RU2193762C1

RU2193762C1 - Force cell

Info

Publication number: RU2193762C1
Application number: RU2001105208A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Козлов; Б.И. Морозов; С.Л. Чулин
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный технический университет
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-11-27

Abstract

FIELD: measurement technology, systems of tactile sensing of industrial robots. SUBSTANCE: force cell includes hollow package 1 which upper part carries flange 2 and which low part has thread. Mobile rod 3 and permanent magnets 4, 5 oriented with like poles one relative another are positioned inside package 1. One magnet is capable of translation and the other magnet is made fast to plug 6. Slot 7 is cut in face of plug 6 and it is joined to package 1 with the help of thread. Upper surface of flange 2 and face surfaces of magnets 4, 5 are coated by metallized layer and form two capacitors with one common plate that is connected to generator 9 of alternating voltage, two other plates are correspondingly connected to inputs of rectifiers 10, 11 which outputs are connected to input of adder 14 via filters 12, 13 and which output is connected to amplifier 15. Force cell package is made of dielectric and nonmagnetic material. EFFECT: simplified design of force cell. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах тактильного очувствления промышленных роботов. The invention relates to the field of measurement technology and can be used in tactile sensing systems of industrial robots.

Известен магнитоупругий датчик усилия с монолитным сердечником ("Магнитоанизатропные монолитные силоизмерители", Машиностроение, 1981 г., авт. В.И. Шишкин, стр. 6). Known magnetoelastic force transducer with a monolithic core ("Magnetoanisatropic monolithic force meters", Engineering, 1981, ed. V.I. Shishkin, p. 6).

Известный датчик содержит корпус, плоскую мембрану, трансформаторный преобразователь с одной намагничивающей и двумя измерительными обмотками, генератор переменного напряжения, входящий в измерительную цепь, и измерительный прибор. Генератор переменного напряжения включен в цепь намагничивающей обмотки, а измерительный прибор - в цепь измерительных обмоток, включенных встречно. The known sensor comprises a housing, a flat membrane, a transformer transducer with one magnetizing and two measuring windings, an alternating voltage generator included in the measuring circuit, and a measuring device. The alternating voltage generator is included in the circuit of the magnetizing winding, and the measuring device is included in the circuit of the measuring windings connected in the opposite direction.

Датчик работает следующим образом. При отсутствии нагрузки (усилия) на мембране магнитный поток питающей обмотки разделяется на два равных магнитных потока, которые наводят в измерительных цепях ЭДС. Величины наводимых ЭДС при отсутствии усилия одинаковы, а выходное напряжение датчика практически равно нулю, т.к. обмотки включены встречно. При нагружении датчика с одной из сторон магнитный поток в одной из обмоток увеличивается, а в другой уменьшается. В результате этого значения наводимых в них ЭДС будут иметь разные значения, а с выхода датчика будет сниматься напряжение, значение которого зависит от величины прикладываемого усилия и измеряется измерительным прибором. The sensor operates as follows. In the absence of load (force) on the membrane, the magnetic flux of the supply winding is divided into two equal magnetic fluxes, which induce in the measuring circuits of the EMF. The values of induced EMF in the absence of force are the same, and the output voltage of the sensor is almost zero, because windings are turned on counter. When the sensor is loaded from one side, the magnetic flux in one of the windings increases, and in the other it decreases. As a result of this, the values of the EMF induced in them will have different values, and the voltage will be removed from the sensor output, the value of which depends on the magnitude of the applied force and is measured by a measuring device.

Недостатком известного датчика усилия являются его сложность и высокая нелинейность выходной характеристики, которая приводит к искажению результатов измерения. Кроме того, такой датчик не имеет возможности регулирования чувствительности. A disadvantage of the known force sensor is its complexity and high non-linearity of the output characteristic, which leads to distortion of the measurement results. In addition, such a sensor does not have the ability to control sensitivity.

Наиболее близким аналогом является емкостный датчик силы, который выбран за прототип (патент РФ 2065588). Емкостный датчик силы содержит размещенные на основании силовводящий элемент шаровой формы, упругий элемент, выполненный из двух одинаковых мембран, жестко соединенных до периферии, преобразователь перемещения с двумя электродами и защитным кольцом, подключенный к электронному блоку с операционным усилителем и компаратором напряжения. The closest analogue is a capacitive force sensor, which is selected for the prototype (RF patent 2065588). The capacitive force sensor contains a ball-shaped power-driving element located on the base, an elastic element made of two identical membranes rigidly connected to the periphery, a displacement transducer with two electrodes and a protective ring connected to an electronic unit with an operational amplifier and a voltage comparator.

В датчик введен термозависимый делитель напряжения, мембраны выполнены с жесткими центральными втулками, установленными соосно, каждая из втулок выступает по обе стороны соответствующей мембраны, во втулке одной из мембран выполнено углубление для силовыводящего элемента, втулка другой мембраны жестко закреплена в выполненной в основании датчика проточке, электроды емкостного преобразователя расположены в полости, образованной мембранами, каждый электрод жестко связан с соответствующей изолированной от него втулкой, при этом электроды соединены соответственно с инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора напряжения, выход которого через термозависимый делитель напряжения подключен к инвертирующему входу операционного усилителя. A thermo-dependent voltage divider is introduced into the sensor, the membranes are made with rigid central bushings mounted coaxially, each of the bushings protrudes on both sides of the corresponding membrane, a recess for the power output element is made in the sleeve of one of the membranes, the sleeve of the other membrane is rigidly fixed in the groove made in the base of the sensor, the electrodes of the capacitive transducer are located in the cavity formed by the membranes, each electrode is rigidly connected to the corresponding sleeve isolated from it, while odes are respectively connected to the inverting input and the output of the operational amplifier, the output of which is connected to the inverting input of the voltage comparator, the output of which through a temperature-dependent voltage divider is connected to the inverting input of the operational amplifier.

Недостатками емкостного датчика усилия является сложность конструкции. The disadvantages of a capacitive force sensor is the design complexity.

Задачей изобретения является упрощение конструктивного исполнения. The objective of the invention is to simplify the design.

Поставленная задача достигается тем, что предложенный датчик усилия состоит из корпуса, в верхней части которого выполнен фланец, в нижней - резьба: внутри корпуса размещены подвижный шток и постоянные магниты, ориентированные относительно друг друга одноименными полюсами, один из которых обладает возможностью продольного перемещения, а второй жестко закреплен в заглушке. В торце заглушки выфрезерован шлиц, и она посредством резьбы соединена с корпусом, верхняя поверхность фланца и торцевые поверхности магнитов покрыты электропроводным слоем и образуют два конденсатора с одной общей обкладкой, которая подсоединена к генератору переменного напряжения, а две другие обкладки соответственно соединены с входами выпрямителей, выходы которых через фильтры подключены к входу сумматора, а его выход - к усилителю. Корпус датчика выполнен из диэлектрического и немагнитного материала. The task is achieved in that the proposed force sensor consists of a housing, a flange is made in the upper part and a thread in the lower part: a movable rod and permanent magnets are placed inside the housing, oriented with the same poles relative to each other, one of which has the possibility of longitudinal movement, and the second is rigidly fixed in the cap. A slot is milled at the end of the plug, and it is connected to the housing by a thread, the upper surface of the flange and the end surfaces of the magnets are coated with an electrically conductive layer and form two capacitors with one common plate that is connected to an alternator, and the other two plates are respectively connected to the inputs of the rectifiers, the outputs of which are connected through filters to the input of the adder, and its output to the amplifier. The sensor housing is made of dielectric and non-magnetic material.

Один из постоянных магнитов закреплен в заглушке, которая имеет резьбу и может при вращении перемещаться поступательно в вертикальном направлении. Для осуществления перемещения в заглушке выфрезерован шлиц, благодаря этому, расстояние между магнитами может изменяться при ввинчивании и вывинчивании заглушки. Постоянные магниты обращены друг к другу одноименными полюсами, что приводит к образованию гарантированного зазора. При этом подвижный магнит может перемещаться при воздействии усилия на шток. Торцевые поверхности магнитов и фланца металлизированы и образуют обкладки дифференциального конденсатора, состоящего из С1 и С2. Емкость С1 образована между нижней металлизованной поверхностью подвижного магнита и верхней металлизованной поверхностью неподвижного магнита. Емкость С2 образована между металлизированной торцевой поверхностью фланца и верхней металлизированной поверхностью подвижного магнита. Торцевые поверхности подвижного магнита соединены между собой токопроводящей перемычкой, образуя общую обкладку конденсаторов. Она соединена выводами с генератором переменного напряжения. Две другие обкладки дифференциального конденсатора соединены со входами выпрямителей. One of the permanent magnets is fixed in the plug, which has a thread and can rotate in translational motion in the vertical direction. To carry out the movement, a slot is milled in the plug; due to this, the distance between the magnets can change when the plug is screwed in and out. Permanent magnets face each other with the same poles, which leads to the formation of a guaranteed gap. In this case, the movable magnet can move when a force is applied to the rod. The end surfaces of the magnets and the flange are metallized and form the plates of the differential capacitor, consisting of C1 and C2. The capacitance C1 is formed between the lower metallized surface of the movable magnet and the upper metallized surface of the stationary magnet. The capacitance C2 is formed between the metallized end surface of the flange and the upper metallized surface of the movable magnet. The end surfaces of the movable magnet are interconnected by a conductive jumper, forming a common lining of the capacitors. It is connected by leads to an alternating voltage generator. The other two plates of the differential capacitor are connected to the inputs of the rectifiers.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого датчика усилия. Figure 1 shows the design of the proposed force sensor.

Датчик состоит из корпуса 1 с фланцем 2, внутри корпуса размещены шток 3, постоянные магниты 4 и 5, заглушка 6 с выполненным в ней шлицем 7. Верхняя поверхность фланца и торцевые поверхности покрыты злектропроводным слоем 8. Поверхности подвижного магнита подсоединены к генератору переменного напряжения 9. Поверхности фланца и второго магнита соответственно подсоединены к выпрямителям 10 и 11, которые в свою очередь через фильтры 12 и 13 подсоединены к сумматору 14. Сумматор подключен к усилителю 15. The sensor consists of a housing 1 with a flange 2, a rod 3, permanent magnets 4 and 5, a plug 6 with a slot 7 made therein, are placed inside the housing. The upper surface of the flange and the end surfaces are covered with an electrically conductive layer 8. The surfaces of the movable magnet are connected to an alternating voltage generator 9 The surfaces of the flange and the second magnet are respectively connected to the rectifiers 10 and 11, which in turn are connected through the filters 12 and 13 to the adder 14. The adder is connected to the amplifier 15.

Датчик усилия работает следующим образом. The force sensor works as follows.

При отсутствии усилия F на шток 3 постоянный магнит 4 под действием магнитных сил, возникающих в результате того, что постоянные магниты 4 и 5 обращены друг к другу одноименными полюсами, находится в крайнем верхнем положении. Это положение ограничивается для него диэлектрическим фланцем 2. В этом исходном состоянии емкости конденсаторов С1 и С2 определяются по формулам

где ξ₁, ξ₂ - диэлектрическая проницаемость емкостей С1 и С2,
S1 - площадь обкладок конденсатора С1,
S2 - площадь обкладок конденсатора С2,
l1 - расстояние между металлизированными слоями 8 обращенных друг к другу постоянных магнитов 4 и 5, образующих конденсатор С1;
l2 - расстояние между металлизированным слоем 8 постоянного магнита 4, обращенным к фланцу 2, и металлизированным слоем фланца, образующих конденсатор С2.In the absence of force F on the rod 3, the permanent magnet 4 under the action of magnetic forces resulting from the fact that the permanent magnets 4 and 5 face each other with the same poles, is in its highest position. This position is limited for it by the dielectric flange 2. In this initial state, the capacitances of capacitors C1 and C2 are determined by the formulas

where ξ ₁ , ξ ₂ is the dielectric constant of capacitances C1 and C2,
S1 is the area of the plates of the capacitor C1,
S2 is the area of the plates of the capacitor C2,
l1 is the distance between the metallized layers 8 facing each other of the permanent magnets 4 and 5, forming a capacitor C1;
l2 is the distance between the metallized layer 8 of the permanent magnet 4, facing the flange 2, and the metallized layer of the flange forming the capacitor C2.

В исходном состоянии датчика при включении генератора 9 с обкладок конденсаторов С1 и С2 снимаются напряжения, которые подаются на выпрямители 10 и 11 (фиг.2). Выпрямители 10 и 11 использованы разнополярными, поэтому напряжения, снимаемые с их выходов, имеют разную полярность. С выходов выпрямителей 10 и 11 разнополярные напряжения подаются через фильтры 12 и 13 на вход сумматора 14. На выходе сумматора получим разность напряжений. In the initial state of the sensor when the generator 9 is turned on, the voltages that are applied to the rectifiers 10 and 11 are removed from the plates of the capacitors C1 and C2 (Fig. 2). Rectifiers 10 and 11 are used in different polarity, so the voltages removed from their outputs have different polarity. From the outputs of the rectifiers 10 and 11, bipolar voltages are supplied through the filters 12 and 13 to the input of the adder 14. At the output of the adder, we obtain the voltage difference.

Вследствие того, что указанные емкости включены по дифференциальной схеме, можно настроить датчик усилия так, что в исходном состоянии при отсутствии усилия на шток напряжение на выходе сумматора 14 будет равно нулю. Такая настройка выполняется путем уменьшения расстояния l1. Для этого заглушку 6 с помощью шлица 7 перемещают в направлении подвижного магнита 4. Due to the fact that these capacitances are switched on according to the differential circuit, it is possible to adjust the force sensor so that in the initial state, in the absence of rod pressure, the voltage at the output of the adder 14 will be zero. This adjustment is made by decreasing the distance l1. To do this, the plug 6 using the slot 7 is moved in the direction of the movable magnet 4.

При воздействии усилия F на шток 3 магнит 4 будет приближаться к магниту 5. В результате этого расстояние l1 уменьшится, а расстояние l2 увеличится. Поэтому емкость С2 будет уменьшаться, а емкость С1 - увеличиваться. При этом изменяются и напряжения, снимаемые с выпрямителей 10 и 11 и подаваемые на вход сумматора 14 через фильтры 12 и 13. В результате этого на выходе сумматора 14 появляется разность напряжений, которая несет информацию о величине прикладываемого к штоку 3 усилия. Значение этого напряжения при настройке датчика может быть проградуировано в единицах, соответствующих прикладываемым усилиям. При снятии усилия F со штока 3 постоянный магнит 4 вернется в исходное положение под действием магнитных сил, создаваемых магнитами 4 и 5. When the force F acts on the rod 3, the magnet 4 will approach the magnet 5. As a result, the distance l1 will decrease, and the distance l2 will increase. Therefore, the capacitance C2 will decrease, and the capacitance C1 will increase. In this case, the voltages removed from the rectifiers 10 and 11 and supplied to the input of the adder 14 through the filters 12 and 13 also change. As a result, the voltage difference appears on the output of the adder 14, which carries information about the amount of force applied to the rod 3. The value of this voltage when configuring the sensor can be calibrated in units corresponding to the applied efforts. When the force F is removed from the rod 3, the permanent magnet 4 will return to its original position under the action of the magnetic forces created by magnets 4 and 5.

Предлагаемый датчик может быть настроен на работу и другим путем. При этом необходимо обеспечить нулевое значение напряжения на выходе сумматора 14 путем изменения коэффициентов усиления фильтров 12 и 13. The proposed sensor can be configured to work in another way. In this case, it is necessary to ensure a zero voltage value at the output of the adder 14 by changing the gain of the filters 12 and 13.

По сравнению с известным емкостным датчиком силы предлагаемый датчик усилия на основании вышеизложенного отличается простотой конструктивного исполнения. Упрощение конструкции обеспечивает датчику большую надежность и удобство в эксплуатации. Compared with the known capacitive force sensor, the proposed force sensor on the basis of the foregoing is characterized by simplicity of design. Simplification of the design provides the sensor with greater reliability and ease of use.

Claims

A force sensor comprising an amplifier, characterized in that it consists of a housing, the dielectric flange is made in the upper part, a thread is in the lower part, a movable rod and permanent magnets are placed inside the housing, oriented with the same poles relative to each other, one of which is installed with the possibility of longitudinal movement under the influence of the rod, and the second is rigidly fixed in the cap, in the end of which the slot is milled, and it is connected by a thread to the body, the upper surface of the flange and the end surfaces and the magnets are covered with a metallized layer to form two capacitors with a common electrode, which is connected to the alternating voltage generator, the other two plates are respectively connected to the rectifier input, the outputs of which are connected through filters to the input of the adder and its output - to the amplifier.