CN212539495U - 一种三分力测量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三分力测量传感器，由弹性体和应变片组成；所述弹性体由圆周内侧的固定端、圆周外侧的加载端以及连接在固定端与加载端环形间隙之间的应变梁组成，四个应变梁分布在环形间隙上下左右，且应变梁均设有沿轴向对称的轴向第一贴片面和轴向第二贴片面，沿径向对称的周向第一贴片面和周向第二贴片面四个贴片面，同一贴片面上的两个应变片的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，应变片分别成对地对应粘贴在应变梁的贴片面上，以实现对水平径向、垂直径向和轴向三个方向上的受力；测量同一分力方向上的应变片电连接形成惠斯通全桥电路。本实用新型所述三分力测量传感器灵敏度高，维间耦合度小，测量精度较高。

Description

一种三分力测量传感器

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，具体涉及一种三分力测量传感器。

背景技术

随着中国经济的快速发展，汽车产业取得了极大的进步与提升，从产业规模上，早已成为名副其实的制造大国，然而，大而不强的局面一直没有得到有效改善，自主汽车生产与研发能力依旧薄弱，商用车动力学测试、理论及应用的技术更是严重滞后于乘用车。

目前，国外对三分力测量传感器的研究较多，美国、德国、瑞士、日本等都生产出了传感器产品。国内对三分力传感器技术掌握较少，没有完全自主的三分力传感器产品，无法掌握传感器关键技术问题，限制了国产车辆的自主开发。

三分力测量传感器所测量的是：直角坐标三维空间的三个力分量，分别为：Fx、Fy、Fz，对应在上，即分别为：水平径向，垂直径向，以及轴向三个方向。

三分力测量传感器是多维力传感器中应用最广泛的一种，然而，传感器在使用过程中会产生一定的串扰问题，导致传感器的测量精度受到较大影响。

现有技术中，专利公开号为：CN108225622A的专利文件公开了一种三分力传感器,在该技术方案中，所述三分力传感器包括：中空环形的测力结构主体、分别设置在测力结构主体两端面上的第一盖板和第二盖板,其中，第一盖板和第二盖板通过螺栓固定在测力结构主体的两端面上,在测力结构主体内设有中心柱,在中心柱和测力结构主体内壁之间径向设有对称的至少四个方梁,在每个方梁的四个表面上分别铺设有应变片。

以上述专利文件为代表的现有技术，普遍存在结构复杂、不易加工、刚度低且测量加载量程较小的缺陷，更重要的是，在传感器的不同测量维度之间存在耦合串扰问题，影响传感器的测量精度。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型公开了一种三分力测量传感器，本实用新型所述传感器灵敏度高，维间耦合度小，测量精度较高。本实用新型的技术方案如下：

一种三分力测量传感器，由一体成型的弹性体和应变片组成；

所述弹性体由圆周内侧的固定端、圆周外侧的加载端以及连接在固定端与加载端环形间隙之间的应变梁组成；

所述应变梁包括：环形间隙垂直径向两侧的第一应变梁和第二应变梁，环形间隙水平径向两侧的第三应变梁和第四应变梁；

所述应变梁均设有四个贴片面，分别为：中间的轴向端板两侧的轴向第一贴片面和轴向第二贴片面，应变梁两侧的周向侧板外侧的周向第一贴片面和周向第二贴片面；

所述应变片分别成对地对应粘贴在应变梁的贴片面上，以实现对水平径向、垂直径向和轴向三个方向上的受力；

所述轴向第一贴片面和轴向第二贴片面上的应变片沿轴向镜面对称布置，周向第一贴片面与周向第二贴片面对应粘贴的应变片沿径向镜面对称设置；

同一贴片面上的两个应变片的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧；

测量同一分力方向上的应变片电连接形成独立的惠斯通全桥电路，通过电路中各电桥臂上的应变片电阻值变化引起的测量端电压变化，实现对应方向分力的检测。

进一步地，所述固定端为环形结构，在固定端的圆周内侧设有一圈环形的连接内沿，在所述环形连接内沿的端面上，沿圆周方向均匀地开有固定端螺纹孔；

所述固定端的圆周外侧设有一圈环形的固定端过渡结构。

进一步地，所述加载端为环形结构，在所述加载端的圆周外侧设有一环形的连接外沿，在所述环形连接外沿的端面上，沿圆周方向均匀地开有加载端螺纹孔组；

在所述加载端的圆周内侧设有一圈环形的加载端过渡结构。

进一步地，所述应变梁的轴向端板的轴向两侧形成有两个沿轴向对称的应变凹槽；

在所述应变梁的径向外侧与所述加载端相连接处，开有一弧形的应变通孔。

进一步地，所述应变片中，测量水平径向受力的应变片有8个，分别布置在第一应变梁和第二应变梁上；其中：

第一应变片R1和第二应变片R2粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第三应变片R3和第四应变片R4粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第五应变片R5和第六应变片R6粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第七应变片R7和第八应变片R8粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置。

更进一步地，测量水平径向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第一应变片R1和第三应变片R3依次串联组成的第一桥臂；

第二应变片R2和第四应变片R4依次串联组成的第二桥臂；

第五应变片R5和第七应变片R7依次串联组成的第三桥臂；

第六应变片R6和第八应变片R8依次串联组成的第四桥臂；

测量水平径向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二应变片 R2与第三应变片R3之间，电压测量端另一端连接至第七应变片R7和第六应变片R6之间。

进一步地，所述应变片中，测量轴向受力的应变片有16个，分别布置在第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第九应变片R9和第十应变片R10粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十一应变片R11和第十二应变片R12粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第十三应变片R13和第十四应变片R14粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十五应变片R15和第十六应变片R16粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第十七应变片R17和第十八应变片R18粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十九应变片R19和第二十应变片R20粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第二十一应变片R21和第二十二应变片R22粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第二十三应变片R23和第二十四应变片R24粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置。

更进一步地，测量轴向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第九应变片R9、第十一应变片R11、第二十一应变片R21和第二十三应变片R23依次串联组成的第一桥臂；

第十应变片R10、第十二应变片R12、第二十二应变片R22和第二十四应变片R24依次串联组成的第二桥臂；

第十五应变片R15、第十三应变片R13、第十九应变片R19和第十七应变片R17依次串联组成的第三桥臂；

由第十六应变片R16、第十四应变片R14、第二十应变片R20和第十八应变片R18依次串联组成的第四桥臂；

测量轴向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二十三应变片 R23与第十应变片R10之间，电压测量端另一端连接至第十六应变片R16和第十七应变片R17之间。

进一步地，所述应变片中，测量垂直径向受力的应变片有8个，分别布置在第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第二十五应变片R25和第二十六应变片R26粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第二十七应变片R27和第二十八应变片R28粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第二十九应变片R29和第三十应变片R30粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第三十一应变片R31和第三十二应变片R32粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置。

更进一步地，测量垂直径向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第二十六应变片R26和第二十八应变片R28依次串联组成的第一桥臂；

第二十五应变片R25和第二十七应变片R27依次串联组成的第二桥臂；

第三十应变片R30和第三十二应变片R32依次串联组成的第三桥臂；

第二十九应变片R29和第三十一应变片R31依次串联组成的第四桥臂；

测量垂直径向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二十八应变片R28与第二十五应变片R25之间，电压测量端另一端连接至第三十二应变片R32和第二十九应变片R29之间。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型所述三分力测量传感器采用一体成型结构，体积小，结构简单，自重对于测量精度的影响较小。

2、本实用新型所述三分力测量传感器通过独特的应变片粘贴布置形式，及采用惠斯通电桥的组桥设计方案，从理论上实现了测量维度之间零耦合串扰，可大大提升传感器的测量精度。

3、本实用新型所述三分力测量传感器，将应变片粘贴在带有凹槽结构且截面形状为工字型的应变梁结构上，且在应变梁与加载端之间开有弧形通孔结构，既保证了传感器整体结构的刚度，又增加了传感器测量的灵敏度以及应变的均匀度。

4、本实用新型所述三分力测量传感器既可用于学术研究，亦可用于工业测量，对及轮胎测试环境具有较高的通用性。

5、本实用新型所述三分力测量传感器具有较好的各向同性，结构对称性较好。

6、本实用新型所述三分力测量传感器结构简单易于加工，应变片粘贴方便。

附图说明

图1为本实用新型所述三分力测量传感器立体结构示意图；

图2为本实用新型所述三分力测量传感器的主视图；

图3为图2中A-A处剖视图。

图4为本实用新型所述三分力测量传感器中，用于测量X方向力的应变片贴片位置示意图；

图5为本实用新型所述三分力测量传感器中，用于测量X方向力的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图6为本实用新型所述三分力测量传感器中，用于测量Y方向力的应变片贴片位置示意图；

图7为本实用新型所述三分力测量传感器中，用于测量Y方向力的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图8为本实用新型所述三分力测量传感器中，用于测量Z方向力的应变片贴片位置示意图；

图9为本实用新型所述三分力测量传感器中，用于测量Z方向力的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图10为本实用新型所述三分力测量传感器测量信号传递流程框图。

图中：

1-固定端， 2-固定端过渡结构， 3-应变梁，

4-加载端过渡结构， 5-加载端， 6-固定端螺纹孔，

7-应变凹槽， 8-加载端螺纹孔， 9-应变通孔。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本实用新型所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本实用新型的具体实施方式如下：

本实用新型公开了一种三分力测量传感器，所述传感器由弹性体和应变片组成，所述应变片对应安装在弹性体上，从传递至弹性体的三个方向作用力Fx、 Fy、Fz，使对应位置上的应变片因产生形变而使阻值发生变化，使得应变片连接组成的电路所输出的电信号发生变化，最终通过测量所输出的电信号变化，计算获得在水平径向(Fx)，垂直径向(Fz)，以及轴向(Fy)三个方向上的受力。

如图1、图2和图3所示，所述弹性体为一体成型结构，包括：固定端1、加载端5和应变梁3。

所述固定端1为环形结构，在固定端1的圆周内侧设有一圈环形的连接内沿，在所述环形连接内沿的端面上，沿圆周方向均匀地开有12个固定端螺纹孔 6，所述固定端螺纹孔6用于实现固定端1与总成固定件的螺栓固定连接；在所述固定端1的圆周外侧设有一圈环形的固定端过渡结构2。

所述加载端5为环形结构，加载端5同心设置在所述固定端1的圆周外侧，且与固定端1之间留有环形间隙，在所述加载端5的圆周外侧设有一环形的连接外沿，在所述环形连接外沿的端面上，沿圆周方向均匀地开有4组加载端螺纹孔组，每组加载端螺纹孔组由两个沿圆周方向分布的加载端螺纹孔8组成，所述加载端螺纹孔8用于实现加载端5与总成加载件的螺栓固定连接；在所述加载端5的圆周内侧设有一圈环形的加载端过渡结构4。

所述应变梁3有四个，分别分布在所述加载端5与固定端1之间环形间隙的上侧、下侧、左侧和右侧，应变梁3沿径向一端与加载端5圆周内侧的加载端过渡结构4相连，应变梁3沿径向另一端与固定端1圆周外侧的固定端过渡结构2相连；

所述应变梁3用于粘贴安装应变片，为了更加准确地描述所述应变片在应变梁3上的粘贴位置，现对本实用新型所涉及到的参考方向说明如下：

如图2所示，以加载端5和固定端1为原点的直角坐标，以水平径向为X 方向，以轴向为Y方向，以垂直径向为Z方向，其中，水平向右为X方向正向，水平向左为X方向负向，垂直向上为Z方向正向，垂直向下为Z方向正负向，轴向垂直纸面向内为Y方向正向，轴向垂直纸面向外为Y方向正向。

如前所述，四个所述应变梁3分别分布在所述加载端5与固定端1之间环形间隙的上、下、左和右侧，即分别为：分布在环形间隙的Z方向正向(上) 的第一应变梁、Z方向正负向(下)的第二应变梁、X方向负向(左)的第三应变梁和X方向正向(右)的第四应变梁；

四个所述应变梁3的结构完全相同，所述应变梁3的中间设有轴向端板，所述轴向端板的圆周两侧设有径向对称的周向侧板，所述周向侧板的轴向尺寸大于轴向端板的轴向尺寸，使得轴向端板的轴向两侧形成两个沿轴向对称的应变凹槽7，如图3所示，即，使所述应变梁3的径向截面为工字型结构，本具体实施方式中，所述应变凹槽7的轴向深度为4mm，径向长度为16mm，周向宽度为10mm；在所述应变梁3的径向外侧与所述加载端5相连接处，开有一弧形的应变通孔9，所述应变通孔9与加载端5同圆心设置，应变通孔9的弧形角度为34°，应变通孔9的轴向尺寸为2mm。截面形状为工字型的应变凹槽 7与弧形的应变通孔9既保证了传感器整体结构的刚度，又增加了传感器测量的灵敏度以及应变的均匀度；

所述应变梁3上共有四个应变片贴片面，其中：轴向端板的Y方向负向端面为轴向第一贴片面，轴向端板的Y方向正向端面为轴向第二贴片面；应变梁 3所在径向左侧或径向上侧的周向侧板外侧面为周向第一贴片面，应变梁3所在径向右侧或径向下侧的周向侧板外侧面为周向第二贴片面。

如图4、图6和图8所示，所述应变片均成对地粘贴在应变梁3的应变片贴片面上；

一方面：轴向第一贴片面与轴向第二贴片面上对应粘贴的应变片沿轴向镜面对称布置，周向第一贴片面与周向第二贴片面对应粘贴的应变片沿径向镜面对称设置；

另一方面：所述应变片中的敏感栅由一组与应变片安装轴线呈同样倾斜角度的电阻丝组成，本具体实施方式中采用敏感栅的倾斜角度为45°的应变片，同一贴片面上的两个应变片沿安装轴向对称设置，使得两个应变片的敏感栅之间形成羽毛片形状，即羽毛片式应变片，且两个应变片的敏感栅形成的夹角的指向方向为沿径向指向圆周外侧，即：同一贴片面上的两个应变片粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

本实用新型所述传感器是通过粘贴在所述应变梁3上的应变片来检测三分向受力的，故，所述应变片在所述四个应变梁3上的粘贴分布位置即电连接关系是实现传感器测量的关键，故所述应变片在应变梁3上的粘贴分布位置如下所述：

一、测量X方向受力F_x的应变片：

1、测量X方向受力F_x的应变片的分布：

如图4所示，测量X方向受力F_x的应变片有8个，分别布置在Z方向正向 (上)的第一应变梁和Z方向正负向(下)的第二应变梁上；

第一应变片R1和第二应变片R2粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置，第三应变片R3和第四应变片R4粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置，第五应变片R5和第六应变片R6粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置，第七应变片R7和第八应变片R8粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

所述第一应变片R1与第三应变片R3轴向前后对称设置，所述第二应变片 R2和第四应变片R4轴向前后对称设置，第五应变片R5和第七应变片R7轴向对称设置，第六应变片R6和第八应变片R8轴向前后对称设置；

所述第一应变片R1和第二应变片R2的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，所述第三应变片R3和第四应变片R4的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第五应变片R5和第六应变片R6的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第七应变片R7和第八应变片R8的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量X方向受力F_x的应变片的电连接关系：

如图5所示，所述测量X方向受力F_x的8个应变片组成测量X方向受力的惠斯通全桥电路，其中，测量X方向受力的惠斯通全桥的四个桥臂分别为：由第一应变片R1和第三应变片R3依次串联组成的第一桥臂ab，由第二应变片R2和第四应变片R4依次串联组成的第二桥臂bd，由第五应变片R5和第七应变片R7依次串联组成的第三桥臂dc，由第六应变片R6和第八应变片R8依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量X方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab和第二桥臂bd连接处，即第二应变片R2与第三应变片R3之间，所述测量X方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc 和第四桥臂ca连接处，即第七应变片R7和第六应变片R6之间。

所述应变片的灵敏系数k计算如下：

上述公式(1)中，dR/R为应变片因应变所产生的阻值变化量；ε为应变片的应变梁；

根据惠斯通全桥电路原理，测量X方向受力的惠斯通全桥电路检测端的输出电压U0计算如下：

上述公式(2)中，ε1、ε3、ε5、ε7、ε2、ε4、ε6、ε8分别依次为第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3、第四应变片R4、第五应变片R5、第六应变片R6、第七应变片R7和第八应变片R8因受力而产生的应变输出；k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当所述加载端5受到X方向的正向力Fx时，应变片R1、R3、R5、R7受拉力作用，其应变输出均为正；应变片R2、R4、R6、R8受压力作用，其应变输出均为负，且应变片R1、R3、R5、R7输出的阻值相等，应变片R2、R4、 R6、R8出的阻值相等。如图5所示，根据惠斯顿电桥原理，在没有外力作用时，电桥的四个桥臂电阻值相等，电桥达到平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，根据计算公式(2)按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述8个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量X方向受力F_x的测力通道有最大灵敏度。

基于上述8个应变片的安装位置及组桥方式：

当加载端5受到Y方向的正向力Fy时，应变片R1、R2、R5、R6受拉力，其应变输出为正；应变片R3、R4、R7、R8受压力，其应变输出为负，且应变片R1、R2、R5、R6的阻值相等，应变片R3、R4、R7、R8的阻值相等。根据上述公式(2)，施加Y方向的正向任意载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无Y方向的载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到Z方向的正向力Fz时，应变片R5、R6、R7、R8受拉力，其应变输出为正；应变片R1、R2、R3、R4受压力，其应变输出为负，且应变片R5、R6、R7、R8的阻值相等，应变片R1、R2、R3、R4的阻值相等。根据上述公式(2)，Z方向的正向施加任意载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无Z方向载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到沿X方向的正向力矩Mx时，应变片R1、R2、R7、R8受拉力，其应变输出为正；应变片R3、R4、R5、R6受压力，其应变输出是负，且应变片R1、R2、R7、R8的阻值相等，应变片R3、R4、R5、R6的阻值相等。根据上述公式(2)，沿X方向施加任意正向力矩载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无沿X方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到沿Y方向的正向力矩My时，应变片R2、R4、R5、R7受拉力，其应变输出为正；应变片R1、R3、R6、R8受压力，其应变输出是负，且应变片R2、R4、R5、R7的阻值相等，应变片R1、R3、R6、R8的阻值相等。根据上述公式(2)，沿Y方向施加任意正向力矩载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无沿Y方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到沿Z方向的正向力矩Mz时，应变片R1、R2、R3、R4、 R5、R6、R7和R8均发生相同的扭转变形，且阻值相等；根据上述公式(2)，沿Z方向施加任意正向力矩载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无沿Z方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

二、测量Y方向受力F_y的应变片：

1、测量Y方向受力F_y的应变片的分布：

如图4所示，测量Y方向受力F_y的应变片有16个，分别布置在Z方向正向(上)第一应变梁、Z方向正负向(下)的第二应变梁、X方向负向(左)的第三应变梁和X方向正向(右)的第四应变梁上；

第九应变片R9和第十应变片R10粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置；第十一应变片R11和第十二应变片R12粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置；第十三应变片R13和第十四应变片R14粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置；第十五应变片R15和第十六应变片R16粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置；第十七应变片R17和第十八应变片R18粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置；第十九应变片R19和第二十应变片R20粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置；第二十一应变片R21和第二十二应变片R22粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置；第二十三应变片R23和第二十四应变片R24粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置；

所述第九应变片R9和第十一应变片R11径向对称设置，所述第十应变片 R10和第十二应变片R12径向对称设置，所述第十三应变片R13和第十五应变片R15径向对称设置，所述第十四应变片R14和第十六应变片R16径向对称设置，所述第十七应变片R17和第十九应变片R19径向对称设置，所述第十八应变片R18和第二十应变片R20径向对称设置，所述第二十一应变片R21和第二十三应变片R23径向对称设置，所述第二十二应变片R22和第二十四应变片 R24径向对称设置；

第九应变片R9和第十应变片R10的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十一应变片R11和第十二应变片R12的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十三应变片R13和第十四应变片R14的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十五应变片R15和第十六应变片R16的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十七应变片R17和第十八应变片R18的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十九应变片R19和第二十应变片R20的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第二十一应变片R21和第二十二应变片R22的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第二十三应变片R23和第二十四应变片R24的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量Y方向受力F_y的应变片的电连接关系：

如图7所示，所述测量Y方向受力F_y的16个应变片组成测量Y方向受力的惠斯通全桥电路，其中，测量Y方向受力的惠斯通全桥的四个桥臂分别为：由第九应变片R9、第十一应变片R11、第二十一应变片R21和第二十三应变片 R23依次串联组成的第一桥臂ab，由第十应变片R10、第十二应变片R12、第二十二应变片R22和第二十四应变片R24依次串联组成的第二桥臂bd，由第十五应变片R15、第十三应变片R13、第十九应变片R19和第十七应变片R17依次串联组成的第三桥臂dc，由第十六应变片R16、第十四应变片R14、第二十应变片R20和第十八应变片R18依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量Y方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab和第二桥臂bd连接处，即第二十三应变片R23与第十应变片R10之间，所述测量Y方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc和第四桥臂ca连接处，即第十六应变片R16和第十七应变片R17之间。

根据惠斯通全桥电路原理，测量Y方向受力的惠斯通全桥电路检测端的输出电压U0计算如下：

上述公式(3)中，ε9、ε10、ε11、ε12、ε13、ε14、ε15、ε16、ε17、ε18、ε19、ε20、ε21、ε22、ε23、ε24分别依次为第九应变片R9、第十应变片R10、第十一应变片R11、第十二应变片R12、第十三应变片R13、第十四应变片R14、第十五应变片R15、第十六应变片R16、第十七应变片R17、第十八应变片R18、第十九应变片R19、第二十应变片R20、第二十一应变片R21、第二十二应变片R22、第二十三应变片R23、第二十四应变片R24因受力而产生的应变输出； k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当所述加载端5受到Y方向的正向力F_y时，相应的应变片R9、R11、R13、 R15、R17、R19、R21、R23受拉力，相应的应变输出为正；相应的应变片R10、 R12、R14、R16、R18、R20、R22、R24受压力，相应的应变输出为负，且应变片R9、R11、R13、R15、R17、R19、R21、R23的阻值相等，应变片R10、 R12、R14、R16、R18、R20、R22、R24的阻值相等。如图7所示，根据惠斯顿电桥原理，在没有外力作用时，电桥的四个桥臂电阻值相等，电桥达到平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，根据计算公式(3) 按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述16个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量Y方向受力F_y的测力通道有最大灵敏度。

基于上述8个应变片的安装位置及组桥方式：

当加载端5受到X向的正向力Fx时，应变片R9、R10、R13、R14、R21、 R22、R23、R24受拉力，其应变输出为正；应变片R11、R12、R15、R16、R17、 R18、R19、R20受压力，其应变输出为负；其中，应变片R9、R10、R13、R14 阻值相等，应变片R21、R22、R23、R24阻值相等，应变片R11、R12、R15、 R16阻值相等，应变片R17、R18、R19、R20阻值相等。根据上述公式(3)， X向的正向施加任意载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无X向的正向力载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到Z向的正向力F_z时，应变片R13、R14、R15、R16、R19、 R20、R23、R24受拉力，其应变输出为正；应变片R9、R10、R11、R12、R17、 R18、R21、R22受压力，应变输出为负；其中，应变片R13、R14、R15、R16 的阻值相等，应变片R19、R20、R23、R24的阻值相等，应变片R9、R10、R11、 R12的阻值相等，应变片R17、R18、R21、R22的阻值相等。根据上述公式(3)， Z向的正向施加任意载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无Z向的正向力载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到沿X向的正向力矩Mx时，应变片R9、R11、R14、R16 受拉力，其应变输出为正；应变片R10、R12、R13、R15受压力，其应变输出为负；应变片R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24产生相同的扭转变形，且应变片R9、R11、R14、R16的阻值相等，应变片R10、R12、R13、 R15的阻值相等，应变片R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24的阻值相等。根据上述公式(3)，沿X向施加任意正向力矩载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无沿X向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到沿Y向的正向力矩My时，应变片R11、R12、R13、R14、 R19、R20、R21、R22受拉力，其应变输出为正；应变片R9、R10、R15、R16、 R17、R18、R23、R24受压力，其应变输出为负，且应变片R11、R12、R13、 R14、R19、R20、R21、R2的阻值相等，应变片R9、R10、R15、R16、R17、 R18、R23、R24的阻值相等。根据上述公式(3)，沿Y向施加任意正向力矩载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无沿Y向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到沿Z向的正向力矩Mz时，应变片R18、R20、R21、R23 受拉力，应变输出为正；应变片R17、R19、R22、R24受压，其应变输出为负，应变片R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16产生相同的扭转变形，且应变片R18、R20、R21、R23的阻值相等，应变片R17、R19、R22、R24的阻值相等，应变片R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16的阻值相等。根据上述公式(3)，沿Z向施加任意正向力矩载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无沿Z向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

三、测量Z方向受力F_z的应变片：

1、测量Z方向受力F_z的应变片的分布：

如图8所示，测量Z方向受力F_z的应变片有8个，分别布置在X方向正负向(左)的第三应变梁和X方向正向(右)的第四应变梁上；

第二十五应变片R25和第二十六应变片R26粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置，第二十七应变片R27和第二十八应变片R28粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置，第二十九应变片R29和第三十应变片R30粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置，第三十一应变片R31和第三十二应变片R32粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

所述第二十五应变片R25与第二十七应变片R27轴向前后对称设置，所述第二十六应变片R26和第二十八应变片R28轴向前后对称设置，第二十九应变片R29和第三十一应变片R31轴向对称设置，第三十应变片R30和第三十二应变片R32轴向前后对称设置；

所述第二十五应变片R25和第二十六应变片R26的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，所述第二十七应变片R27和第二十八应变片R28的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第二十九应变片R29和第三十应变片R30的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第三十一应变片R31和第三十二应变片R32的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量Z方向受力F_z的应变片的电连接关系：

如图9所示，所述测量Z方向受力F_z的8个应变片组成测量Z方向受力的惠斯通全桥电路，其中，测量Z方向受力的惠斯通全桥的四个桥臂分别为：由第二十六应变片R26和第二十八应变片R28依次串联组成的第一桥臂ab，由第二十五应变片R25和第二十七应变片R27依次串联组成的第二桥臂bd，由第三十应变片R30和第三十二应变片R32依次串联组成的第三桥臂dc，由第二十九应变片R29和第三十一应变片R31依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量Z方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab和第二桥臂bd连接处，即第二十八应变片R28与第二十五应变片R25 之间，所述测量Z方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc和第四桥臂ca连接处，即第三十二应变片R32和第二十九应变片 R29之间。

根据惠斯通全桥电路原理，测量Z方向受力的惠斯通全桥电路检测端的输出电压U0计算如下：

上述公式(4)中，ε26、ε28、ε30、ε32、ε25、ε27、ε29、ε31分别依次为第二十六应变片R26、第二十八应变片R28、第三十应变片R30、第三十二应变片R32、第二十五应变片R25、第二十七应变片R27、二十九应变片R29 和第三十一应变片R31因受力而产生的应变输出；k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当加载端5受到Fz正向力时，应变片R26、R28、R30、R32受拉力，其应变输出为正；应变片R25、R27、R29、R31受压力，其变输出为负，且应变片R26、R28、R30、R32阻值相等，应变片R25、R27、R29、R31阻值相等。如图9，根据惠斯顿电桥原理，不受力时电桥四个桥臂电阻相等，电桥平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，根据上述算公式(4) 按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述8个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量Z方向受力F_z的测力通道有最大灵敏度。

基于上述8个应变片的安装位置及组桥方式：

当加载端5受到X方向的正向力Fx时，应变片R29、R30、R31、R32受拉力，应变输出为正；应变片R25、R26、R27、R28受压力，其应变输出为负，且应变片R29、R30、R31、R32阻值相等，应变片R25、R26、R27、R28阻值相等。根据上述公式(4)，X方向施加任意正正向力载荷，测量Z方向受力F_z的测力通道输出电压均为0，即测量Z方向受力F_z的测力通道无X方向的正向力载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到Y方向的正向力Fy时，应变片R25、R26、R29、R30受拉力，其应变输出为正；应变片R27、R28、R31、R32受压力，其应变输出是为负，且应变片R25、R26、R29、R30阻值相等，应变片R27、R28、R31、 R32阻值相等。根据上述公式(4)，Y方向施加任意正向载荷，测量Z方向受力F_z的测力通道输出电压均为0，即测量Z方向受力F_z的测力通道无Y方向的正向力载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到沿X方向的正向力矩Mx时，应变片R25、R26、R27、 R28、R29、R30、R31、R32产生相同的扭转变形，且应变片R25、R26、R27、 R28、R29、R30、R31、R32的阻值相等。根据上述公式(4)，沿X方向施加任意正向力矩载荷，Fz通道输出电压均为0，即该测力通道无沿X方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到沿Y方向的正向力矩My时，应变片R26、R28、R29、 R31受拉力，其应变输出为正；应变片R25、R27、R30、R32受压力，其应变输出为负，且应变片R26、R28、R29、R31阻值相等，应变片R25、R27、R30、 R32的阻值相等。根据上述公式(4)，沿Y方向施加任意正向力矩载荷，测量Z方向受力F_z的测力通道输出电压均为0，即该测力通道无沿Y方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端5受到Mz正向力矩时，应变片R27、R28、R29、R30受拉，应变输出是正；R25、R26、R31、R32受压，应变输出是负，且R27、R28、R29、 R30阻值相等，R25、R26、R31、R32阻值相等。根据上述公式(4)，沿Z方向施加任意正向力矩载荷，测量Z方向受力F_z的测力通道输出电压均为0，即该测力通道无沿Z方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

如图10所示，所述测量X方向受力的惠斯通电桥、测量Y方向受力的惠斯通电桥和测量Z方向受力的惠斯通电桥中，应变片因受力产生的应变阻值变化转化为电压变化并输出，相应的惠斯通电桥输出的测量电压经放大电路放大处理后进行数据采集，并将采集到的数据导入PC终端，进而实现对传感器检测到的三分力进行进一步分析处理。

本实用新型所述的三分力测量传感器的整体尺寸优选的尺寸为：半径为 97mm以内，轴向尺寸为18mm以内，且所测量的三分力Fx、Fy和Fz的测力量程均优选为10KN。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三分力测量传感器，其特征在于：

由一体成型的弹性体和应变片组成；

所述弹性体由圆周内侧的固定端、圆周外侧的加载端以及连接在固定端与加载端环形间隙之间的应变梁组成；

所述应变梁包括：环形间隙垂直径向两侧的第一应变梁和第二应变梁，环形间隙水平径向两侧的第三应变梁和第四应变梁；

所述应变梁均设有四个贴片面，分别为：中间的轴向端板两侧的轴向第一贴片面和轴向第二贴片面，应变梁两侧的周向侧板外侧的周向第一贴片面和周向第二贴片面；

所述应变片分别成对地对应粘贴在应变梁的贴片面上，以实现测量车轮水平径向、车轮垂直径向和车轮轴向三个方向上的受力；

所述轴向第一贴片面和轴向第二贴片面上的应变片沿轴向镜面对称布置，周向第一贴片面与周向第二贴片面对应粘贴的应变片沿径向镜面对称设置；

同一贴片面上的两个应变片的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧；

测量同一分力方向上的应变片电连接形成独立的惠斯通全桥电路，通过电路中各电桥臂上的应变片电阻值变化引起的测量端电压变化，实现对应方向分力的检测。

2.如权利要求1所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

所述固定端为环形结构，在固定端的圆周内侧设有一圈环形的连接内沿，在所述环形连接内沿的端面上，沿圆周方向均匀地开有通孔；

所述固定端的圆周外侧设有一圈环形的固定端过渡结构。

3.如权利要求1所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

所述加载端为环形结构，在所述加载端的圆周外侧设有一环形的连接外沿，在所述环形连接外沿的端面上，沿圆周方向均匀地开有加载端通孔；

在所述加载端的圆周内侧设有一圈环形的加载端过渡结构。

4.如权利要求1所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

所述应变梁的轴向端板的轴向两侧形成有两个沿轴向对称的应变凹槽；

在所述应变梁的径向外侧与所述加载端相连接处，开有一弧形的应变通孔。

5.如权利要求1所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量车轮水平径向受力的应变片有8个，分别布置在第一应变梁和第二应变梁上；其中：

第一应变片R1和第二应变片R2粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第三应变片R3和第四应变片R4粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第五应变片R5和第六应变片R6粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第七应变片R7和第八应变片R8粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置。

6.如权利要求5所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

测量车轮水平径向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第一应变片R1和第三应变片R3依次串联组成的第一桥臂；

第二应变片R2和第四应变片R4依次串联组成的第二桥臂；

第五应变片R5和第七应变片R7依次串联组成的第三桥臂；

第六应变片R6和第八应变片R8依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮水平径向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二应变片R2与第三应变片R3之间，电压测量端另一端连接至第七应变片R7和第六应变片R6之间。

7.如权利要求1所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量车轮轴向受力的应变片有16个，分别布置在第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第九应变片R9和第十应变片R10粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十一应变片R11和第十二应变片R12粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第十三应变片R13和第十四应变片R14粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十五应变片R15和第十六应变片R16粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第十七应变片R17和第十八应变片R18粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十九应变片R19和第二十应变片R20粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第二十一应变片R21和第二十二应变片R22粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第二十三应变片R23和第二十四应变片R24粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置。

8.如权利要求7所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

测量车轮轴向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第九应变片R9、第十一应变片R11、第二十一应变片R21和第二十三应变片R23依次串联组成的第一桥臂；

第十应变片R10、第十二应变片R12、第二十二应变片R22和第二十四应变片R24依次串联组成的第二桥臂；

第十五应变片R15、第十三应变片R13、第十九应变片R19和第十七应变片R17依次串联组成的第三桥臂；

由第十六应变片R16、第十四应变片R14、第二十应变片R20和第十八应变片R18依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮轴向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二十三应变片R23与第十应变片R10之间，电压测量端另一端连接至第十六应变片R16和第十七应变片R17之间。

9.如权利要求1所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量车轮垂直径向受力的应变片有8个，分别布置在第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第二十五应变片R25和第二十六应变片R26粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第二十七应变片R27和第二十八应变片R28粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第二十九应变片R29和第三十应变片R30粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第三十一应变片R31和第三十二应变片R32粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置。

10.如权利要求9所述一种三分力测量传感器，其特征在于：

测量车轮垂直径向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第二十六应变片R26和第二十八应变片R28依次串联组成的第一桥臂；

第二十五应变片R25和第二十七应变片R27依次串联组成的第二桥臂；

第三十应变片R30和第三十二应变片R32依次串联组成的第三桥臂；

第二十九应变片R29和第三十一应变片R31依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮垂直径向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二十八应变片R28与第二十五应变片R25之间，电压测量端另一端连接至第三十二应变片R32和第二十九应变片R29之间。

Images