[實(shí)用新型]一種用于壓電材料力頻特性檢測(cè)的力矩傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202120744240.8
• 申請(qǐng)日: 2021-04-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN214373034U
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳慶盈;付浩;楊桂林;趙岷江;周強(qiáng);鮑世勇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所;臺(tái)晶（寧波）電子有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01L3/10
• 分類(lèi)號(hào): G01L3/10
• 代理公司: 上海泰能知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31233
• 代理人: 王亮;孫健

本實(shí)用新型涉及一種用于壓電材料力頻特性檢測(cè)的力矩傳感器，包括應(yīng)變橫梁、內(nèi)輪輻和外輪輻，內(nèi)輪輻與外輪輻分別作為力矩傳感器的輸入單元或輸出單元，內(nèi)輪輻與外輪輻之間安裝有多個(gè)應(yīng)變橫梁，應(yīng)變橫梁內(nèi)開(kāi)設(shè)有通孔，應(yīng)變橫梁上設(shè)有與通孔對(duì)應(yīng)的梁槽，該梁槽的開(kāi)口處安裝有壓電薄膜。本實(shí)用在應(yīng)變橫梁上進(jìn)行兩次應(yīng)力放大，第一次應(yīng)力放大通過(guò)在應(yīng)變橫梁上開(kāi)通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，第二次放大通過(guò)在通孔一側(cè)或者兩側(cè)位置構(gòu)建梁槽與壓電薄膜構(gòu)成梁膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二次應(yīng)力放大，這樣能大大增加傳感器的靈敏度；在檢測(cè)力矩時(shí)，位于兩次放大部位的壓電薄膜在受力的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率變化，通過(guò)對(duì)頻率的測(cè)試實(shí)現(xiàn)力矩的檢測(cè)，具有響應(yīng)時(shí)間快，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及壓電材料力頻特性檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于壓電材料力頻特性檢測(cè)的力矩傳感器。

背景技術(shù)

近些年來(lái)，機(jī)械臂在工業(yè)、物流、服務(wù)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域的使用頻率不斷增長(zhǎng)。與此同時(shí)，機(jī)械臂與人同時(shí)作業(yè)的場(chǎng)景(如手動(dòng)示教、康復(fù)機(jī)器人等)也顯著增加。要完成人與機(jī)械臂的直接接觸需要機(jī)械臂具備更加靈巧的運(yùn)動(dòng)和優(yōu)秀的力控性能，這通常通過(guò)柔順控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

柔順控制算法的關(guān)鍵問(wèn)題在于機(jī)械臂的接觸力信息的獲得。對(duì)于由多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所組成的串聯(lián)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，一般通過(guò)利用檢測(cè)在施加的力矩時(shí)而產(chǎn)生形變的力矩傳感器來(lái)得到力矩信息。

除了在機(jī)器人領(lǐng)域以外，還有許多領(lǐng)域需要力矩傳感器來(lái)對(duì)力矩進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，如自動(dòng)機(jī)床、鉆探機(jī)械、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備，總的來(lái)說(shuō)，只要需要電機(jī)的設(shè)備都會(huì)涉及到力矩的檢測(cè)，因此力矩傳感器在各領(lǐng)域起著重要的作用。

由現(xiàn)有技術(shù)可知的各種用于檢測(cè)力矩的裝置應(yīng)用最多的就是應(yīng)變片式傳感器。例如專(zhuān)利文獻(xiàn)CN105965504A描述了一種用于檢測(cè)力矩的裝置，該裝置使用四根橫梁的輪輻結(jié)構(gòu)結(jié)合金屬應(yīng)變儀作為敏感單元，并使用一種將應(yīng)變儀交錯(cuò)連接的方法對(duì)力矩進(jìn)行檢測(cè)，該設(shè)計(jì)總共使用8個(gè)應(yīng)變儀，其中四個(gè)應(yīng)變片為一組組成電橋電路，在實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變儀的電阻值進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)通過(guò)特殊的電橋電路實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，而另外四個(gè)應(yīng)變儀的安裝則是為了在保證整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的同時(shí)提供另外一組電橋電路作為測(cè)量對(duì)比參考，減少測(cè)量誤差，此種傳統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)使得傳感器的敏感單元數(shù)量太多，傳感器的整體剛度會(huì)有所降低，同時(shí)采用應(yīng)變片作為傳感單元具有精度不高，測(cè)量速度慢,動(dòng)態(tài)響應(yīng)低的缺點(diǎn)。

專(zhuān)利文獻(xiàn)CN106737773A則提出一種高剛度的傳感器，利用新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)提高整體結(jié)構(gòu)的剛度，防止軸向和徑向力對(duì)傳感器進(jìn)行干擾，但是敏感單元仍舊是使用8個(gè)金屬應(yīng)變片，且沒(méi)有對(duì)傳感單元進(jìn)行提高靈敏度設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于壓電材料力頻特性檢測(cè)的力矩傳感器在應(yīng)變橫梁上進(jìn)行兩次應(yīng)力放大，第一次應(yīng)力放大通過(guò)在應(yīng)變橫梁上開(kāi)通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，第二次放大通過(guò)在通孔一側(cè)或者兩側(cè)位置構(gòu)建梁槽與壓電薄膜構(gòu)成梁膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二次應(yīng)力放大，這樣能大大增加傳感器的靈敏度。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種用于壓電材料力頻特性檢測(cè)的力矩傳感器，包括應(yīng)變橫梁、內(nèi)輪輻和外輪輻，所述的內(nèi)輪輻與外輪輻分別作為力矩傳感器的輸入單元或輸出單元，所述的內(nèi)輪輻與外輪輻之間安裝有多個(gè)應(yīng)變橫梁，該應(yīng)變橫梁內(nèi)開(kāi)設(shè)有通孔，所述的應(yīng)變橫梁上設(shè)有與通孔對(duì)應(yīng)的梁槽，該梁槽的開(kāi)口處安裝有壓電薄膜。

作為對(duì)本實(shí)用新型所述的技術(shù)方案的一種補(bǔ)充，每個(gè)應(yīng)變橫梁位于通孔的上、下兩側(cè)均對(duì)稱(chēng)布置有兩個(gè)梁槽，每個(gè)梁槽內(nèi)均安裝有一壓電薄膜。

作為對(duì)本實(shí)用新型所述的技術(shù)方案的一種補(bǔ)充，所述的應(yīng)變橫梁共有兩個(gè)且沿圓周方向?qū)ΨQ(chēng)布置，其中一個(gè)應(yīng)變橫梁側(cè)面的兩個(gè)壓電薄膜為一組，另有一個(gè)應(yīng)變橫梁側(cè)面的兩個(gè)壓電薄膜為另外一組，力矩作用時(shí)，每組中的兩個(gè)壓電薄膜分別受拉、受壓形成差動(dòng)式，處于相同的溫度條件，數(shù)字電路在對(duì)這兩個(gè)壓電薄膜進(jìn)行頻率測(cè)量的同時(shí)，通過(guò)相減去除溫度引起的頻率變化，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，得到兩組測(cè)量數(shù)據(jù)形成對(duì)比，去除溫度的影響。