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行业动态发布

一种结构解耦的新型应变式三维力传感器研究

文字:[大][中][小] 2020-3-31    浏览次数:1254    


传感器在现代科学技术中的重要性已经越来越被认可。无论是在工业与国防领域,还是在生物工程、医疗卫生、环境保护等领域,处处都离不开传感器的应用。


多维力传感器是实现机器人类化和智能化最为重要的一种传感器,它是工程力学检测和机器人运动控制的基础,其应用范围也越来越广泛。


多维力传感器在结构形式上主要有筒式、柱式、环式、悬臂梁式、十字梁式、倒T型等形式[3-6]。目前,应变式多维力传感器,其存在的缺点是维间耦合误差较大,结构复杂,标定困难,限制了它的推广应用。

在多维力传感器的实际应用中,很多场合要求维间耦合误差小、测量精度高、结构简单的测力传感器,


如航天员在模拟太空环境中进行舱外攀爬活动训练时,用于测量航天员左右手臂的测力装置。为此,本文对传统应变式三维力传感器结构进行优化,提出了一种新型三维力传感器结构。该传感器可以感应三维空间坐标系下x、z方向的力Fx、Fz和y方向的力矩My,并且自身结构具有解耦功能,测量精度高,维间耦合误差小。另外,其结构简单,制造方便,可大大降低加工成本。1传感器的结构设计1.1三维力传感器的结构新型三维力传感器结构如图1所示。


新型三维力传感器结构在矩形截面梁上开通孔和通槽后,使得其壁厚不一致,从而矩形截面梁就变成了应变梁。应变梁壁厚最薄处是其最敏感的位置。它实际上包含了两组二维力传感器,或者是4个一维力传感器,因此这些传感器用横梁连接后形成的传感器可以看作4个简单一维力传感器A1、A2、B1、B2的线性叠加。

              

弹性体的应变原理1.2应变片布片原理根据本文图1所给的坐标轴,当受到载荷Fx、Fz、My,它将在应变梁上产生形变,并使应变梁上的应变片电阻发生变化,电桥的平衡被打破,在输出电压端有电压输出。梁在正弯矩作用下发生弯曲变形,必然引起内侧纵向线段缩短,外侧纵向线段伸长,中间必有一层纵向线段长度不变的中性层。取萣et3365官方亚洲版饬汉峤孛娴亩猿浦嵛醳,中性轴(中性层与横截面的交线)为轴z,轴x沿梁的轴线方向。


变形后,中性层纵向线段的圆弧线曲率半径为,微段dx两端横截面绕其中性轴相对地转动了一个角度d。由原长dx=d,变为(-y)d。因此,距中性层为y的萣et3365官方亚洲版蛔菹蛳叨蝍b的纵向应变为x=(-y)d-dd=-y。中性层内侧是受压区,中性层外侧受拉区。因此,将一对应变片分别贴在变形位置的受拉区和受压区,可以感应弹性体的形变;再通过两组应变片组成惠斯通全桥电路,可以测量应变大小。根据本弹性体结构,将各应变片位置分配如下:16片应变片的分布


Ri/Rj所示,Ri贴于正面,Rj贴于背面。各应变片的位置分配图4应变及电压输出电路1.3三维力的测量方法每个一维力传感器的应变区域都贴有4片应变片,共16个应变片组成4个惠斯通全桥电路,得到4路电压信号所示。其中桥路1和桥路2用于测量Z方向的力Fz,在力Fz作用下,桥路1和桥路2各自有两个应变片处于负应力区(压应力),另外两个应变片处于正应力区(拉应力)。由于应变片的压阻效应,阻值变化通过2个惠斯通电桥分别转化为电压信号,通过将两个桥路的输出电压值叠加,就可以得到相应的力值,从而实现力与电的转化。


同理,桥路3与桥路4用于测量X方向的力Fx。在X或Z方向力作用下,总有两个桥路,且每个桥路中有两个应变片是处于拉应变,另两个应变片处于压应变(两正两负),其余两个桥路的应变片敏感方向与力的方向垂直,理论上整个桥路中的应变输出能够正负相抵,即对Y方向的力不敏感。力矩My也是通过测量桥路1和桥路2的电压输出变化,由于采用不同的组桥

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