[發明專利]輪輻與中心銷柱組合式三維力傳感器

有效

• 申請號: 201310184956.7
• 申請日: 2013-05-19
• 公開（公告）號: CN103292939A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 蘇建;車明訓;宮海彬;趙強;王秀剛;張益瑞;宋建;楊小敏;林慧英;張蘭;杜志豪;盧海隔
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術領域

本發明屬于傳感器技術應用領域，具體涉及一種新型的三維力傳感器，主要應用于三維力檢測。

背景技術

三維力傳感器廣泛應用于機械制造、機械人、試驗檢測等領域。目前國內外常見的傳感器主要有應變式和壓電晶體兩種,而彈性體結構可分為懸臂梁型、雙梁型、四梁型、島型、輪輻型等。同時，目前已經開發了基于斯帝瓦特（Stewart）結構的多傳感器并聯解耦三維力傳感器。然而，這些傳感器存在結構復雜、線性度不好、剛度低、不便于標定、靈敏度偏低、制造成本較高等缺陷，而且，已開發的三維力傳感器往往是利用拉伸、壓縮和彎曲應力，即正應力的原理實現載荷測量，存在如下缺點：加力點的變化會引起靈敏度的較大變化；進行拉、壓循環加載時靈敏度的偏差比較大；抗偏心載荷和側向載荷的能力差；需要較大的高度或寬度，故體積大；不能進行小載荷的測量等。這些問題影響了測力與稱重傳感器主要技術指標的提高。同時，這些傳感器安裝固定不方便，為多個三維力傳感器并聯使用帶來困難，不能滿足軌道車輛轉向架參數測試的需要。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服了現有技術存在的問題，提供了一種測量精度高、結構緊湊的輪輻與中心銷柱組合式三維力傳感器。

為解決上述技術問題，本發明是采用如下技術方案實現的，結合附圖說明如下：

一種輪輻與中心銷柱組合式三維力傳感器，其特征在于：

該傳感器由彈性體1和應變片組2組成，所述彈性體1為一整體式對稱結構，由輪輻基座3、筋板5與中心銷柱4組成，所述中心銷柱4通過筋板5連接在輪輻基座3的中心處，中心銷柱4面上包含四個矩形側面，其中兩兩對稱平行并與XY平面即輪輻基座3底平面垂直，所述筋板5為四塊，其上包含八個與XY平面垂直的側面，所述應變片組2包括12個應變片對，

分別粘貼在彈性體1中的中心銷柱4上的四個矩形側面和四塊筋板5的八個與XY平面垂直的側面上，所述應變片組2隨彈性體1形狀變化產生應變導致電阻變化，并通過應變片組成的惠斯登電橋輸出分別與三方向分力F_X、F_Y、F_Z成線性正比變化的三個電壓信號。

所述中心銷柱4面上的四個矩形側面包括：方柱第一側面10、方柱第二側面11、方柱第三側面12及方柱第四側面13，其中，方柱第一側面10與方柱第三側面12與X軸平行，方柱第二側面11與方柱第四側面13與Y軸平行，四塊筋板5上包含八個與XY平面垂直的側面。

所述應變片組2的第一應變片對22、第二應變片對23、第三應變片對24和第四應變片對25分別對應粘貼在中心銷柱4的方柱第一側面10、方柱第二側面11、方柱第三側面12和方柱第四側面13上的四個側面上，第五應變片對26、第六應變片對27、第七應變片對28、第八應變片對29、第九應變片對30、第十應變片對31、第十一應變片對32和第十二應變片對(33)分別對應粘貼在彈性體1中四個筋板5的八個側面上。

所述應變片組2中每一個應變片對均包括兩個完全相同的單軸應變片，粘貼在彈性體1的同一側面上兩個應變片縱向中心對稱線與分力F平行的軸線方向夾角分別為45°及135°。

所述第一應變片對22及第三應變片對24中1a單軸應變片34、2a單軸應變片(36)的縱向中心對稱軸線與X軸呈45°夾角，1b單軸應變片35、2b單軸應變片(37)的縱向中心對稱軸線與X軸呈135°夾角；第二應變片對23及第四應變片對25中3a單軸應變片38、4a單軸應變片(40)的縱向中心對稱軸線與Y軸呈45°夾角，3b單軸應變片39、4b單軸應變片(41)的縱向中心對稱軸線與Y軸呈135°夾角；

粘貼在四個筋板5的八個側面上八個應變片對中的兩個單軸應變片的縱向對稱中心線與Z方向即垂直于XY平面方向夾角分別為45°及135°。

所述第一應變片對22及第三應變片對24中四個應變片組成一個惠斯頓電橋，形成用于測量X軸方向分力的全橋測量電路；第二應變片對23及第四應變片對25組成一個惠斯頓電橋，用于測量Y軸方向分力的全橋測量電路。