CN106556488B - 一种应变式六维力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应变式六维力传感器，包括底盖、基座、电路板、弹性体和顶盖，所述底盖与所述基座的底面连接，所述电路板位于所述基座内部，四个所述弹性体均布在基座内，所述弹性体的敏感元件外侧端与所述基座连接，所述弹性体的敏感元件内侧端与所述顶盖连接，所述顶盖通过弹性体支撑于所述基座上。本发明的应变式六维力传感器由于采用了多个弹性体和合理的应变片组桥方案设计，可以很好的消除维间耦合，通过特殊结构的弹性体，使得应变式六维力传感器即有很高的刚度又具有很好的灵敏度。

Description

一种应变式六维力传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种能够同时检测三维力和三维力矩的电阻应变式传感器。
背景技术
六维力/力矩传感器是力传感器中一种新发展起来的传感器，能同时转换多维力/力矩信号为电信号，可用于监测方向和大小不断变化的力与力矩。随着航天航空、现代机器人等领域的发展，六维力传感器的应用场合越来越多。
在应变式多维力传感器中，弹性体结构是影响传感器性能的主要因素。根据弹性体的结构形式区分，弹性体可以分为一体式结构和复合式结构。一体式结构一般为单一几何形状，弹性应变分布于弹性体表面不同区域。复合式结构多为多平面组合式结构，弹性应变分布于弹性体不同表面的不同区域。
根据力向量中各独立分量的获取方式，可以将多维力传感器的弹性体结构分为直接输出型传感器(无耦合型)和间接输出型传感器(耦合型)两种。直接输出型传感器的弹性体无耦合作用，力向量可以由传感器的输出和结构常数直接获取。这种弹性体的结构简单，但是体积较大，并且非整体式的构件会产生很大的滞后。间接输出型传感器的弹性体体积小，重量轻，滞后小，但是数据处理比较复杂。
目前，从投入使用的六维力传感器来看，结构上基本上采用间接输出型复合式结构。这种结构的设计存在的问题主要表现在灵敏度与刚度的矛盾、维间耦合两个方面。
发明内容
针对现有技术中六维力传感器维间耦合以及刚度灵敏度矛盾等不足，本发明的目的是提供一种可以从结构上解决维间耦合问题并且同时保证刚度和灵敏度的应变式六维力传感器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应变式六维力传感器，包括底盖、基座、电路板、弹性体和顶盖，所述底盖与所述基座的底面连接，所述电路板位于所述基座内部，四个所述弹性体均布在基座内，所述弹性体的敏感元件外侧端与所述基座连接，所述弹性体的敏感元件内侧端与所述顶盖连接，所述顶盖通过弹性体支撑于所述基座上。
所述基座包括一个圆柱形底座及设于所述圆柱形底座平面上并向上延伸的底座凸台，所述底座的外边缘上设有若干个U型槽，所述底座的外侧设有若干用于方便搬运的底座凹槽并在底座凹槽上设置吊环螺栓，所述底座凸台的外壁上设有用于安装插座的插座孔，所述底座凸台的内壁上设有四个均布的弹性体安装凹槽，所述弹性体安装凹槽与所述弹性体的敏感元件外侧端的端面连接，所述底座凸台内设有用于安装电路板的电路板安装平面。
所述电路板安装平面的外径与所述电路板的外径相同。
所述底座凸台为圆环形。
所述弹性体安装凹槽的平面上设有用于定位弹性体在基座上位置的第一定位销孔，用于连接敏感元件外侧端与基座的第一通孔，四个所述第一通孔呈矩形分布，与敏感元件外侧端上的第一螺孔相对应，所述第一定位销孔位于四个所述第一通孔的中心。
所述弹性体包括敏感元件、应变片、应变片端子、敏感元件保护罩，四个所述应变片均布于敏感元件的敏感区域上，两个所述应变片端子位于敏感元件的敏感元件台阶的平面上，两个所述敏感元件保护罩位于所述敏感区域的外部，两个敏感元件保护罩相互扣合，并通过螺钉将扣合在一起的敏感元件保护罩固定在敏感元件外侧端上，与敏感元件内侧端之间留有间隙。
所述敏感元件呈哑铃形状，敏感元件外侧端设有用于固定敏感元件保护罩的第二通孔，用于定位弹性体在基座上位置的第二定位销孔，用于连接敏感元件外侧端与基座的第一螺孔，敏感元件内侧端设有用于连接敏感元件内侧端与顶盖的第二螺孔。
所述第二定位销孔位于所述敏感元件外侧端端面的中心，两个所述第二通孔对称分布于所述第二定位销孔的两边，四个所述第一螺孔在圆周方向上均布于敏感元件外侧端端面上，四个所述第二螺孔在圆周方向上均布于敏感元件内侧端上，与所述弹性体安装平面上的第三通孔相对应。
所述应变片端子的形状为半圆环形，两个应变片端子组成一个圆环形并位于敏感元件台阶上，应变片的引线焊接在应变片端子上的焊盘上。
所述敏感元件保护罩的形状为半圆环形，在敏感元件保护罩上设有过线孔。
所述顶盖包括圆柱型结构及位于所述圆柱型结构底面***位置并向下延伸的圆柱形凸台。
所述圆柱型结构的上平面上设有若干个第三螺孔，用于待监测对象的安装固定，以所述圆柱型结构的中心为圆心设有若干圈均布的浅沟，用于提高待监测对象安装精度。
在所述圆柱型结构的底面上圆柱形凸台的四周围设有均布的圆柱型结构凹槽。
所述圆柱形凸台的底面上设有均布的圆柱形凸台凹槽，所述圆柱形凸台的外壁上设有四个均布的弹性体安装平面，所述弹性体安装平面与所述敏感元件内侧端的端面连接，所述弹性体安装平面上设有均布的、与所述敏感元件内侧端上四个所述第二螺孔对应的四个第三通孔。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的应变式六维力传感器由于采用了多个弹性体和合理的应变片组桥方案设计，可以很好的消除维间耦合，通过特殊结构的弹性体，使得应变式六维力传感器即有很高的刚度又具有很好的灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例应变式六维力传感器的整体结构示意图。
图2是本发明实施例应变式六维力传感器的***图。
图3是弹性体的***图。
图4是敏感元件的主视图。
图5是以一定角度仰视顶盖的结构示意图。
图6是基座的结构示意图。
其中：1为底盖，2为基座，211为底座，212为底座凸台，213为U型槽，214为底座凹槽，215为插座孔，216弹性体安装凹槽，217为电路板安装平面，218为第一定位销孔，219为第一通孔，3为电路板，4为弹性体，411为敏感元件，412为应变片，413为应变片端子，414为敏感元件保护罩，4111为敏感元件外侧端，4112为敏感元件内侧端，4113为敏感区域，4114为敏感元件台阶，4115为第二定位销孔，4116为第二通孔，4117为第一螺孔，4118为第二螺孔，4141为过线孔，5为顶盖，51为第三螺孔，52为浅沟，53为圆柱型结构，54为圆柱形凸台，55为圆柱型结构凹槽，56为圆柱形凸台凹槽，57弹性体安装平面，58为第三通孔。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种应变式六维力传感器，如图1和图2所示，图1是本发明实施例应变式六维力传感器的整体结构示意图；图2是本发明实施例应变式六维力传感器的***图，包括底盖1、基座2、电路板3、弹性体4和顶盖5，所述底盖1与所述基座2的底面连接，所述电路板3位于所述基座2内部，四个所述弹性体4均布在基座2内，所述弹性体4的敏感元件外侧端4111与所述基座2连接，所述弹性体4的敏感元件内侧端4112与所述顶盖5连接，所述顶盖5通过弹性体4支撑于所述基座2上。
所述基座2包括一个圆柱形底座211及设于所述圆柱形底座211平面上并向上延伸的底座凸台212，所述底座211的外边缘上设有若干个U型槽213，通过T型槽螺栓将应变式六维力传感器固定在T型槽平台上，应变式六维力传感器使用时，用T型槽螺栓把应变式六维力传感器固定在T型槽平台上，待监测对象通过螺钉连接安装在顶盖5上；所述底座211的外侧设有若干用于方便搬运的底座凹槽214并在底座凹槽214上设置吊环螺栓，吊环螺栓用于起吊整个应变式六维力传感器，所述底座凸台212的外壁上设有用于安装插座的插座孔215，所述底座凸台212的内壁上设有四个均布的弹性体安装凹槽216，所述弹性体安装凹槽216与所述弹性体4的敏感元件外侧端4111的端面连接，所述底座凸台212内设有用于安装电路板3的电路板安装平面217。基座2的结构如图6所示，图6是基座的结构示意图。
所述电路板安装平面217的外径与所述电路板3的外径相同。
所述底座凸台212为圆环形。
所述弹性体安装凹槽216的平面上设有用于定位弹性体4在基座2上位置的第一定位销孔218，用于连接敏感元件外侧端4111与基座2的第一通孔219，四个所述第一通孔219呈矩形分布，与敏感元件外侧端4111上的第一螺孔4117相对应，所述第一定位销孔218位于四个所述第一通孔219的中心。
所述弹性体4包括敏感元件411、应变片412、应变片端子413、敏感元件保护罩414，四个所述应变片412均布于敏感元件411的敏感区域4113上，两个所述应变片端子413位于敏感元件411的敏感元件台阶4114的平面上，两个所述敏感元件保护罩414位于所述敏感区域4113的外部，两个敏感元件保护罩414相互扣合，并通过螺钉将扣合在一起的敏感元件保护罩414固定在敏感元件外侧端4111上，与敏感元件内侧端4112之间有一定间隙。以保护所述应变片412，使其免受灰尘、杂质等的污染。应变式六维力传感器上共有四个弹性体4，四个弹性体4沿圆周方向均布安装在基座2和顶盖5上，工作时相互配合以达到监测6个方向力/力矩的目的。弹性体的结构如图3所示，图3是弹性体的***图。
所述敏感元件411呈哑铃形状，敏感元件外侧端4111设有用于固定敏感元件保护罩414的第二通孔4116，用于定位弹性体4在基座2上位置的第二定位销孔4115，用于连接敏感元件外侧端4111与基座2的第一螺孔4117，敏感元件内侧端4112设有用于连接敏感元件内侧端4112与顶盖5的第二螺孔4118。
所述第二定位销孔4115位于所述敏感元件外侧端4111端面的中心，两个所述第二通孔4116对称分布于所述第二定位销孔4115的两边，四个所述第一螺孔4117在圆周方向上均布于敏感元件外侧端4111端面上，四个所述第二螺孔4118在圆周方向上均布于敏感元件内侧端4112上，与所述弹性体安装平面57上的第三通孔58相对应。敏感元件411的结构如图4所示，图4是敏感元件的主视图。
所述应变片端子413的形状为半圆环形，两个应变片端子413刚好可以组成一个圆环形并安装在敏感元件台阶4114上。应变片412的引线焊接在应变片端子413上的焊盘上。
所述敏感元件保护罩414的形状为半圆环形，在敏感元件保护罩414上设有过线孔4141。
所述顶盖5包括圆柱型结构53及位于所述圆柱型结构53底面***位置并向下延伸的圆柱形凸台54。顶盖5的结构如图5所示，图5是以一定角度仰视顶盖的结构示意图。
所述圆柱型结构53的上平面上设有若干个第三螺孔51，用于待监测对象的安装固定，以所述圆柱型结构53的中心为圆心设有若干圈均布的浅沟52，用于提高待监测对象安装精度。如图1所示，图1是本发明实施例应变式六维力传感器的整体结构示意图；
在所述圆柱型结构53的底面上圆柱形凸台54的四周围设有均布的圆柱型结构凹槽55。圆柱型结构凹槽55的设置既保证了顶盖5的刚度又能减少顶盖5质量。
所述圆柱形凸台54的底面上设有均布的圆柱形凸台凹槽56，所述圆柱形凸台54的外壁上设有四个均布的弹性体安装平面57，所述弹性体安装平面57与所述敏感元件内侧端4112的端面连接，所述弹性体安装平面57上设有均布的、与所述敏感元件内侧端4112上四个所述第二螺孔4118对应的四个第三通孔58。
在组装应变式六维力传感器时，先将四个应变片412均布于敏感元件411上的敏感区域4113的外圆周上，将两个应变片端子413粘贴在敏感元件台阶4114的平面上，应变片端子413为半圆形，两个拼合在一起为一个圆环，将两个敏感元件保护罩414在敏感区域4113的外部相扣合，两个敏感元件保护罩414刚好拼合成一个圆柱环，正好罩在敏感区域4113的外部，并通过螺钉连接的方式固定在敏感元件411上。应变片412的引线先焊到应变片端子413上，再从应变片端子413上接导线穿过开设在敏感元件保护罩414上的过线孔4141导出到弹性体4外部，连接到电路板3上。将底盖1以螺钉连接的方式连接在基座2的底部，电路板3通过螺钉安装在基座2的电路板安装平面217上，弹性体4的敏感元件内侧端4112以螺钉连接的方式固定在顶盖5的弹性体安装平面57上，弹性体4的敏感元件外侧端4111安装在基座2的弹性体安装凹槽216内，先用定位销依次穿过基座2的第一定位销孔218和敏感元件411的第二定位销孔4115对弹性体4进行定位，再以螺钉进行连接，组装完成应变式六维力传感器。
当应变式六维力传感器测量某一载荷时，该载荷由连接待检测对象与顶盖5的螺钉作用到传感器的顶盖5上，再由连接顶盖5与敏感元件411的敏感元件连接螺钉作用于敏感元件411，传递过来的载荷使敏感元件411的敏感区域4113发生弹性变形，敏感区域4113的变形引起贴在敏感元件411上的应变片412随之发生应变，应变片412的应变引起应变片电阻值发生变化，变化的阻值打破相应电桥的平衡产生输出电压，输出电压的大小反映被测载荷的大小。由于特殊的布片和组桥方式，当某一方向载荷作用于应变式六维力传感器时，用于测量此方向的应变片412产生应变，并且其组成的电桥产生输出电压，其他应变片412或者在该方向载荷作用下不产生应变，或者即使产生应变，但其组成的电桥平衡未打破输出电压保持不变。因此，本发明的应变式六维力传感器从结构上消除了维间耦合。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种应变式六维力传感器，其特征在于：包括底盖、基座、电路板、弹性体和顶盖，所述底盖与所述基座的底面连接，所述电路板位于所述基座内部，四个所述弹性体均布在基座内，所述弹性体的敏感元件外侧端与所述基座连接，所述弹性体的敏感元件内侧端与所述顶盖连接，所述顶盖通过弹性体支撑于所述基座上；
所述弹性体包括敏感元件、应变片、应变片端子、敏感元件保护罩，四个所述应变片均布于敏感元件的敏感区域上，两个所述应变片端子位于敏感元件的敏感元件台阶的平面上，两个所述敏感元件保护罩位于所述敏感区域的外部，两个敏感元件保护罩相互扣合，并通过螺钉将扣合在一起的敏感元件保护罩固定在敏感元件外侧端上，与敏感元件内侧端之间留有间隙；
所述敏感元件呈哑铃形状，敏感元件外侧端设有用于固定敏感元件保护罩的第二通孔，用于定位弹性体在基座上位置的第二定位销孔，用于连接敏感元件外侧端与基座的第一螺孔，敏感元件内侧端设有用于连接敏感元件内侧端与顶盖的第二螺孔。
2.根据权利要求1所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述基座包括一个圆柱形底座及设于所述圆柱形底座平面上并向上延伸的底座凸台，所述底座的外边缘上设有若干个U型槽，所述底座的外侧设有若干用于方便搬运的底座凹槽并在底座凹槽上设置吊环螺栓，所述底座凸台的外壁上设有用于安装插座的插座孔，所述底座凸台的内壁上设有四个均布的弹性体安装凹槽，所述弹性体安装凹槽与所述弹性体的敏感元件外侧端的端面连接，所述底座凸台内设有用于安装电路板的电路板安装平面。
3.根据权利要求2所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述电路板安装平面的外径与所述电路板的外径相同。
4.根据权利要求2所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述底座凸台为圆环形。
5.根据权利要求2所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述弹性体安装凹槽的平面上设有用于定位弹性体在基座上位置的第一定位销孔，用于连接敏感元件外侧端与基座的第一通孔，四个所述第一通孔呈矩形分布，与敏感元件外侧端上的第一螺孔相对应，所述第一定位销孔位于四个所述第一通孔的中心。
6.根据权利要求1所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述第二定位销孔位于所述敏感元件外侧端端面的中心，两个所述第二通孔对称分布于所述第二定位销孔的两边，四个所述第一螺孔在圆周方向上均布于敏感元件外侧端端面上，四个所述第二螺孔在圆周方向上均布于敏感元件内侧端上，与所述弹性体安装平面上的第三通孔相对应。
7.根据权利要求1所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述应变片端子的形状为半圆环形，两个应变片端子组成一个圆环形并位于敏感元件台阶上，应变片的引线焊接位于应变片端子上的焊盘上。
8.根据权利要求1所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述敏感元件保护罩的形状为半圆环形，在敏感元件保护罩上设有过线孔。
9.根据权利要求1所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述顶盖包括圆柱型结构及位于所述圆柱型结构底面***位置并向下延伸的圆柱形凸台。
10.根据权利要求9所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述圆柱型结构的上平面上设有若干个第三螺孔，用于待监测对象的安装固定，以所述圆柱型结构的中心为圆心设有若干圈均布的浅沟，用于提高待监测对象安装精度。
11.根据权利要求9所述的应变式六维力传感器，其特征在于：在所述圆柱型结构的底面上圆柱形凸台的四周围设有均布的圆柱型结构凹槽。
12.根据权利要求9所述的应变式六维力传感器，其特征在于：所述圆柱形凸台的底面上设有均布的圆柱形凸台凹槽，所述圆柱形凸台的外壁上设有四个均布的弹性体安装平面，所述弹性体安装平面与所述敏感元件内侧端的端面连接，所述弹性体安装平面上设有均布的、与所述敏感元件内侧端上四个第二螺孔对应的四个第三通孔。
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