CN204788747U - 一种应变式小量程三维力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种应变式小量程三维力传感器。X、Y、Z方向上的量程分别为-1.5N~1.5N，-1.5N~1.5N，-3N~3N。该传感器呈“L”型，带有三组通孔，共包含三个全桥电路，每个全桥电路由四个带有温度自补偿的应变片组成，各电桥采用相同电压供电，全桥电路的四个电阻均匀地贴在通孔薄壁处。三个电桥对应三个空间力的测量，测量维间耦合小，对一定量程的扭矩不敏感，受其干扰小，精度更高。本实用新型结构、测量原理简单，且便于制造，能够降低成本。

Description

一种应变式小量程三维力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，尤其涉及一种应变式小量程三维力传感器。

背景技术

多维力测量技术已广泛的应用到国民生产的各个领域，电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一。电阻应变式传感器由弹性敏感元件及电阻应变片组成。多维力弹性敏感元件目前主要有三大类：(1)基于十字梁结构的多维力传感器(2)基于筒形结构的多维力传感器(3)各种基于并联机构的多维力传感器，但这些传感器测量原理比较复杂、制造比较困难，量程比较大。

实用新型内容

为了解决现有技术中问题，本实用新型提供了一种应变式小量程三维力传感器，其包括三段梁结构，每段梁上设有一个通孔组，分别为第一通孔组、第二通孔组、第三通孔组，第一段梁和第二段梁垂直设置，其间由连接块连接，第二段梁和第三段梁的主体在同一条直线上，亦由连接块连接，第二段梁和第三段梁的通孔的开孔方向垂直，该传感器还包括三个全桥电路，每个电桥有四个带有温度自补偿的应变片，每个全桥电路设有一路信号输出，各电桥采用相同电压供电，每个全桥电路的四个应变片的阻值相同，全桥电路的四个电阻均匀设置在通孔四周。

作为本实用新型的进一步改进，每组通孔由三个圆状孔组成，三个圆状孔组成一个整体的通孔。

作为本实用新型的进一步改进，还包括两个用于固定位置的通孔，所述用于固定位置的通孔设置在所述第一段梁上，安装螺钉，与支座固定。

作为本实用新型的进一步改进，第一段梁和第二段梁之间设有第一方块、第二段梁和第三段梁之间设有第二方块。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型结构、测量原理简单，便于制造，成本低。

三个电桥各自对应三个空间力的测量，三维力的维间耦合小，且对一定量程的扭矩不敏感，受其干扰小，精度更高。

附图说明

图1是本实用新型传感器结构示意图；

图2是本实用新型贴片位置说明图；

图3A、图3B、图3C是本实用新型测量电桥说明图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1，该传感器结构开有三部分通孔，第一组通孔2、第二组通孔4、第三组通孔6，每组通孔由三个圆状孔组成，便于加工。有两个便于螺钉固定位置的通孔1。连接结构第一方块3、第二方块5，利于提高整体刚度。如图2和图3A、图3B、图3C，该传感器包括三个全桥电路，每个电桥设有四个带有温度自补偿的高精度应变片。各电桥采用相同电压供电，共有三路信号输出，。图中7为传感器受力端。

测量原理说明：

电阻应变式传感器由弹性敏感元件及电阻应变片组成，弹性敏感元件受力后产生变形，变形程度由结构本身及力的大小、方向、作用点决定。全桥电路由应变片组成，应变片的阻值随结构形变而变化，全桥电路将结构的形变转化为电信号，可通过电信号的测量来求解力的大小。(全桥电路输出电压为mV级，需要放大、滤波等处理)

电桥输出电压： $U_0=(\frac{R1}{R1+R2}-\frac{R3}{R3+R4})*U=\frac{R1R4-R2R3}{(R1+R2)(R3+R4)}U---(1-1)$

$U_0=\frac{(R1+\mathrm{\Δ}R1)(R4+\mathrm{\Δ}R4)-(R2+\mathrm{\Δ}R2)(R3+\mathrm{\Δ}R3)}{(R1+\mathrm{\Δ}R1+R2+\mathrm{\Δ}R2)(R3+\mathrm{\Δ}R3+R4+\mathrm{\Δ}R4)}U---(1-2)$

取R₁＝R₂＝R₃＝R₄，且ΔR非常微小，可忽略

则 $U_0\≈\frac{1}{4}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4})U---(1-3)$

$k=\frac{dR/R}{\mathrm{\ϵ}}---(1-4)$

即 $U_0=\frac{k}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)U=k\mathrm{\ϵ}U---(1-5)$

其中U-电桥电压；

U₀-电桥输出电压；

R1、R2、R3、R4-为应变片阻值，取相同值；

k-应变片灵敏度，常量；

由公式1-5知电桥输出，与ε有关，而ε与弹性体的结构及力的大小有关，结构一定且具有线性时，ε与某单维力成正比，当只施加某一方向力(量程最大值)时，一个电桥输出值比较明显，而另外两个电桥输出相对微小，则传感器在该方向具有自解耦性。

测量空间小量程的三维力，三个方向的量程分别为1.5N，1.5N，3N；

测量结构维间耦合小，具有自解耦性；

结构简单，成本低，性能可靠；

测量精度受一定量程的三维扭矩影响小；Z方向高84mm，Y方向长45mm，X方向宽12mm。

设计贴片位置及桥路，实验证明其结构对三个方向的小量程力均有较大的灵敏度。

理论上分析其维间耦合度最大值约为1.14％，且空间三个轴向0.03N.m的扭矩对其测量结果的影响十分微小。

本实用新型用于测量小量程的三维力，目前已通过初步实验验证，其可以测量空间微小的三维力，如昆虫爬向时的力，扑翼小鸟的升力与推力等。分辨度可达1mN。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种应变式小量程三维力传感器，其特征在于：其包括三段梁结构，每段梁上设有一个通孔组，分别为第一通孔组（2）、第二通孔组（4）、第三通孔组（6），第一段梁和第二段梁垂直设置，其间由连接块连接，第二段梁和第三段梁的主体在同一条直线上，亦由连接块连接，第二段梁和第三段梁的通孔的开孔方向垂直，该传感器还包括三个全桥电路，每个电桥有四个带有温度自补偿的应变片，每个全桥电路设有一路信号输出，各电桥采用相同电压供电，每个全桥电路的四个应变片的阻值相同，全桥电路的四个电阻均匀设置在通孔四周。

2.根据权利要求1所述的一种应变式小量程三维力传感器，其特征在于：每组通孔由三个圆状孔组成，三个圆状孔组成一个整体的通孔。

3.根据权利要求1所述的一种应变式小量程三维力传感器，其特征在于：还包括两个用于固定位置的通孔（1），所述用于固定位置的通孔（1）设置在所述第一段梁上，安装螺钉，与支座固定。

4.根据权利要求1所述的一种应变式小量程三维力传感器，其特征在于：第一段梁和第二段梁之间设有第一方块（3）、第二段梁和第三段梁之间设有第二方块（5）。