專利名稱：測力傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種外力的測量儀器。特別適應于對機器人觸覺系統中所加雙向外力的測量。
在工業生產和各種科學研究、實驗中，常用到應變測力傳感器，這些傳感器一般是環式或梁式結構，主要用于檢測單向力或稱重，如圓環式應力測力傳感器包括與電阻應變片連接的電橋和按一定規定粘貼有電阻應變片的彈性體組成，但他只能檢測徑向作用于圓環的單向外力。而在需要測量雙向力和三向力時，則現有的各類測力傳感器及稱重傳感器因結構復雜，或體積過大、安裝不便、成本高等原因不能很好地滿足要求。
本實用新型的目的是提供一種結構簡單、體積小、制造成本低、安裝方便的測力傳感器。
為了實現上述實用新型的目的，其技術方案是在現有的測力傳感器基礎上，對彈性體和電阻應變片在彈性體上的布置作如下改進，彈性體由對稱環體和一端固定在該對稱環體上的直梁構成，同時使對稱環體的中心和彈性體的受力點與直梁的中心在同一直線上，以該直線為彈性體的對稱軸，在對稱環體相對的內外環體上和直梁的左右側壁上，分別正對地粘貼電阻應變片，將每一對應變片分別接入差動電橋相鄰臂，組成全橋電橋。
本測力傳感器具有結構簡單、成本低、安裝方便、體積小等優點。
圖1為本實用新型的主視圖，圖2為本實用新型的左視圖，圖3為本實用新型受水平外力作用時的受力圖，圖4為本實用新型受垂直外力作用時的受力圖。
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述通過改變測力傳感器對稱環體的形狀或其斷面形狀和尺寸，以及直梁的斷面形狀和尺寸，可制作一系列不同量程和精度的單向力或雙向力測力傳感器，供不同條件下使用。對稱環體的形狀為圓環體或橢圓環體或方形環體，對稱環體的斷面形狀以及直梁的斷面形狀為園環或橢圓或矩形等。
圖1、圖2為測力傳感器結構圖，彈性體用金屬彈性材料作成具有矩形橫斷面的圓環體和一端固定在該圓環體上的直梁構成，圓環體[1]內半徑R為12mm，直梁[4]L長為10mm，彈性體橫斷面為矩形，厚h為0.3mm，寬b為8mm，同時使對稱圓環體的中心和彈性體的受力點與直梁的中心在同一直線上，并以該直線為彈性體的對稱軸，在對稱圓環體的左右相對位置A、B處的內外環體壁上和直梁中點C處的左右側壁上，分別正對地粘貼電阻應變片[7]、[8]，[2]、[3]和[5]、[6]，設每一對應變片電阻值分別為R1和R2，工作時每一對應變片中一片受拉應力，另一片受壓應力，將每一對應變片分別接入差動電橋相鄰臂，組成全橋電橋。
圖3、圖4中，設F為所測量的垂直外力，P為所測量的水平外力，當傳感器只單獨受垂直外力F作用和水平外力P作用時，可由圓環體和直梁上的電阻應變片分別檢測。當傳感器同時受垂直外力F和水平外力P作用時，由于水平外力還會影響圓環體的應力狀況，而垂直外力則會影響直梁的應力狀況，所以不能單獨用圓環體來測量垂直外力，也不能單純用直梁式結構來測量水平外力，否則將會產生不可忽略的誤差，從而無法精確測量兩個方向的外作用力。為了解決這一問題，首先我們通過分析水平外力P在圓環體A、B處截面形成的應力狀況和垂直外力F在直梁C處截面形成的應力狀況，通過對該測力傳感器建立數學模型，進行受力分析，建立方程組，最終計算得出A、B、C各點的應變與被測外力的關系如下。1.當傳感器僅受水平外力P作用時，
F＝0其中E為彈性體的彈性模量；h為圓環體厚；b為圓環體寬；εC為梁受水平外力作用時在C處引起的應變，l為直梁長。2.當傳感器僅受垂直外力F作用時，P＝0F=11.09Rbh2ϵAE]]>其中εA為短梁垂直外力作用時在A處引起的應變；R為圓環體內半徑。3.傳感器同時受水平外力P和垂直外力F雙向外力作用時，P=16lbh2ϵcE]]>F=12·bh2E1.09R(ϵ1+ϵ2-PR16bh2E)]]>其中ε1、ε2為傳感器同時受水平外力和垂直外力作用時A、B處的應變值，由上可知當傳感器同時受到垂直外力F和水平外力P的雙向力作用時，會共同影響園環體和直梁的應力狀況，當初始電阻為R1＝R2＝R2＝R4＝R，應變引起電阻變化為ΔR1＝ΔR2＝ΔR時，輸出電壓與ΔR/R成線性關系，通過檢測輸出電壓，就可測出應變片在受外力作用下的應變狀況，從而測出此時測力傳感器上所受垂直外力F和水平外力P的大小，通過選取彈性體橫斷面矩形的寬厚比b/h和改變圓環體[1]的內半徑及直梁[4]的尺寸，可制作一系列不同量程和精度的測力傳感器，以供不同實驗條件下使用。
權利要求1.一種測力傳感器，包括與電阻應變片連接的電橋、彈性體，其特征在于所述彈性體由對稱環體和一端固定在該對稱環體上的直梁構成，同時使對稱環體的中心和彈性體的受力點與直梁的中心在同一直線上，以該直線為彈性體的對稱軸，在對稱環體相對的內外環體上和直梁的左右側壁上，分別正對地粘貼電阻應變片。
2.根據權利要求1所述的測力傳感器，其特征在于對稱環體的形狀為圓環體或橢圓環體或方形環體，對稱環體的斷面形狀以及直梁的斷面形狀為園環或橢圓或矩形。
專利摘要一種測力傳感器,屬外力的測量儀器。用于解決對機器人觸覺系統中所加外力的測量。本方案中的彈性體由環體和直梁固定連接而成,在彈性體的環和梁的各對稱點內外邊處,分別粘貼成對電阻應變片,并組成全橋電橋,特別用來檢測機器人觸覺系統所受雙向外力的大小,也可測單向外力。具有結構簡單、成本低、安裝方便、體積小等優點。通過選取彈性體的不同斷面形狀和尺寸,可制作一系列不同量程和精度的測力傳感器。
文檔編號G01L1/04GK2385325SQ9923245
公開日2000年6月28日 申請日期1999年8月27日 優先權日1999年8月27日
發明者潘英俊, 秦嵐, 劉京誠, 喬生仁 申請人:重慶大學