[實用新型]一種應變式三維力傳感器

有效

• 申請號: 201220737114.0
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN203203740U
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 于常安;湛華海;邱榮凱;王羅
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心設備設計及測試技術研究所
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16
• 代理公司: 成都蓉信三星專利事務所 51106
• 代理人: 謝天府

技術領域

本實用新型涉及力學測量裝置，具體地講是一種應變式三維力學傳感器。

背景技術

隨著航空航天的發展，各種航空航天器材的發明應用，提高航空航天器材性能的主要途徑分為兩種，一是提高推動力，即盡可能減小發動機重量的前提下實現高效率的推力；二是減少阻力，即用合理的氣動外形來減少阻力。其力的有效測量工具之一就是高精度力學傳感器。

傳統的一維力學傳感器，只能測出一個方向力的大小，面對不斷變化力的方向，在航空航天試驗使用中有很大的局限性，需要采用三維力傳感器，但現有三維力傳感器不能將力進行徹底分解，難以達到航空航天試驗的要求。

發明內容

本實用新型的目的是為了解決上述技術問題，提供一種可以將力徹底分解為指定空間坐標系三個方向的高精度應變式三維力傳感器，從而精確測得空間力的大小和作用方向。

實現本實用新型的技術方案是：一種應變式三維力傳感器，包括彈性元件、應變計和測量電路，所述彈性元件上部有在筒壁上設置的支撐柱和加載柱，兩兩位置交叉，加載柱與支撐柱由環形應變梁的上下側連接；所述彈性元件下部為前、后柱梁與左、右柱梁分別對稱設置。

所述支撐柱有四個，加載柱有四個，上下分布，交叉45度，將環形應變梁分成八等份。

所述環形應變梁的截面為矩形。

所述前、后柱梁與左、右柱梁幾何尺寸相同，四個柱梁長度相同。

所述應變計粘貼在加載柱兩側的應變梁上邊以及對應的應變梁下邊。

所述應變計粘貼在前、后柱梁與左右柱梁的內側面上下位置和外側面上下位置。

彈性元件的上述結構使得測量左右的力左右柱梁與測量前后的力的前、后柱梁并聯，再與測量上下的力的環形應變梁串聯，即用串并聯聯合結構的型式實現力的分解與測量。

彈性元件的材料為馬氏體時效鋼（00Ni18Co8Mo5TiAl），該材料具有良好的彈性、較高的強度、較高的沖擊韌性和疲勞強度、有較小的線膨脹系數、有良好的彈性模量隨溫度變化的穩定性以及有良好的機械加工性能與熱處理工藝性能，保證傳感器的測量精度和穩定性。

應變計是感應元件，粘貼在彈性體上，隨著彈性體變形，應變計長度發生變化，應變計中電阻絲也發生變化，即將測力試驗時又外界力產生的彈性體變形轉換為電阻大小變化，從而使作用在電阻上的電壓信號發生改變實現力的測量。

測量電路采用的是惠更斯電橋方式，為應變計提供穩定的電壓，同時將彈性體變形產生的信號提取出來，實現力的測量。

本實用新型的有益效果是：

1、柱梁式結構并聯設計，實現兩徑向力測量的同時，提高了傳感器的剛度。交叉梁式構造與柱梁式結構串并聯組合，具有載荷范圍大、測量精度高、結構簡單、機加工易于實現等優點。

2、實現力在指定空間坐標系三個方向的徹底分解，相互干擾小。

3、彈性體在靈敏度滿足要求的前提下剛度足夠大，因而響應頻率高。

4、線性、重復性好，蠕變、滯后小，測量精度高。

5、結構簡單，易于加工和工藝處理。

附圖說明

圖1??本實用新型三維力傳感器彈性體立體示意圖；

圖2??本實用新型三維力傳感器彈性主視示意圖；

圖3??本實用新型三維力傳感器彈性A-A視圖；

圖4??本實用新型三維力傳感器彈性B-B視圖；

圖5??本實用新型三維力傳感器彈性C-C視圖；

圖6??本實用新型三維力傳感器應變計粘貼位置主視示意圖；

圖7??本實用新型三維力傳感器應變計粘貼位置俯視示意圖；

圖中標號：1—底座，2—前柱梁，3—后柱梁，4—左柱梁，5—右柱梁，?6—支撐柱，?7?—應變梁，8—加載柱，?9—應變計。

具體實施方式

如圖1至圖5所示，一種應變式三維力傳感器，包括彈性元件、應變計和測量電路，所述彈性元件上部有在筒壁上設置的支撐柱6和加載柱8，兩兩位置交叉，加載柱8與支撐柱6由環形應變梁7的上下側連接；所述彈性元件下部為前后柱梁2、3與左右柱梁4、5分別對稱設置。所述支撐柱6有四個，加載柱8有四個，上下分布，交叉45度，將環形應變梁分成八等份。所述環形應變梁7的截面為矩形。所述前后柱梁2、3與左右柱梁4、5幾何尺寸相同，四個柱梁長度相同，立于底座1上。彈性元件的上述結構使得測量左右的力左右柱梁4、5與測量前后的力的前后柱梁2、3并聯，再與測量上下的力的環形應變梁7串聯，即用串并聯聯合結構的型式實現力的分解與測量。