專利名稱：兩維力/力矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型的兩維力/力矩傳感器屬力學(xué)測試技術(shù)，可用于測試超聲電機工作狀態(tài)下定、轉(zhuǎn)子摩擦力/力矩。
背景技術(shù)：
超聲電機是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和超聲振動的新型電機。目前超聲電機已廣泛應(yīng)用于照相機及攝像機的自動調(diào)焦系統(tǒng)，在精密儀器以及航空航天領(lǐng)域也有許多應(yīng)用。
目前，幾乎所有的超聲電機都采用定、轉(zhuǎn)子間的摩擦界面來實現(xiàn)動力輸出.依據(jù)驅(qū)動原理的不同，超聲電機的摩擦界面大致可分為行波型和駐波型兩大類.其中行波型超聲電機定子(壓電陶瓷)由于其壓電效應(yīng)，在施加交變電壓時會產(chǎn)生伸縮變形，當(dāng)交變電壓的頻率處于定子彈性體的固有頻率附近時，便會激發(fā)定子產(chǎn)生共振。適當(dāng)配置壓電陶瓷的極化方式可使定子的振動狀態(tài)為一行波，此時，定子表面上各點的運動軌跡都會呈現(xiàn)橢圓狀。在定、轉(zhuǎn)子之間一般通過加壓彈簧片預(yù)加一定的壓力，此壓力稱為預(yù)壓力，由于摩擦作用可使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與行波傳播方向相反的運動，使定子的振動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的連續(xù)切向運動，從而完成運動和動力輸出。因此超聲電機定、轉(zhuǎn)子摩擦系數(shù)和適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力對其輸出扭矩和使用壽命有直接影響，這樣精確的扭矩和法向力(預(yù)壓力)的測量顯得格外重要。
由于扭矩和法向力測量在工業(yè)、國防等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用于測量扭矩和法向力的傳感器技術(shù)比較成熟。
1988年，上海交通大學(xué)陳剛設(shè)計出了立式組合梁應(yīng)變式扭矩傳感器，并申請了專利(專利號為88211745)。該傳感器裝在立式傳動裝置的殼體與基座之間，傳感器具有一個有多個雙連孔梁組成的筒形應(yīng)變筒，梁上粘貼應(yīng)變片，通過測量應(yīng)變筒變形測量扭矩。該傳感器不隨被測傳動裝置轉(zhuǎn)動，消除了磨損件，易于接入電源和引出信號，適于閥門電動頭等立式傳動裝置的扭矩測試。
2002年，合肥智能機械所孫立等設(shè)計出了一種新型的三維力傳感器。對三維力傳感器的設(shè)計，考慮了傳統(tǒng)力學(xué)量傳感器的動力學(xué)性能和靜態(tài)標(biāo)定指標(biāo)等特性外，還對其各維靈敏度及維間耦合系數(shù)等指標(biāo)予以充分考慮。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計時做到了對所測維的力有較好的靈敏度，而對于非所測維力盡可能不靈敏，這樣使維間耦合小，同時保證整個結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。三個方向的力量程均為0～3000N。
2003年，同濟大學(xué)萬德安提出了一種微小扭矩高精度測量系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)利用4片等厚的彈性臂作為彈性件配合應(yīng)變片測量微小扭矩作用下的形變，經(jīng)由信號處理及A/D轉(zhuǎn)換，通過計算機串口通信，實現(xiàn)了扭矩的計算機實時控制、監(jiān)視與分析等精密測量。經(jīng)實驗，該傳感器能夠在0～40mN·m的測量范圍內(nèi)，達到0.01mN·m的測量精度。
由于超聲電機是通過摩擦驅(qū)動的，定、轉(zhuǎn)子之間是面與面有振動的情況下摩擦接觸，同時伴隨著使用周期的增加可能會發(fā)生摩擦磨損性能的衰減，這樣以上已有的傳感器在從測力范圍和測力方案上都不適合用于測量超聲電機工作狀態(tài)下定、轉(zhuǎn)子摩擦力/力矩。
實用新型內(nèi)容本實用新型基于上述技術(shù)背景，提出一種兩維力/力矩傳感器，目的是(但不僅限于)測試旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機工作狀態(tài)下定、轉(zhuǎn)子摩擦力/力矩，為旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機設(shè)計應(yīng)用提供科學(xué)支持。
本實用新型的兩維力/力矩傳感器主要包括法向力彈性體、扭矩彈性體、檢測電路三部分。法向力彈性體的一端與扭矩彈性體的一端呈直角連接，法向力彈性體主視面有一條形通槽，條形通槽兩端是比條形通槽大的通孔構(gòu)成雙孔平行梁結(jié)構(gòu)，兩對應(yīng)變片分別粘貼在法向力彈性體兩通孔的(彈性體上、下應(yīng)變最大的)兩外側(cè)表面，扭矩彈性體由左右兩根板桿構(gòu)成一整體的一板兩桿式結(jié)構(gòu)，兩對應(yīng)變片分別對稱地粘貼在扭矩彈性體兩板桿上端應(yīng)變最大的兩外側(cè)表面，檢測電路由法向力彈性體上的四個應(yīng)變片和扭矩彈性體上的四個應(yīng)變片分別組成兩組惠斯登電橋電路，兩電橋電路的輸出分別經(jīng)電壓放大器和數(shù)據(jù)采集電路輸送到計算機。
扭矩彈性體為一板兩桿式結(jié)構(gòu)，可以把扭矩的測量轉(zhuǎn)換為彎矩的測量，從而可以獲得較大的應(yīng)變。同時這種結(jié)構(gòu)也減少了在豎直方向上力對其主應(yīng)變的影響，維間耦合小。材料為硬鋁合金，在兩桿的端部(應(yīng)變最大的地方上)對稱地粘貼兩對電阻應(yīng)變片，組成惠斯登電橋。一板兩桿式結(jié)構(gòu)的扭矩彈性體的上、下端還帶有上、下法蘭，上法蘭帶有方形棱柱，便于與法向力彈性體連接，下法蘭可與試樣連接。
法向力彈性體的結(jié)構(gòu)為雙孔平行梁式。這種結(jié)構(gòu)利用了應(yīng)力集中，在不減弱彈性體剛度的條件下，同樣可以測得較大應(yīng)變。同時消除了測力的位置改變對法向力測量的影響，符合試驗的要求。材料為硬鋁合金，在兩孔外側(cè)(應(yīng)變最大的地方上)對稱地粘貼兩對電阻應(yīng)變片，組成惠斯登電橋。
檢測電路利用八個應(yīng)變片組成兩組惠斯登電橋，將彈性體的形變轉(zhuǎn)化成應(yīng)變片的電壓信號輸出。電橋的輸出電壓信號后接電壓放大電路，然后由200k/s速率的數(shù)據(jù)采集卡將放大后的電壓信號讀入計算機，最終利用LABVIEW軟件編程得到數(shù)值。
最終得到這種組合式兩維傳感器的性能，法向力的量程為0～200N，分辨率為0.2N；扭矩的量程為0～2N·m，分辨率為0.002N·m，維間耦合影響小于0.13％。
本實用新型的兩維力/力矩傳感器能測試超聲電機，尤其是旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機工作狀態(tài)下定、轉(zhuǎn)子摩擦力/力矩，為研制超聲電機提供了方便。


圖1.兩維力/力矩傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.測試裝置示意圖。
圖3.扭矩彈性體結(jié)構(gòu)主視圖。
圖4.法向力彈性體結(jié)構(gòu)主視圖。
圖5.檢測電路組成框圖。
圖1的標(biāo)號名稱1.法向力彈性體，2.法向力測試用應(yīng)變片，3.扭矩彈性體，4.墊片，5.螺釘6.扭矩測試用應(yīng)變片。
圖2的標(biāo)號名稱7.下試樣，8.上試樣，9.連接板，10.工作臺。
圖3的符號名稱M——施加的扭矩；a——粘貼應(yīng)變片處與桿端的距離；圖4的符號名稱Rx1～Rx2—應(yīng)變片電阻；U——供電電壓。
具體實施方式
首先如圖1所示，將扭矩彈性體3上端法蘭的方形棱柱插入法向力彈性體1的一端開有方形通孔處呈直角連接，利用墊片4和螺釘5將兩者固定。這樣二維力/力矩傳感器裝配完成后，依照圖2所示，將圖1所示的傳感器中法向力彈性體1的另一端楔形尾部固定在連接板9的V字槽內(nèi)，連接板固定在工作臺10上，將旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機的定子(上試樣8)安裝在傳感器的扭矩彈性體3下端的法蘭上，轉(zhuǎn)子(下試樣7)安裝在工作臺10上。
當(dāng)進行測試實驗時，如圖3所示，扭矩彈性體3受到扭力矩M后，一板兩桿彎曲，通過計算得知在兩根桿端的變形最大，在距離桿端a的地方對稱貼兩對應(yīng)變片6，這樣就將扭力矩M的測量轉(zhuǎn)換為彎矩在兩根桿端引起的變形測量。同時，上、下試樣間不同法向力(預(yù)壓力)通過扭矩彈性體傳遞到法向力彈性體，由于扭矩彈性體的一板兩桿式結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大也減少了上下試樣間在切向和法向兩個方向力對其主應(yīng)變的影響，只是對于上下試樣間的扭矩敏感，從而提高扭矩測量的精度。
法向力彈性體1的結(jié)構(gòu)利用了應(yīng)力集中，這樣可以在不減弱彈性體剛度的條件下，同樣可以測得較大應(yīng)變。如圖4所示，將兩對應(yīng)變片2貼在兩孔的外側(cè)(應(yīng)變最大的地方)，通過測量兩孔之間的應(yīng)變差即可得到法向力的大小，這樣消除了測力的位置改變對法向力測量的影響。同時，這種在梁上打孔的結(jié)構(gòu)保證了彈性體梁的剛度，這樣使彈性體不僅對所測方向靈敏度較高，而對其他方向的力不敏感，即大大減少了其他方向的力和力矩對其主應(yīng)變的影響，從而提高了法向力測量的精度。
兩維力/力矩傳感器上的應(yīng)變片的阻值變化變成電壓變化的輸出，采用圖5所示的應(yīng)變片橋式電路。電路中的Rx(Rx1～Rx2)為應(yīng)變片電阻，應(yīng)變片Rx的供電電壓U由直流開關(guān)電源提供。
上述橋式電路將應(yīng)變片微小電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化的直流輸出，因電橋電壓輸出值非常微小，采用信號放大電路進行放大。信號放大采用的是AD624集成芯片，AD624有16個引腳，通過把集成芯片不同引腳短接可以獲得從1至1000之間多個不同信號放大增益，最常用的有100，200以及500等。放大器在對有效信號放大的同時也會對噪聲信號同樣放大，所以針對不同傳感器要選擇適當(dāng)?shù)脑鲆妫沟糜行л敵鲂盘栔翟谝欢ǚ秶鷥?nèi)。我們根據(jù)模擬施加載荷后傳感器的輸出信號大小，選擇了放大200倍的增益。
放大電路的輸出信號只是模擬信號，只有把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，計算機才能對其處理。數(shù)據(jù)采集就是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞到計算機中的過程。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制硬件采用了ADVANTECH公司的一塊PCI-1713數(shù)據(jù)采集卡。這張采集卡具有32個獨立的輸入通道，均為12位精度，可分別設(shè)置成32個單端輸入和16個差分輸入，測量范圍為-10V～+10V；該卡采用自動通道/增益掃描電路，用于在多通道采樣時對各個通道及其增益進行配置，滿足多通道同步采樣的要求。這樣利用數(shù)據(jù)采集卡將放大后的電壓信號讀入計算機，最終運用LABVIEW軟件編程得到數(shù)值。
權(quán)利要求1.一種兩維力/力矩傳感器，其特征在于，包括法向力彈性體(1)，扭矩彈性體(3)和檢測電路三部分，法向力彈性體(1)的一端與扭矩彈性體(3)的一端呈直角連接，二者構(gòu)成組合式測力/力矩單元，所述法向力彈性體主視面有一條形通槽、條形通槽兩端是比條形通槽大的通孔構(gòu)成為雙孔平行梁結(jié)構(gòu)，兩對應(yīng)變片(2)分別粘貼在法向力彈性體兩通孔的彈性體上、下應(yīng)變最大的兩外側(cè)表面，所述扭矩彈性體(3)由兩根板桿構(gòu)成一整體的一板兩桿式結(jié)構(gòu)，兩對應(yīng)變片(6)分別對稱貼在扭矩彈性體兩板桿上端應(yīng)變最大的兩外側(cè)表面，所述檢測電路由法向力彈性體上的四個應(yīng)變片和扭矩彈性體上的四個應(yīng)變片分別組成兩組惠斯登電橋電路，兩電橋電路的輸出分別連于電壓放大器后經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路輸送至計算機。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的兩維力/力矩傳感器，其特征在于，扭矩彈性體(3)為一板兩桿式結(jié)構(gòu)，上下端部帶上下法蘭，上法蘭帶有方形棱柱便于與測量法向力彈性體固定，下法蘭與試樣連接。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的兩維力/力矩傳感器，其特征在于，法向力彈性體(1)為雙孔平行梁式結(jié)構(gòu)，雙孔平行梁的一端開有方形通孔，另一端為楔形尾部便于安裝于工作臺上。
專利摘要一種兩維力/力矩傳感器屬測力技術(shù)。包括法向力彈性體(1)與扭矩彈性體(3)呈直角連接，二者構(gòu)成組合式測力/力矩單元。法向力彈性體(1)采用雙孔平行梁式結(jié)構(gòu)，在兩孔外側(cè)貼有上下兩對應(yīng)變片(2)。測量扭矩的彈性體(3)其結(jié)構(gòu)有一板兩桿式傳感器部件，在兩桿的端部貼有上下兩對應(yīng)變片(6)。測量法向力的四個應(yīng)變片(2)和測量扭矩的四個應(yīng)變片(6)組成兩組惠斯登電橋電路，兩組電橋電路的輸出各自連于電壓信號放大器，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路送入計算機。本兩維力/力矩傳感器可用于測試旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機工作狀態(tài)下定、轉(zhuǎn)子摩擦力/力矩。
文檔編號G01L1/20GK2828774SQ20052007276
公開日2006年10月18日 申請日期2005年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者吉愛紅, 沈輝, 顏化冰, 戴振東 申請人:南京航空航天大學(xué)