈1固定起来；U型凸台10上的螺纹孔用于传感器与负载的连接。所述传感器内圈3上均匀分布若干螺纹孔8，用于传感器与减速器的连接；所述变形梁2为梯形结构，其两端分别连接传感器外圈1和传感器内圈3，起到传递力矩的作用。所述基板6上还开设有矩形槽12，同时分布着电容静电极部分7和传感器所用的感应元件及检测电路，所述矩形槽12处用于放置电容动电极部分4。
所述电容动电极部分4包括第一动电极4-1、第二动电极4-2、第三动电极4-3、第四动电极4-4；所述电容静电极部分7包括第一静电极7-1、第二静电极7-2、第三静电极7-3、第四静电极7-4；第一动电极4-1垂直于第一静电极7-1，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第一电容器13-1；第二动电极4-2垂直于第二静电极7-2，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第二电容器13-2；第三动电极4-3垂直于第三静电极7-3，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第三电容器13-3；第四动电极4-4垂直于第四静电极7-4，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第四电容器13-4；所述第一电容器13-1与第三电容器13-3关于x轴对称分布，构成差动结构一；所述第二电容器13-2与第四电容器13-4关于y轴对称分布，构成差动结构二；差动结构一与差动结构二之间呈正交分布，构成双差动式结构。传感器工作时，第一电容器13-1电极极距减小(增大)Δh，所测电容为C1，电容增大(减小)值为ΔC1，则第三电容器13-3电极极距会增大(减小)Δh，所测电容为C3，电容减小(增大)值为ΔC3，以C1-C3的差值作为力矩检测的输入信号端1，则电容变化量为(ΔC1+ΔC3)；同理第二电容器13-2电极极距减小(增大)Δh，所测电容为C2，电容增大(减小)值为ΔC2，则第四电容器13-4电极极距会增大 (减小)Δh，所测电容为C4，电容减小(增大)值为ΔC4，以C2-C4的差值作为力矩检测的输入信号端2，则电容变化量为(ΔC2+ΔC4)；由此可知电容变化量增大，故而提高了传感器的灵敏度。通过电容变化量(ΔC1+ΔC3)转换成力矩T1，电容变化量(ΔC2+ΔC4)转换成力矩 T2，T1和T2所带的横向力可以相互抵消，则实际输出力矩为：T＝(T1+T2)/2。因此采用双差动式结构获取传感器的力矩输出不仅能够提高传感器的灵敏度和可靠性，减小线性误差；同时还可以有效抑制横向力对输出信号造成的影响，进而提高机器人动作的控制精度。
所述过载保护部分5包括过载保护梁14、过载保护块15；所述过载保护梁14为固连于传感器内圈3外缘的悬臂梁，梁上设有凸块和沉头螺孔16，凸块作为电容第二动电极4-2和第四动电极4-4使用；所述过载保护块15为L型结构，其用螺栓通过沉头螺孔16固定于过载保护梁14末端两侧，与此同时过载保护块15与传感器外圈1之间存在一定的间隙，且该间隙略小于电容两电极之间的间隙，当发生过载时，过载保护块18先与传感器外圈1接触，从而防止了电容动电极部分4与电容静电极部分7之间的接触，起到保护的作用。所述过载保护部分5中将电容动电极设置在过载保护梁14上，既能节省了传感器的内部空间，又能起到过载保护和充当电容动电极的双重作用。
本实用新型的特点和有益效果在于：
本实用新型采用双差动式的非接触电极结构，电极间呈正交分布，第一电容器的电容值与第三电容器的电容值作差，第二电容器的电容值与第四电容器的电容值作差，将两组电容差值转换得出两组力矩值，再将两组力矩值取平均值后得出传感器力矩输出值。通过双差动式的结构可以有效提高力矩传感器的灵敏度和可靠性，减小线性误差，并能抵消横向力造成的干扰。本实用新型的电容力矩传感器结构简单、易于组装、无需附加额外转换器和传感器，降低了成本同时又能达到良好的效果。
附图说明
图1为本实用新型的立体分解图。
图2为本实用新型的立体组装示意图。
图3为图2的A向视图。
图4为本实用新型过载保护部分的局部放大图。
附图中：1.传感器外圈；2.变形梁；3.传感器内圈；4.电容动电极部分；4-1.第一动电极；4-2.第二动电极；4-3.第三动电极；4-4.第四动电极；5.过载保护部分；6.基板；7.电容静电极部分；7-1.第一静电极；7-2.第二静电极；7-3.第三静电极；7-4.第四静电极；8.螺纹孔；9.圆凸台；10.U型凸台；11.环型槽；12.矩形槽；13.电容器；13-1.第一电容器； 13-2.第二电容器；13-3.第三电容器；13-4.第四电容器；14.过载保护梁；15.过载保护块； 16.沉头螺孔。
具体实施方式
为了能更好地理解本实用新型，在下文中将结合附图对本实用新型的示范性实施例进行描述。
如附图1至4所示，本实用新型一种双差动电容式力矩传感器，包括传感器外圈1、若干变形梁2、传感器内圈3、电容动电极部分4、过载保护部分5、基板6和电容静电极部分 7等。传感器外圈1上均匀分布若干圆凸台9和U型凸台10，凸台上均开设有螺纹孔，其中圆凸台9上的螺纹孔用于连接基板6，通过基板6上的环型槽11可将基板6与传感器外圈1 固定起来；U型凸台10上的螺纹孔用于传感器与负载的连接。传感器内圈3上均匀分布若干螺纹孔8，用于传感器与减速器的连接。变形梁2为梯形结构，其两端分别连接传感器外圈1 和传感器内圈3，起到传递力矩的作用，图中变形梁的数量为4个，但在实际生产过程中，可以根据力矩的大小调整变形梁的数目。基板6上还开设有矩形槽12，同时分布着电容静电极部分7和传感器所用感应元件及检测电路，其中矩形槽12处用于放置电容动电极部分4。
电容动电极部分4包括第一动电极4-1、第二动电极4-2、第三动电极4-3、第四动电极 4-4；电容静电极部分7包括第一静电极7-1、第二静电极7-2、第三静电极7-3、第四静电极7-4；第一动电极4-1垂直于第一静电极7-1，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第一电容器13-1；第二动电极4-2垂直于第二静电极7-2，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第二电容器13-2；第三动电极4-3垂直于第三静电极7-3，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第三电容器13-3；第四动电极4-4垂直于第四静电极7-4，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第四电容器13-4；其中，第一电容器13-1与第三电容器13-3关于x轴对称分布，构成差动结构一，即当传感器受力矩作用时第一电容器13-1电容增大(减小)，第三电容器13-3电容减小(增大)；第二电容器13-2与第四电容器13-4关于y轴对称分布，构成差动结构二，即当传感器受力矩作用时第二电容器13-2电容增大(减小)，第四电容器13-4电容减小(增大)；差动结构一与差动结构二之间呈正交分布，构成双差动式结构。
其工作原理为：当施加力矩时，梯形梁变形体发生变形，传感器内圈产生微小角位移，第一电容器13-1电极极距减小(增大)Δh，其电容为C1，电容增大(减小)值为ΔC1，则第三电容器13-3电极极距会增大(减小)Δh，其电容为C3，电容减小(增大)值为ΔC3，以C1-C3的差值作为力矩检测的输入信号端1，则电容变化量为(ΔC1+ΔC3)；同理第二电容器13-2电极极距减小(增大)Δh，其电容为C2，电容增大(减小)值为ΔC2，则第四电容器13-4电极极距会增大(减小)Δh，其电容为C4，电容减小(增大)值为ΔC4，以C2-C4的差值作为力矩检测的输入信号端2，则电容变化量为(ΔC2+ΔC4)。由电磁学理论对其电场分布进行分析可以得到此种电容距离引起电容变化的灵敏度近似式，如下可见：
其中，K与电容的变化量成正比，与变化距离成反比。
由上述分析可知采用双差动式的电容力矩传感器，电容变化量为(ΔC1+ΔC3)和(ΔC2+ΔC4)，而采用非双差动式的电容力矩传感器时，电容变化量为ΔC1或ΔC2或ΔC3或ΔC4；因此采用双差动式结构增大了电容变化量，从而提高了传感器的灵敏度和线性度。同时通过电容变化量(ΔC1+ΔC3)转换成力矩T1，电容变化量(ΔC2+ΔC4)转换成力矩T2，T1和T2所带的横向力可以相互抵消，实际输出力矩为：T＝(T1+T2)/2。
过载保护部分5包括过载保护梁14、过载保护块15；过载保护梁14为固连于传感器内圈3外缘的悬臂梁，梁上设有凸块和沉头螺孔16，凸块作为电容第二动电极4-2和第四动电极4-4使用；过载保护块15为L型结构，其用螺栓通过沉头螺孔16固定于过载保护梁14末端两侧，与此同时过载保护块15与传感器外圈1之间的存在一定间隙，且该间隙略小于电容动电极和静电极之间的间隙，当发生过载时过载保护块15先接触到传感器外圈1，从而防止了电容动电极部分4与电容静电极部分7之间的接触，起到保护的作用。过载保护部分5中将第二动电极和第四动电极巧妙地设置在过载保护梁14上，既不需要在其他位置设置电极，节省了传感器的内部空间，又能起到过载保护和充当电容动电极的双重作用。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，而本实用新型并非仅局限于此例，本实施列中用到的差动电容为两对，而包含两对以上的偶数对差动电容也是本实用新型保护的范围，应当指出在本技术领域范围内，凡运用本实用新型原理所研究的等效技术变化，均包含于本实用新型的专利范围内。
Claims (5)
1.一种双差动电容式力矩传感器，其特征在于：它至少包括传感器外圈(1)、若干变形梁(2)、传感器内圈(3)、电容动电极部分(4)、过载保护部分(5)、基板(6)和电容静电极部分(7)；所述电容动电极部分(4)至少包括第一动电极(4-1)、第二动电极(4-2)、第三动电极(4-3)、第四动电极(4-4)；所述电容静电极部分(7)至少包括第一静电极(7-1)、第二静电极(7-2)、第三静电极(7-3)、第四静电极(7-4)；所述电容动电极部分(4)和所述电容静电极部分(7)构成双差动式垂直电极型电容器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种双差动电容式力矩传感器，其特征在于：所述双差动式垂直电极型电容器(13)是指：所述第一动电极(4-1)垂直于第一静电极(7-1)，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第一电容器(13-1)；所述第二动电极(4-2)垂直于第二静电极(7-2)，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第二电容器(13-1)；所述第三动电极(4-3)垂直于第三静电极(7-3)，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第三电容器(13-3)；所述第四动电极(4-4)垂直于第四静电极(7-4)，且两电极间存在一定间隙，构成具有电容边缘效应的第四电容器(13-4)；所述第一电容器(13-1)与第三电容器(13-3)关于x轴对称分布，构成差动结构一；所述第二电容器(13-2)与第四电容器(13-4)关于y轴对称分布，构成差动结构二；差动结构一与差动结构二之间呈正交分布，构成双差动式结构。
3.根据权利要求2所述的一种双差动电容式力矩传感器，其特征在于：所述差动结构一是指：当所述第一电容器(13-1)电极极距改变Δh时，其电容量为C1，则所述第三电容器(13-3)电极极距改变-Δh，其电容量为C3，以C1-C3的差值作为力矩检测的输入信号端1；所述差动结构二是指：当所述第二电容器(13-2)电极极距改变Δh时，其电容量为C2，则所述第四电容器(13-4)电极极距改变-Δh，其电容量为C4，以C2-C4的差值作为力矩检测的输入信号端2。
4.根据权利要求1所述的一种双差动电容式力矩传感器，其特征在于：所述过载保护部分(5)至少包括过载保护梁(14)、过载保护块(15)；所述过载保护梁(14)为固连于传感器内圈(3)外缘的悬臂梁，梁上设有凸块和螺纹孔(16)，凸块作为电容第二动电极(4-2)和第四动电极(4-4)使用；所述过载保护块(15)为L型结构，其通过螺纹孔(16)固定于过载保护梁(14)末端两侧，且所述过载保护块(15)与所述传感器外圈(1)之间存在一定的间隙；所述过载保护部分(5)起到过载保护和充当电容动电极的双重作用。
5.根据权利要求1所述的一种双差动电容式力矩传感器，其特征在于：所述基板(6)上开设有环型槽(11)和矩形槽(12)，同时分布着电容静电极部分(7)和传感器所用感应元件及检测电路，所述环型槽(11)用于将基板(6)固定在传感器外圈(1)上，所述矩形槽(12)处用于放置电容动电极部分(4)。
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Denomination of utility model: A double differential capacitive torque sensor Effective date of registration: 20220623 Granted publication date: 20180403 Pledgee: Guangxi Guihui Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: GUANGXI ANBOTE INTELLIGENT TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022450000092 |
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