[發明專利]一種八梁結構的六維力傳感器

有效

• 申請號: 201910061579.5
• 申請日: 2019-01-23
• 公開（公告）號: CN109781328B
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: 劉俊;李敏;張登卓;秦嵐;劉京誠;徐域富
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16
• 代理公司: 重慶縉云專利代理事務所(特殊普通合伙) 50237
• 代理人: 王翔

1.一種八梁結構的六維力傳感器，其特征在于：包括受力圓盤(1)、外殼(2)、基座(3)、彈性梁(4)、插頭連接件(5)和插頭(6)；

所述受力圓盤(1)平面中心設有均布在同一圓周上的通孔(101)；所述受力圓盤(1)平面上還設有均布在同一圓周上的螺孔(102)；所述螺孔(102)圍繞所述通孔(101)；所述受力圓盤(1)通過所述螺孔(102)連接施力裝置；

所述外殼(2)為中空的圓柱體；所述外殼(2)側面上設有插頭安裝孔I(201)；

所述插頭連接件(5)為弧形板狀；所述插頭連接件(5)中部為插頭安裝孔II(501)；所述插頭安裝孔II(501)與所述插頭安裝孔I(201)相對應；所述插頭連接件(5)安裝在所述外殼(2)的外側面上；

所述插頭(6)插入所述插頭安裝孔II(501)和所述插頭安裝孔I(201)內，固定在所述插頭連接件(5)上；

所述基座(3)包括圓盤底座(301)和設于所述圓盤底座(301)平面上的底座凸臺(302)；

所述底座凸臺(302)為圓環形；所述底座凸臺(302)的內部安裝有電路板；所述底座凸臺(302)的環形平面上設有均布在同一圓周上的彈性梁安裝孔(3022)；

所述基座(3)的底座凸臺(302)安裝在所述外殼(2)的內部；

所述彈性梁(4)包括圓盤梁體(41)和八個支梁(42)；

所述圓盤梁體(41)平面上設有均布在同一圓周上的受力圓盤連接孔(411)；所述受力圓盤連接孔(411)與所述通孔(101)相對應；所述圓盤梁體(41)通過所述受力圓盤連接孔(411)與所述受力圓盤(1)連接；

八個所述支梁(42)呈輻射狀布置在所述圓盤梁體(41)上，且每個支梁(42)中心線之間的夾角為45°；將八個所述支梁(42)分別記為第一支梁、第二支梁、第三支梁、第四支梁、第五支梁、第六支梁、第七支梁和第八支梁；

以所述圓盤梁體(41)的平面中心建立右手笛卡爾坐標系，其中，記z軸的方向為垂直于所述圓盤梁體(41)的平面向上，記x軸的方向為平行于所述圓盤梁體(41)的平面向右，記y軸的方向為平行于所述圓盤梁體(41)的平面向前，記所述第一支梁的中心線位于y軸上，其余七個所述支梁(42)按順時針依次為第二支梁、第三支梁、第四支梁、第五支梁、第六支梁、第七支梁和第八支梁；

八個所述支梁(42)上均設有應力集中孔(421)；所述第一支梁、第三支梁、第五支梁和第七支梁的應力集中孔(421)開口方向平行于z軸；所述第二支梁、第四支梁、第六支梁和第八支梁的應力集中孔(421)開口方向垂直于z軸；

八個所述支梁(42)上均安裝有應變片(422)；每一個支梁(42)上位于應力集中孔(421)中心的兩側均安裝一個應變片(422)；

八個所述支梁(42)上均設有定位孔(423)；所述定位孔(423)與所述彈性梁安裝孔(3022)相對應；所述彈性梁(4)通過所述定位孔(423)安裝在所述基座(3)上；

在測量時，所述基座(3)固定在測量物體上，所述施力裝置對所述受力圓盤(1)施力；所述受力圓盤(1)受力之后使所述彈性梁(4)發生形變；所述應變片(422)上的電阻發生改變；所述電路板將電阻信號轉換成電壓信號并放大后，在所述插頭(6)處將信號引出，向外輸出測量信號；

當F_x作用在傳感器上時，所述第一支梁和第五支梁上產生大小、方向均相同的應變，記為

F_x＝f₁+f₅； (式一)

當F_y作用在傳感器上時，所述第三支梁和第七支梁上產生大小、方向均相同的應變，記為

F_y＝f₃+f₇； (式二)

當F_z作用在傳感器上時，所述第二支梁、第四支梁、第六支梁和第八支梁上產生大小、方向均相同的應變，記為

F_z＝f₂+f₄+f₆+f₈； (式三)

將每個所述支梁(42)上應力集中孔(421)中心到所述圓盤梁體(41)中心的距離為記為L；

當M_x作用在傳感器上時，所述第四支梁、第六支梁與所述第二支梁、第八支梁上產生方向反向的應變，記為

M_x＝[f₂+f₈-(f₄+f₆)]L cos45°； (式四)

當M_y作用在傳感器上時，所述第二支梁、第四支梁與所述第六支梁上、第八支梁產生方向反向的應變，記為

M_y＝[f₈+f₆-(f₄+f₂)]L cos45°； (式五)

當M_z作用在傳感器上時，所述第一支梁、第三支梁、第五支梁和第七支梁產生方向相同的應變，記為

M_z＝[f₁+f₇-(f₃+f₅)]L； (式六)

所述式一中：F_x為傳感器受到的六維力在x方向上的力；f₁為第一支梁所受應變；f₅為第五支梁所受應變；

所述式二中：F_y為傳感器受到的六維力在y方向上的力；f₃為第三支梁所受應變；f₇為第七支梁所受應變；

所述式三中：F_z為傳感器受到的六維力在z方向上的力；f₂為第二支梁所受應變；f₄為第四支梁所受應變；f₆為第六支梁所受應變；f₈為第八支梁所受應變；

所述式四中：M_x為傳感器受到的六維力在x方向上的力矩；

所述式五中：M_y為傳感器受到的六維力在y方向上的力矩；

所述式六中：M_z為傳感器受到的六維力在z方向上的力矩。