專利名稱：雙向稱梁型多軸力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多軸力傳感器，尤其是一種對(duì)稱梁型四軸力傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的多軸力或四軸力應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多截面和多個(gè)組合件進(jìn)行 結(jié)構(gòu)組合，彈性體的受力與抗偏載能力的協(xié)調(diào)、加工、裝配、互換性等因素都會(huì)帶來一定的
測(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要提供一種雙向稱梁型多軸力傳感器，該傳感器利用對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)作為傳 感器的彈性元件，并在相應(yīng)的截面位置上粘貼電阻應(yīng)變片完成三個(gè)力(X、Y、Z軸)與一個(gè)扭 矩(繞Z軸)的測(cè)量，該結(jié)構(gòu)采用雙向?qū)ΨQ梁的形式，使得在主軸載荷作用下其余軸向的抗 載荷斷面系數(shù)有理想的提高，大大提高了傳感器的抗偏載能力與測(cè)量時(shí)的抗干擾能力，并 使得傳感器的結(jié)構(gòu)更為緊湊，該傳感器為一體多截面結(jié)構(gòu)，免去了組合件帶來的由加工、裝 配、互換性等因素帶來的測(cè)量誤差。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種雙向稱梁型多軸力傳感器，包括傳感 器的彈性元件，電阻應(yīng)力片，其特點(diǎn)是傳感器的彈性元件為對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)，上承載與連接面 和下承載與連接面結(jié)構(gòu)相同為圓環(huán)形體，上承載與連接面下面設(shè)有為矩形截面的Y向受力 面，且矩形截面用圓弧與上承載與連接面過度連接，下承載與連接面上面設(shè)有為矩形截面 的X向受力面，與Y向受力面成垂直交差布置，且矩形截面用圓弧與下承載與連接面過度連 接，X向受力面與Y向受力面之間設(shè)有為圓形截面的扭矩購受力面，且扭矩禮受力面用圓 弧與X，Y向受力面過度連接；X、Y軸力的測(cè)量時(shí)，X向受力面的截面和Y向受力面的截面上 對(duì)稱布置電阻應(yīng)力；，測(cè)量扭矩時(shí)，扭矩Mz受力面的截面上布置一組測(cè)量繞Z軸的扭矩電 阻應(yīng)變片，且電阻應(yīng)變片粘貼在截面的中間位置，沿圓周對(duì)稱分布。上承載與連接面的圓環(huán)形體外徑Di = (^^舊隊(duì)，高度氏二口^/^丨/^，中間 設(shè)有一個(gè)兩端為圓形的矩形槽，矩形槽兩端圓形內(nèi)徑D = D2/(l/5 l/6)，矩形槽長(zhǎng)度L = (0. 7 0. 8)Bi，圓環(huán)面上開有四個(gè)螺栓孔，且四個(gè)螺栓孔均勻分布在圓截面上，四個(gè)螺栓孔 的中心位置基圓D3 = (Dl+D0)/2，螺栓大小M = DJ1/8 1/14)。Y向受力面的矩形截面與上承載與連接面圓弧過度的圓弧R= (2飛)mm ；矩形截面 寬度 (0. 5 0. 7)0!，厚度 B2 = (0. 4 0. 6)Bi，高度 H2 = (0. 6 0. 7)Bi。扭矩Mz受力面的圓形截面與Y、X向受力面圓弧過度的圓弧R = (1.5 2.5)111111，圓 形截面的直徑D2 = (1.廣1.2) Bi，高度氏=DjlAn/8)。本發(fā)明的有益效果是1.該傳感器的設(shè)計(jì)是利用對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)作為傳感器的彈性元件，并在相應(yīng)的截面位 置上粘貼電阻應(yīng)變片完成三個(gè)力(X、Y、Z軸)與一個(gè)扭矩(繞Z軸)的測(cè)量。該結(jié)構(gòu)采用 雙向?qū)ΨQ梁的形式，既截面1與截面2成垂直交差布置。使得在主軸載荷作用下其余軸向的
3抗載荷斷面系數(shù)有理想的提高，大大提高了傳感器的抗偏載能力與測(cè)量時(shí)的抗干擾能力， 并使得傳感器的結(jié)構(gòu)更為緊湊。該傳感器為一體多截面結(jié)構(gòu)，免去了組合件帶來的由加工、 裝配、互換性等因素帶來的測(cè)量誤差。2.根據(jù)力學(xué)特性，主受力截面的抗載系數(shù)大大小于其它截面，所以認(rèn)為所有變形 均集中在主受力截面上。中間的空心槽可以在截面面積不變即充分保證傳感器足夠的靈敏 度的情況下充分增加外部輪廓尺寸，使得傳感器整體受力的穩(wěn)定性大為提高。過度圓弧可 以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象對(duì)應(yīng)變片工作區(qū)域的影響。3.利用合理的應(yīng)變片布置與電橋特性來保證只有主受力截面的測(cè)量橋路有輸出。4.適當(dāng)調(diào)整應(yīng)變片與組橋方式可以將四軸力增加為六軸力測(cè)量，既三組坐標(biāo)的力 與扭矩。5. 一體化的結(jié)構(gòu)大大降低了組合件帶來的由加工、裝配、互換性等因素帶來的測(cè)
量誤差。6.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工，使傳感器的制作成本大大的降低。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖；圖2是圖1的左剖視圖；圖3是圖1的俯視圖；圖4是圖1沿A-A的剖視圖；圖5是本發(fā)明的截面1上正反面應(yīng)變片布置圖；圖6是本發(fā)明的截面2上正反面應(yīng)變片布置圖；圖7是本發(fā)明的截面2上正反面應(yīng)變片的電橋組成圖；圖8是本發(fā)明的截面3上正反面應(yīng)變片布置圖；圖9是本發(fā)明的截面3上正反面應(yīng)變片布的電橋組成圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明的雙向稱梁型多軸力傳感器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)該傳感器的設(shè)計(jì)是利用對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)作為傳感器的彈性元件，并在相應(yīng)的截面位置 上粘貼電阻應(yīng)變片完成三個(gè)力(X、Y、Z軸)與一個(gè)扭矩(繞Z軸)的測(cè)量。該結(jié)構(gòu)采用雙向 對(duì)稱梁的形式，使得在主軸載荷作用下其余軸向的抗載荷斷面系數(shù)有理想的提高，大大提 高了傳感器的抗偏載能力與測(cè)量時(shí)的抗干擾能力，并使得傳感器的結(jié)構(gòu)更為緊湊。該傳感 器為一體多截面結(jié)構(gòu)，免去了組合件帶來的由加工、裝配、互換性等因素帶來的測(cè)量誤差。如圖1至圖4所法，本發(fā)明的雙向稱梁型多軸力傳感器，包括傳感器的彈性元件， 電阻應(yīng)力片。傳感器的彈性元件為對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)，上承載與連接面a和下承載與連接面f結(jié)構(gòu)相 同為圓環(huán)形體，上承載與連接面a下面設(shè)有為矩形截面的Y向受力面c，且矩形截面用圓弧 與上承載與連接面a過度連接，下承載與連接面f上面設(shè)有為矩形截面的X向受力面e，與 Y向受力面c成垂直交差布置，且矩形截面用圓弧與下承載與連接面f過度連接，X向受力面e與Y向受力面c之間設(shè)有為圓形截面的扭矩Mz受力面d，且扭矩Mz受力面d用圓弧與 X，Y向受力面e，c過度連接；X、Y軸力的測(cè)量時(shí)，X向受力面的截面1和Y向受力面的截面 2上對(duì)稱布置電阻應(yīng)力；，測(cè)量扭矩時(shí)，扭矩Mz受力面的截面3上布置一組測(cè)量繞Z軸的扭 矩電阻應(yīng)變片，且電阻應(yīng)變片粘貼在截面3的中間位置，沿圓周對(duì)稱分布。一，本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)a—上承載與連接面，圓環(huán)形。直接承受載荷或與受力件連接。常用傳感器彈性 元件材料。其外徑由被測(cè)受力件大小決定，D1= (1.3^1.5)D0O DQ為外部受力構(gòu)件的截面尺 寸。安裝螺栓孔中心圓位置03= (Di+Dj/2。^ = (1/6^1/8) 0中間有一矩形槽兩端為圓 形，其內(nèi)徑 D = D2/(1/5 1/6)，長(zhǎng)度為 L = (0. 7 0. 8)B10b—螺栓孔。四個(gè)螺栓孔均勻分布在圓截面上，用于與受力件連接。由受力件大 小與緊固要求決定。D3= (01+0。)/2。，螺栓大小11 = 01(1/8 1/14)。c—Y向受力面，矩形截面，用圓弧與上承載與連接面過度。圓弧R= (2 5)mm。用 于測(cè)量由Y向載荷產(chǎn)生的FY力。寬度((^、.了瓜，厚度化二 (0.4 0.6)81，高度112 = (0. 6 0. 7冰。d—扭矩Mz受力面，圓形截面。用圓弧與Y、X向受力面過度，圓弧R= (1. 5^2. 5) mm。用于測(cè)量由繞Z軸向載荷產(chǎn)生的扭矩Mz。其直徑D2 = (1.廣1. 2)B10 = (1/6^1/8)。e――X向受力面，結(jié)構(gòu)同Y向受力面，與Y向受力面成垂直交差布置。f—下承載與連接面，結(jié)構(gòu)與上承載與連接面相同。二 .傳感器的測(cè)量原理該傳感器利用三個(gè)受力截面分別測(cè)量來自X、Y、Z三個(gè)方向的力。利用力學(xué)原理與 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)變片的合理布置和電橋橋路的組成(圖5至圖9)，使得只有施加的主軸力在 該對(duì)應(yīng)的截面上的得以測(cè)量，而其余截面上的信號(hào)被抵消。1.X軸力的測(cè)量當(dāng)傳感器受到X軸力的作用時(shí)，由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，截面2與截面3的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截 面1，因此輸出主要在截面1上。同時(shí)由于應(yīng)變片的合理布置和電橋橋路的組成，使得只有 截面1上的測(cè)量橋路有輸出，具體如下(ICR12阻值相同)在Fx的作用下，截面1 :R”R3為 +，R2、R4 為 ~o截面2 :R5、R6為+，R7、R8為_，R9、R12為+，R10, Rn為-根據(jù)電橋輸出特性截面1 AR = ( A - (- A R2) + ( A R3) - (- A R4) = 4 A根據(jù)電橋輸出特性截面2 AR= ( A R5) - ( A R6) + (- A R7) - (- A R8) =0A R = ( A R9) - (- A R10) + (- A Rn) - ( A R12) = 0所以只有截面1上的測(cè)量橋路有輸出。同樣在FY的作用下，截面1 :禮、1 2為+，1 3、1 4為-。截面2 :R5、R7 為 +，R6、R8 為 _，R9、R12 為 +，R10、Rn 為-根據(jù)電橋輸出特性截面1 AR= (AR1)-(AR2) + (-AR3)-(-AR4) =0根據(jù)電橋輸出特性截面2 A R = ( A R5) - (- A R6) + ( A R7) - (- A R8) = 4 AA R = ( A R9) - (- A R10) + (- A Rn) - ( A R12) = 0所以只有截面2上的Rf R8測(cè)量橋路有輸出。
在扭矩Mz的作用下截面1截面2的應(yīng)變片由于對(duì)稱布置的關(guān)系因此均無輸出。此時(shí)，應(yīng)變片粘貼在H2的中間位置，沿&長(zhǎng)度4等分中間布置(圖5)。2. Y軸力的測(cè)量應(yīng)變片纊12粘貼在H2的上1/4位置，沿&長(zhǎng)度4等分分布。應(yīng)變片5、粘貼在 H2的下1/4位置，沿&長(zhǎng)度4等分分布(圖6)。3.扭矩測(cè)量截面3是測(cè)量扭矩用的。在截面3上布置了一組測(cè)量繞Z軸的扭矩應(yīng)變片，應(yīng)變 片粘貼在氏的中間位置，沿圓周對(duì)稱分布(圖8，9)。在扭矩Mz的作用下截面1截面2均無輸出，只有截面3上的測(cè)量橋路有輸出。AR = (AR/ )-(-AR2，)+ (AR3，)-(-AR4，) = 4AR/。
權(quán)利要求
一種雙向稱梁型多軸力傳感器，包括傳感器的彈性元件，電阻應(yīng)力片，其特征在于所述傳感器的彈性元件為對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)，上承載與連接面(a)和下承載與連接面(f)結(jié)構(gòu)相同為圓環(huán)形體，上承載與連接面(a)下面設(shè)有為矩形截面的Y向受力面(c)，且矩形截面用圓弧與上承載與連接面(a)過度連接，下承載與連接面(f)上面設(shè)有為矩形截面的X向受力面(e)，與Y向受力面(c)成垂直交差布置，且矩形截面用圓弧與下承載與連接面(f)過度連接，X向受力面(e)與Y向受力面(c)之間設(shè)有為圓形截面的扭矩MZ受力面(d)，且扭矩MZ受力面(d)用圓弧與X，Y向受力面(e，c)過度連接；X、Y軸力的測(cè)量時(shí)，X向受力面的截面(1)和Y向受力面的截面(2)上對(duì)稱布置電阻應(yīng)力；，測(cè)量扭矩時(shí)，扭矩MZ受力面的截面(3)上布置一組測(cè)量繞Z軸的扭矩電阻應(yīng)變片，且電阻應(yīng)變片粘貼在截面(3)的中間位置，沿圓周對(duì)稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向稱梁型多軸力傳感器，其特征在于；所述上承載與連接 面(a)的圓環(huán)形體外徑01= (^、.〖丨隊(duì)，高度&二口乂丨作，/^，中間設(shè)有一個(gè)兩端為圓 形的矩形槽，矩形槽兩端圓形內(nèi)徑D = D2/(l/5 l/6)，矩形槽長(zhǎng)度L = (0. 7 0. 8)8,,圓環(huán)面 上開有四個(gè)螺栓孔，且四個(gè)螺栓孔均勻分布在圓截面上，四個(gè)螺栓孔的中心位置基圓D3 = (D1+D0) /2，螺栓大小 M = (1/8 1/14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向稱梁型多軸力傳感器，其特征在于；所述Y向受力面(c)的矩形截面與上承載與連接面(a)圓弧過度的圓弧R=(2 5)mm;矩形截面寬度& = (0. 5 0. 7)Di，厚度 B2 = (0. 4 0. 6)Bi，高度 H2 = (O.elJWi。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙向稱梁型多軸力傳感器，其特征在于；所述扭矩Mz受力面(d)的圓形截面與Y、X向受力面(e，c)圓弧過度的圓弧R=(1.5 2.5)!11111，圓形截面的直徑 D2 = (1.廣 1.2) Bi，高度 & = D^l/6 1/8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙向稱梁型多軸力傳感器，傳感器的彈性元件為對(duì)稱梁結(jié)構(gòu)，上承載與連接面和下承載與連接面結(jié)構(gòu)相同為圓環(huán)形體，上承載與連接面下面設(shè)有為矩形截面的Y向受力面，且矩形截面用圓弧與上承載與連接面過度連接，下承載與連接面上面設(shè)有為矩形截面的X向受力面，與Y向受力面成垂直交差布置，且矩形截面用圓弧與下承載與連接面過度連接，X向受力面與Y向受力面之間設(shè)有為圓形截面的扭矩MZ受力面，且扭矩MZ受力面用圓弧與向受力面過度連接；該結(jié)構(gòu)使得在主軸載荷作用下其余軸向的抗載荷斷面系數(shù)有所提高，提高了傳感器的抗偏載能力與測(cè)量時(shí)的抗干擾能力，一體多截面結(jié)構(gòu)，免去了組合件帶來的由加工、裝配、互換性等因素帶來的測(cè)量誤差。
文檔編號(hào)G01L1/22GK101858801SQ20101018395
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者徐華, 楊斐, 沈旭棟, 石鋼, 胡颯英 申請(qǐng)人:上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院