[發明專利]一種基于逆磁致伸縮效應的三維力傳感器

有效

• 申請號: 202211248161.3
• 申請日: 2022-10-12
• 公開（公告）號: CN115683436B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: 賀超軍;王海龍;崔華先;李學孔;楊德龍;王寧;董洋洋;張子建
• 申請（專利權）人: 華能廣西清潔能源有限公司;南京航空航天大學
• 主分類號: G01L5/169
• 分類號: G01L5/169
• 代理公司: 廣西曙光知識產權代理有限公司 45132
• 代理人: 李英蓮

本發明公開了一種基于逆磁致伸縮效應的三維力傳感器，其包括傳感器彈性安裝架，磁致伸縮力檢測材料貼片以及勵磁線圈、檢測線圈。本發明基于逆磁致伸縮效應檢測X，Y，Z三個方向的力Fx，Fy，Fz的大小。本發明提出使用逆磁致伸縮效應為原理的力敏元件，其原理是利用磁致伸縮材料受力會導致其磁特性發生改變，利用勵磁線圈、檢測線圈感應其磁特性的變化量，從而推導出力的大小。利用磁致伸縮效應結合彈性安裝架以提高傳感器的靈敏度。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種基于逆磁致伸縮效應的三維力傳感器。

背景技術

力傳感器是一種能感受拉力或壓力并按照一定的規律轉換成可用信號的器件和裝置，通常由敏感元件和彈性元件組成。力傳感器在機器人技術領域應用廣泛，一般安裝在機器人各個關節內部，能夠全面地感知機器人與外部環境相互作用時所承受的力矩大小，為機器人的柔順控制提供力感信息。

目前對力進行測量的幾種主要方法包括應變式、光電式、電容式以及磁彈式等，各個方法都有其特有的優勢，也存在著各自的缺點，適合應用的領域也往往不同。

應變片傳感器對力的測量是通過在彈性梁上粘貼應變片組成測量電橋，當彈性梁受力產生微小變形后引起電橋中電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變為電信號的變化從而實現力的測量。其具有精度靈敏度高，成本低廉等優點。

光電式傳感器將開孔數完全相同的兩片光柵固定在彈性梁上，并將光電元件和固定光源分別固定在光柵兩側，彈性梁無力作用時兩片光柵的明暗條紋錯開，完全遮擋光路。有力作用時兩個光柵的截面產生相對轉角，明暗條紋部分重合，部分光線透過光柵照到光敏元件上，輸出電信號。通過測量輸出的電信號能夠測得外加力的大小。其優點在于可以實時監測，響應迅速；缺點是結構復雜、靜態標定困難、可靠性較差、抗干擾能力差。

電容式力傳感器是通過給彈性體安裝兩個電極，當彈性體受力時，兩片電極之間的面積或者距離會發生變化，此時電容就會發生改變。通過檢測電容的變化來得到力的大小。

磁彈式力傳感器是在彈性梁上粘貼磁致伸縮材料，在彈性梁上施加力后，彈性梁的應力應變會導致粘貼在其上的磁致伸縮材料發生應力應變，由于逆磁致伸縮效應，磁致伸縮材料受到應力時其磁導率會發生改變，通過檢測其磁導率的變化來得到力的大小。

現有磁彈式力傳感器根據測量方式一般分為旁路式和套筒式。旁路式通常在磁致伸縮材料旁放置一個U型磁鐵，并在U型磁鐵上繞上激勵與檢測繞組，使其系統閉合為一個完整的磁路；套筒式通常是利用兩個套筒將磁致伸縮材料完全包裹，激勵繞組在最外層，檢測繞組在激勵繞組內測，使磁力線完整覆蓋磁致伸縮材料。但上述兩種測量方式都存在體積較大，難以小型化的缺點。

發明內容

針對上述問題，本發明提供一種基于逆磁致伸縮效應的三維力傳感器，成本低、靈敏度高、響應速度快而且結構強度高。

本發明采取以下技術方案實現上述目的：

一種基于逆磁致伸縮效應的三維力傳感器，包括彈性安裝架、至少三個磁致伸縮力檢測材料貼片以及至少三個PCB板；所述彈性安裝架包括中心法蘭、四個外圈固定塊、八根浮動梁以及四根應變梁，四根所述應變梁沿水平方向均勻布置在所述中心法蘭的側壁上，四個所述外圈固定塊間隔設在所述中心法蘭的周圍，所述應變梁的一端連接所述中心法蘭，另一端通過所述浮動梁連接所述外圈固定塊；

所述應變梁以所述中心法蘭為原點分為X軸和Y軸，所述磁致伸縮力檢測材料貼片分別位于X軸方向上的所述應變梁的側面、Y軸方向上的所述應變梁的側面以及任一所述應變梁的底面；

每一所述PCB板的底層均安裝有檢測線圈，每一所述PCB板的頂層均安裝有勵磁線圈，所述PCB板固定安裝在所述磁致伸縮力檢測材料貼片上，一個所述磁致伸縮力檢測材料貼片對應安裝一個所述PCB板，且所述PCB板位于所述檢測線圈的一面貼緊所述磁致伸縮力檢測材料貼片。