CN207180911U - 一种基于电容边缘效应的力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于电容边缘效应的力矩传感器，它由传感器外圈、梯形梁、传感器内圈、感应电容的动电极、感应电容的静电极和基板组成。其中，感应电容的静电极与基板连接并垂直感应电容的动电极，位于感应电容的动电极最外端，且感应电容的静电极沿传感器轴向放置即垂直基板，构成基于电容边缘效应的电容器。基板与传感器外圈连接，可调节其相对位置改变感应电容的动电极和感应电容的静电极间的初始间距，实现传感器量程和灵敏度的可调节。本实用新型提供了一种基于电容边缘效应的力矩传感器，感应电容的静电极垂直分布在感应电容的动电极最大变形处，该设计具有高灵敏度、高线性度和可调节量程、灵敏度等特点，能够快速准确实现力矩检测。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器技术领域，涉及一种力矩传感器，特别涉及一种装设于机器人关节上的基于电容边缘效应的力矩传感器。
背景技术
目前在力矩测量中，检测力矩的传感器应用十分广泛，按力矩信号产生的方式可分为光学式、光电式、磁电式与应变式等，其中市场上较为成熟的力矩传感器主要是电磁式和应变式。磁电式力矩传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，对信号进行组合处理后得到力矩信息，它是无磨损的非接触式传感器，然而体积较大，不适合在串联型机器人领域测量机器人关节传递的力矩，且不易安装；应变式力矩传感器通常结构复杂，力矩解耦困难，需要额外信号放大电路、A/D转换器等，目前此类传感器价格较为昂贵。
目前电容式扭矩传感器，例如中国专利CN201344846Y提出的一种基于电容的动态扭矩传感器，其轴与外壳相对位置发生变化，则轴两端的电容信号会产生相位差，通过检测这个电容差值，从而建立起电容差与扭矩之间的关系，实现扭矩的测量，此电容式扭矩传感器结构尺寸较大，只能在特定场合使用，不易于在串联型机器人领域检测力矩。部分学者基于电容边缘效应研制出垂直电极型电容传感器，其灵敏度相比于传统的平行电极式电容传感器受电极间距影响较小。然而仍然存在线性度较差、灵敏度较低和灵敏度、量程不可调节等问题。
因此本实用新型将针对上述存在的问题，提出一种新型的基于电容边缘效应的力矩传感器，用于检测力矩信号，并易应用于串联机器人等各个领域，并且所述力矩传感器具有高灵敏度、高线性度和可调节量程、灵敏度等特点。
发明内容
本实用新型的目的在于，克服传感器灵敏度和线性度低等问题，设计一种基于电容边缘效应的力矩传感器，以提高力矩检测的灵敏度和线性度，以及实现灵敏度和量程的可调节能力。
为实现上述目标，本实用新型的主要技术方案如下：
一种基于电容边缘效应的力矩传感器，其特征在于它至少包括电容器部分和机械本体部分。
电容器部分至少包括感应电容的静电极7和感应电容的动电极6。感应电容的静电极7 至少包括一块金属片10和基板4-2。感应电容的静电极7与基板4-1连接并位于感应电容的动电极6的最外端，即感应电容的动电极6的最大变形处，从而可获得较大电容变化量，且感应电容的静电极7沿传感器轴向放置并垂直感应电容的动电极6，以此形成具有变形量大即高灵敏度以及感应电容的动电极6和感应电容的静电极7之间间距均匀变化的电容器3。感应电容的动电极6为机械本体一部分，成薄悬臂梁形式，且位于传感器内圈1和传感器外圈2之间，并与传感器内圈1固连为一体，随着传感器内圈1转动，在感应电容的动电极6末端处产生最大变形。基板4-1通过固定孔9和调节孔13与传感器外圈2连接，可以通过基板4-1的调节孔13来调节基板4-1和传感器外圈2之间的相对位置，以此改变感应电容的动电极6和感应电容的静电极7之间的初始间距，即实现对传感器量程和灵敏度的调节。
电容器3的感应电容的静电极7放置在感应电容的动电极6同侧，且至少具有两个电容器3，并成中心对称分布，形成一种基于电容边缘效应的差动式测量结构，以此提高传感器的线性度。
机械本体部分至少包括传感器内圈1、传感器外圈2和梯形梁5。梯形梁5至少具有四个且为轮辐式分布，与传感器内圈1和传感器外圈2连接，传感器外圈2通过传感器外圈连接孔12与输出端连接，传感器内圈1通过传感器内圈连接孔11与输入端连接；梯形梁5将力矩由传感器内圈1传递到传感器外圈2，并产生一定的变形，从而改变感应电容的动电极6和感应电容的静电极7之间的间距，通过感应元件检测电容器电容信号，进而通过相应转换得出力矩值。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型所述的力矩传感器采用电容作为测量值，相比传统的在弹性梁上贴应变片的方式而言，本实用新型所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器具有对弹性梁要求低、弹性梁表面加工要求低和测量电路简单等优点。
2、本实用新型所述力矩传感器的感应电容的静电极与感应电容的动电极采用相互垂直放置方式，相比平行电极板式的电容传感器的灵敏度受位移变化影响较大和电容输出量具有严重非线性而言，本实用新型所述的力矩传感器的灵敏度受电极间距影响更小，且具有较高线性度等优点。
3、本实用新型所述的力矩传感器的感应电容的静电极设置在感应电容的动电极悬臂梁最远端，相比平行分布方式或感应电容的静电极沿径向分布方式而言，本实用新型所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器能够检测到感应电容的动电极最大变形量，即可获得最大电容变化量，且感应电容的静电极与感应电容的动电极各处的间距均匀变化，使传感器灵敏度大幅提高。
4、本实用新型所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，可以通过调节基板和传感器外圈的相对位置来改变感应电容的动电极和感应电容的静电极之间的初始间距，从而实现了初始间距的可调节能力，即能够改变传感器的量程和灵敏度。
附图说明
图1为一种基于电容边缘效应的力矩传感器结构示意图。
图2为一种基于电容边缘效应的力矩传感器另一结构示意图。
图3为电容器结构示意图。
图4为电容器工作原理图。
附图中：1-传感器内圈；2-传感器外圈；3-电容器；4-基板；5-梯形梁；6-感应电容的动电极；7-感应电容的静电极；8-基板凹槽；9-固定孔；10-金属片；11-传感器内圈连接孔； 12-传感器外圈连接孔；13-调节孔。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型。
实施例：如附图1、附图2、附图3和附图4所示，本实用新型所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，包括电容器部分和机械本体部分。电容器部分至少包括感应电容的静电极7和感应电容的动电极6；感应电容的静电极7至少包括一块金属片10和基板4-2；机械本体部分至少包括传感器内圈1、传感器外圈2和梯形梁5。
在附图1和附图2示出的实施例中，基板4-1通过调节孔13和固定孔9与传感器外圈2 连接，可以通过基板4-1的调节孔13来调节基板4-1和传感器外圈2之间的相对位置，以此改变感应电容的动电极6和感应电容的静电极7之间的初始间距，从而实现初始间距可调节的能力，即能够改变传感器的量程和灵敏度。传感器外圈2与负载相连，传感器内圈1受输入扭矩时，梯形梁5发生变形使感应电容的动电极6产生相应的转动，从而使感应电容的动电极6和感应电容的静电极7的垂直间距发生变化，引起电容值产生变化，通过感应元件检测电容器电容信号，通过相应转换得出力矩值。
在附图3和附图4示出的实施例中，基于电容边缘效应原理，使感应电容的静电极7垂直感应电容的动电极6，并保持一定的初始间距。感应电容的静电极7与基板4-1连接并位于感应电容的动电极6的最外端，利用感应电容的动电极6的最大变形来得到较大电容变化量，具有高灵敏度的优点，同时相比感应电容的静电极7沿径向放置，本实用新型所述感应电容的静电极7沿轴向放置具有能够使感应电容的动电极6与感应电容的静电极7的垂直间距均匀变化和间距变化量最大的优点。
在附图3示出的实施例中，所述感应电容的静电极7至少包括一块金属片10和基板4-2，且金属片10位于基板4-2中间或两侧任意一边；附图3中，两块金属片10分别位于基板4-2 的两侧且并联连接，当感应电容的动电极6与感应电容的静电极7的垂直间距发生变化时能够提高电容变化量，即可以提高传感器的灵敏度。
在附图1和附图2示出的实施例中，本实用新型所述梯形梁5为梯形结构，发生变形时其与轴向平行的侧面上的应力变化比较均匀，能够提高梯形梁5的强度和可靠性。
在附图2示出的实施例中，本实用新型所述调节孔13为环形孔，同样可以采用其它形状孔实现此调节功能，如采用长方形孔、椭圆孔和U型孔等。
在附图2示出的实施例中，本实用新型采用调节孔13调节感应电容的动电极6与感应电容的静电极7之间的垂直间距(上下位置)，实现对量程和灵敏度的调节；同样可以采用如较大圆形孔等同时对垂直间距(上下位置)和水平位置(左右位置)进行调节；或采用沿感应电容的动电极6方向设置的环形孔等进行水平位置(左右位置)调节，都可以实现对传感器量程和灵敏度的调节。
本实用新型所述的采用垂直电极电容器基于电容边缘效应原理，具体为：根据电磁学原理，当一个很薄的极板和另一个极板垂直放置且保持一定间隙时，若在两极板间加载电压，则两极之间将形成一个电场，称为边缘场，这种现象称为边缘效应，产生的电容称为边缘电容。
根据镜像原理及复变函数理论，可建立极板间隙和极板间电容之间的数学关系：
其中，h为两极间距离；H为垂直电极的高度；W为垂直电极的宽度；ε为封装电极片基介电常数。
由上式可知，当极板初始间距h0改变Δh时，初始电容C0改变ΔC，即有：
电容变化量ΔC为：
当极板初始间隙很小时，对其按泰勒公式展开：
其中，ΔC为变化的电容量，Δh为极板间变化的位移，h0为极板初始间距。
Δh<<h0时，可用进行线性拟合，ΔC与Δh近似成线性关系；由有限元分析和材料力学可知：材料在弹性变形范围内时，变形量和所受力大小成线性关系；受扭矩时，转角和扭矩成线性关系。
即有：
Δθ＝A·ΔT
其中Δθ为转角变化量，ΔT为扭矩变化量，A为系数。
可得：
Δh＝Δθ·L＝A·ΔTL
其中L为感应电容的静电极7与传感器中心的距离。
由此可得：
传感器灵敏度：
由上式可得：传感器灵敏度K与L成正比，与h0成反比。当感应电容的静电极7放置在感应电容的动电极6最外端即L最大时，可获得最大灵敏度；当调节感应电容的静电极7与感应电容的动电极6的初始间距时可以实现对传感器灵敏度的调节；当初始间距h0变化时，传感器的感应电容的静电极7与感应电容的动电极6能达到的极限距离和初始间距h0的差值也会变化，即传感器能够达到的最大变形量Δh也变化，由Δh＝A·ΔTL得最大扭矩也会产生相应的变化，即实现对量程的调节。
本实用新型所述基于电容边缘效应的力矩传感器的工作原理如下：传感器外圈2与负载固接，传感器内圈1受输入扭矩时，通过梯形梁5传递到传感器外圈2，实现力矩的输出，同时梯形梁5发生弹性变形，从而使感应电容的动电极6与感应电容的静电极7的垂直间距发生变化，通过感应元件检测电容器电容信号，进而得出力矩值。
以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。
Claims (8)
1.一种基于电容边缘效应的力矩传感器，它至少包括传感器内圈(1)、传感器外圈(2)、电容器(3)、基板4-1和梯形梁(5)；其特征在于：所述电容器(3)至少包括相互垂直的感应电容的动电极(6)和感应电容的静电极(7)；所述感应电容的静电极(7)至少包括一块金属片(10)和基板4-2；所述感应电容的静电极(7)与基板4-1连接，并位于感应电容的动电极(6)的一侧，且感应电容的静电极(7)沿传感器轴向放置即垂直基板4-1，由此构成基于电容边缘效应的电容器(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，其特征在于：所述感应电容的静电极(7)位于基板凹槽(8)处且与基板4-1垂直；所述基板4-1通过基板4-1的调节孔(13)和传感器外圈(2)的固定孔(9)与传感器外圈(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，其特征在于：所述感应电容的动电极(6)和感应电容的静电极(7)之间留有一定的初始间距，通过调节孔(13)调节基板4-1和传感器外圈(2)的相对位置，即可改变感应电容的动电极(6)和感应电容的静电极(7)之间的初始间距，实现对传感器灵敏度和量程的调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，其特征在于：所述感应电容的静电极(7)位于感应电容的动电极(6)的最外端即最大变形端。
5.根据权利要求1所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，其特征在于：所述感应电容的静电极(7)至少包括一块金属片(10)和基板4-2，且金属片(10)位于基板4-2中间或两侧任意一边。
6.根据权利要求2所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，其特征在于：所述调节孔(13)为环形孔，并与传感器外圈(2)的固定孔(9)连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，其特征在于：所述感应电容的静电极(7)还可以沿感应电容的动电极(6)的表面向传感器中心移动。
8.根据权利要求1所述的一种基于电容边缘效应的力矩传感器，其特征在于：所述感应电容的动电极(6)位于传感器内圈(1)和传感器外圈(2)之间且与传感器内圈(1)固连为一体。
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