CN2828774Y - 两维力/力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
一种两维力/力矩传感器属测力技术。包括法向力弹性体(1)与扭矩弹性体(3)呈直角连接，二者构成组合式测力/力矩单元。法向力弹性体(1)采用双孔平行梁式结构，在两孔外侧贴有上下两对应变片(2)。测量扭矩的弹性体(3)其结构有一板两杆式传感器部件，在两杆的端部贴有上下两对应变片(6)。测量法向力的四个应变片(2)和测量扭矩的四个应变片(6)组成两组惠斯登电桥电路，两组电桥电路的输出各自连于电压信号放大器，再经数据采集电路送入计算机。本两维力/力矩传感器可用于测试旋转型行波超声电机工作状态下定、转子摩擦力/力矩。
Description
技术领域
本实用新型的两维力/力矩传感器属力学测试技术，可用于测试超声电机工作状态下定、转子摩擦力/力矩。
背景技术
超声电机是一种基于压电陶瓷逆压电效应和超声振动的新型电机。目前超声电机已广泛应用于照相机及摄像机的自动调焦系统，在精密仪器以及航空航天领域也有许多应用。
目前，几乎所有的超声电机都采用定、转子间的摩擦界面来实现动力输出.依据驱动原理的不同，超声电机的摩擦界面大致可分为行波型和驻波型两大类.其中行波型超声电机定子(压电陶瓷)由于其压电效应，在施加交变电压时会产生伸缩变形，当交变电压的频率处于定子弹性体的固有频率附近时，便会激发定子产生共振。适当配置压电陶瓷的极化方式可使定子的振动状态为一行波，此时，定子表面上各点的运动轨迹都会呈现椭圆状。在定、转子之间一般通过加压弹簧片预加一定的压力，此压力称为预压力，由于摩擦作用可使转子产生与行波传播方向相反的运动，使定子的振动转化为转子的连续切向运动，从而完成运动和动力输出。因此超声电机定、转子摩擦系数和适当的预压力对其输出扭矩和使用寿命有直接影响，这样精确的扭矩和法向力(预压力)的测量显得格外重要。
由于扭矩和法向力测量在工业、国防等领域的广泛应用，用于测量扭矩和法向力的传感器技术比较成熟。
1988年，上海交通大学陈刚设计出了立式组合梁应变式扭矩传感器，并申请了专利(专利号为88211745)。该传感器装在立式传动装置的壳体与基座之间，传感器具有一个有多个双连孔梁组成的筒形应变筒，梁上粘贴应变片，通过测量应变筒变形测量扭矩。该传感器不随被测传动装置转动，消除了磨损件，易于接入电源和引出信号，适于阀门电动头等立式传动装置的扭矩测试。
2002年，合肥智能机械所孙立等设计出了一种新型的三维力传感器。对三维力传感器的设计，考虑了传统力学量传感器的动力学性能和静态标定指标等特性外，还对其各维灵敏度及维间耦合系数等指标予以充分考虑。因此，结构设计时做到了对所测维的力有较好的灵敏度，而对于非所测维力尽可能不灵敏，这样使维间耦合小，同时保证整个结构有足够的刚度。三个方向的力量程均为0～3000N。
2003年，同济大学万德安提出了一种微小扭矩高精度测量系统的工作原理。该系统利用4片等厚的弹性臂作为弹性件配合应变片测量微小扭矩作用下的形变，经由信号处理及A/D转换，通过计算机串口通信，实现了扭矩的计算机实时控制、监视与分析等精密测量。经实验，该传感器能够在0～40mN·m的测量范围内，达到0.01mN·m的测量精度。
由于超声电机是通过摩擦驱动的，定、转子之间是面与面有振动的情况下摩擦接触，同时伴随着使用周期的增加可能会发生摩擦磨损性能的衰减，这样以上已有的传感器在从测力范围和测力方案上都不适合用于测量超声电机工作状态下定、转子摩擦力/力矩。
实用新型内容
本实用新型基于上述技术背景，提出一种两维力/力矩传感器，目的是(但不仅限于)测试旋转型行波超声电机工作状态下定、转子摩擦力/力矩，为旋转型行波超声电机设计应用提供科学支持。
本实用新型的两维力/力矩传感器主要包括法向力弹性体、扭矩弹性体、检测电路三部分。法向力弹性体的一端与扭矩弹性体的一端呈直角连接，法向力弹性体主视面有一条形通槽，条形通槽两端是比条形通槽大的通孔构成双孔平行梁结构，两对应变片分别粘贴在法向力弹性体两通孔的(弹性体上、下应变最大的)两外侧表面，扭矩弹性体由左右两根板杆构成一整体的一板两杆式结构，两对应变片分别对称地粘贴在扭矩弹性体两板杆上端应变最大的两外侧表面，检测电路由法向力弹性体上的四个应变片和扭矩弹性体上的四个应变片分别组成两组惠斯登电桥电路，两电桥电路的输出分别经电压放大器和数据采集电路输送到计算机。
扭矩弹性体为一板两杆式结构，可以把扭矩的测量转换为弯矩的测量，从而可以获得较大的应变。同时这种结构也减少了在竖直方向上力对其主应变的影响，维间耦合小。材料为硬铝合金，在两杆的端部(应变最大的地方上)对称地粘贴两对电阻应变片，组成惠斯登电桥。一板两杆式结构的扭矩弹性体的上、下端还带有上、下法兰，上法兰带有方形棱柱，便于与法向力弹性体连接，下法兰可与试样连接。
法向力弹性体的结构为双孔平行梁式。这种结构利用了应力集中，在不减弱弹性体刚度的条件下，同样可以测得较大应变。同时消除了测力的位置改变对法向力测量的影响，符合试验的要求。材料为硬铝合金，在两孔外侧(应变最大的地方上)对称地粘贴两对电阻应变片，组成惠斯登电桥。
检测电路利用八个应变片组成两组惠斯登电桥，将弹性体的形变转化成应变片的电压信号输出。电桥的输出电压信号后接电压放大电路，然后由200k/s速率的数据采集卡将放大后的电压信号读入计算机，最终利用LABVIEW软件编程得到数值。
最终得到这种组合式两维传感器的性能，法向力的量程为0～200N，分辨率为0.2N；扭矩的量程为0～2N·m，分辨率为0.002N·m，维间耦合影响小于0.13％。
本实用新型的两维力/力矩传感器能测试超声电机，尤其是旋转型行波超声电机工作状态下定、转子摩擦力/力矩，为研制超声电机提供了方便。
附图说明
图1.两维力/力矩传感器结构示意图。
图2.测试装置示意图。
图3.扭矩弹性体结构主视图。
图4.法向力弹性体结构主视图。
图5.检测电路组成框图。
图1的标号名称：1.法向力弹性体，2.法向力测试用应变片，3.扭矩弹性体，4.垫片，5.螺钉6.扭矩测试用应变片。
图2的标号名称：7.下试样，8.上试样，9.连接板，10.工作台。
图3的符号名称：M——施加的扭矩；
a——粘贴应变片处与杆端的距离；
图4的符号名称：Rx1～Rx2—应变片电阻；U——供电电压。
具体实施方式
首先如图1所示，将扭矩弹性体3上端法兰的方形棱柱插入法向力弹性体1的一端开有方形通孔处呈直角连接，利用垫片4和螺钉5将两者固定。这样二维力/力矩传感器装配完成后，依照图2所示，将图1所示的传感器中法向力弹性体1的另一端楔形尾部固定在连接板9的V字槽内，连接板固定在工作台10上，将旋转型行波超声电机的定子(上试样8)安装在传感器的扭矩弹性体3下端的法兰上，转子(下试样7)安装在工作台10上。
当进行测试实验时，如图3所示，扭矩弹性体3受到扭力矩M后，一板两杆弯曲，通过计算得知在两根杆端的变形最大，在距离杆端a的地方对称贴两对应变片6，这样就将扭力矩M的测量转换为弯矩在两根杆端引起的变形测量。同时，上、下试样间不同法向力(预压力)通过扭矩弹性体传递到法向力弹性体，由于扭矩弹性体的一板两杆式结构设计，大大也减少了上下试样间在切向和法向两个方向力对其主应变的影响，只是对于上下试样间的扭矩敏感，从而提高扭矩测量的精度。
法向力弹性体1的结构利用了应力集中，这样可以在不减弱弹性体刚度的条件下，同样可以测得较大应变。如图4所示，将两对应变片2贴在两孔的外侧(应变最大的地方)，通过测量两孔之间的应变差即可得到法向力的大小，这样消除了测力的位置改变对法向力测量的影响。同时，这种在梁上打孔的结构保证了弹性体梁的刚度，这样使弹性体不仅对所测方向灵敏度较高，而对其他方向的力不敏感，即大大减少了其他方向的力和力矩对其主应变的影响，从而提高了法向力测量的精度。
两维力/力矩传感器上的应变片的阻值变化变成电压变化的输出，采用图5所示的应变片桥式电路。电路中的Rx(Rx1～Rx2)为应变片电阻，应变片Rx的供电电压U由直流开关电源提供。
上述桥式电路将应变片微小电阻变化转换为电压变化的直流输出，因电桥电压输出值非常微小，采用信号放大电路进行放大。信号放大采用的是AD624集成芯片，AD624有16个引脚，通过把集成芯片不同引脚短接可以获得从1至1000之间多个不同信号放大增益，最常用的有100，200以及500等。放大器在对有效信号放大的同时也会对噪声信号同样放大，所以针对不同传感器要选择适当的增益，使得有效输出信号值在一定范围内。我们根据模拟施加载荷后传感器的输出信号大小，选择了放大200倍的增益。
放大电路的输出信号只是模拟信号，只有把模拟信号转换成数字信号，计算机才能对其处理。数据采集就是将模拟信号转换为数字信号传递到计算机中的过程。本系统的数据采集及控制硬件采用了ADVANTECH公司的一块PCI-1713数据采集卡。这张采集卡具有32个独立的输入通道，均为12位精度，可分别设置成32个单端输入和16个差分输入，测量范围为-10V～+10V；该卡采用自动通道/增益扫描电路，用于在多通道采样时对各个通道及其增益进行配置，满足多通道同步采样的要求。这样利用数据采集卡将放大后的电压信号读入计算机，最终运用LABVIEW软件编程得到数值。
Claims (3)
1、一种两维力/力矩传感器，其特征在于，包括法向力弹性体(1)，扭矩弹性体(3)和检测电路三部分，法向力弹性体(1)的一端与扭矩弹性体(3)的一端呈直角连接，二者构成组合式测力/力矩单元，所述法向力弹性体主视面有一条形通槽、条形通槽两端是比条形通槽大的通孔构成为双孔平行梁结构，两对应变片(2)分别粘贴在法向力弹性体两通孔的弹性体上、下应变最大的两外侧表面，所述扭矩弹性体(3)由两根板杆构成一整体的一板两杆式结构，两对应变片(6)分别对称贴在扭矩弹性体两板杆上端应变最大的两外侧表面，所述检测电路由法向力弹性体上的四个应变片和扭矩弹性体上的四个应变片分别组成两组惠斯登电桥电路，两电桥电路的输出分别连于电压放大器后经数据采集电路输送至计算机。
2、依据权利要求1所述的两维力/力矩传感器，其特征在于，扭矩弹性体(3)为一板两杆式结构，上下端部带上下法兰，上法兰带有方形棱柱便于与测量法向力弹性体固定，下法兰与试样连接。
3.依据权利要求1或2所述的两维力/力矩传感器，其特征在于，法向力弹性体(1)为双孔平行梁式结构，双孔平行梁的一端开有方形通孔，另一端为楔形尾部便于安装于工作台上。
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