專利名稱：具有過載保護功能的三軸力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三軸力傳感器，具體涉及一種具有過載保護功能的三軸力傳感
O
背景技術：
三軸力傳感器可廣泛應用于航空、航天、建筑、機械加工、汽車、機器人等眾多領域。三軸力傳感器已成為目前急需的高科技產(chǎn)品之一，其研制已受到高度重視。但是，三軸力傳感器的研制存在如下難點一，安裝和使用過程中的過載，使彈性元件發(fā)生塑性形變導致傳感器永久性損壞；二，傳感器輸出信號的遠距離傳輸導致信號的信噪比很低。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種具有過載保護功能的三軸力傳感器，解決了安裝和使用過程中彈性元件過載問題以及輸出信號的遠距離傳輸導致的信噪比低的問題。為達到上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案為具有過載保護功能的三軸力傳感器，包括底座1，彈性元件3固定在底座1上端的槽口內(nèi)，第一連接桿6 —端固定在彈性元件3頂端，第一連接桿6球形端與球鉸7鉸接，第二連接桿8固定在球鉸7上，第二連接桿8的另一端卡住第三連接桿9，第三連接桿9與被測構件連接，過載保護殼2卡在底座1上端的槽口外部，使過載保護殼2頂端和彈性元件3 頂端水平，三個內(nèi)六方螺釘11安裝在過載保護殼2的頂部，電路板4固定在底座1下端內(nèi)， 電路板4上的六個側旋電位器的旋鈕18通過底座1上的開口 17露出，電路板4的輸出信號線和電源線通過底座1上的開孔16傳輸?shù)絺鞲衅魍獠?，電路?下部設置有底板5，底板 5固定在底座1上。所述電路板4的電路包括電源部分和信號放大部分，信號放大部分含有三個信號放大電路，分別對應三軸力傳感器測量每個軸上的力輸出的電壓信號，三個信號放大線路原理完全相同，且三個信號放大電路共用一個電源電路。所述電源部分電路為，自恢復保險Fl —端和接口 OUT第一腳+24V相接，另一端和肖基特二極管Dl正極相接，肖基特二極管Dl的負極和電容Cl及電感Ll相接，電容Cl的另一端和穩(wěn)壓電源模塊Ul的第一腳GND相接，同時和接口 OUT的第二腳OV相接，電感Ll的另一端和穩(wěn)壓電源模塊Ul的第二腳相接，穩(wěn)壓電源模塊Ul的第六腳+VO和電感L2的一端相接，電感L2的另一端和電容C3、電容C2以及穩(wěn)壓器U2的第三腳VIN相接，并引出+12V 端，為信號放大電路提供+12V的電壓，電容C2、電容C3的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓電源模塊Ul第七腳OV和信號地AGND相接，穩(wěn)壓電源模塊Ul的第八腳-VO和電感L4的一端相接，電感L4的另一端和電容C6、電容C7以及穩(wěn)壓器U3的第二腳VIN相接，并引出-12V 端，為信號放大電路提供-12V的電壓，電容C6、電容C7的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U2的第一腳VOUT和電容C4的一端相接，并引出+5V端，為信號放大電路提供+5V的電壓，電容C4的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U2的第二腳GND和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U3的第三腳VOUT和電容C9的一端相接，并引出-5V端，為信號放大電路提供-5V的電壓，電容C9的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U3的第一腳GND和信號地AGND相接；接口 OUT第一腳+24V和第二腳OV分別和MVDC電源正負極相接，接口 OUT第三腳OUTx，第四腳OUTy，第五腳OUTz分別接第一軸，第二軸，第三軸放大后的電橋輸出信號， 第六腳和信號地AGND相接，電感L5 —端和信號地AGND相接，另一端和電容C13相接，電容 C13的另一端和機殼地GND相接。所述測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路為，接口 INX第一腳+5V、第四腳-5V分別和電源電路的+5V端、-5V端相接，接口 INX的第二腳-INX和芯片U4x的第二腳-IN相接，接口 INX的第三腳+INX和芯片U4x的第三腳+IN相接，電阻Rl的兩端分別和芯片U4x第一腳-RG、第八腳+RG相接，芯片U4x第四腳-VS、芯片U5x第四腳V-跟電源電路的-12V端相接，芯片U4x第七腳+VS、芯片U5x第八腳V+跟電源電路的+12V端相接，芯片 U4x的第五腳REF和芯片U5x的第一腳0UTA、芯片U5x的第二腳-INA相接，芯片U4x的第六腳OUT和電阻R5 —端相接，電阻R5的另一端和電容C10、芯片U5x的第五腳+INB相接， 電容ClO的另一端和信號地AGND相接，芯片U5x的第三腳+INA和側旋電位器x0的第二腳相接，側旋電位器x0的第一腳和電阻R2相接，側旋電位器x0的第三腳和電阻R3相接，電阻R2的另一端和電源電路的+5V端相接，電阻R3的另一端和電源電路的-5V端相接，芯片 U5x的第六腳-INB和側旋電位器χ第二腳相接，側旋電位器χ的第一腳和電阻R6相接，側旋電位器χ的第三腳和電阻R7相接，電阻R6的另一端和信號地AGND相接，電阻R7的另一端和芯片U5x的第七腳0UTB、電源電路接口 OUT第三腳OUTx相接。所述彈性元件上有三組應變片，第一組貼在彈性元件的上部側面，第二組應變片貼在彈性元件中部側面，第三組應變片貼在彈性元件底部，第一組應變片包括第一應變片 RA1、第二應變片RB1、第三應變片RCl和第四應變片RD1，四個應變片組成全橋用來測量第一軸上的力，第二組應變片包括第一應變片RA2、第二應變片RB2、第三應變片RC2和第四應變片RD2，四個應變片組成全橋用來測量第二軸上的力，第三組應變片包括第一應變片 RA3、第二應變片RB3、第三應變片RC3和第四應變片RD3，四個應變片組成全橋用來測量第三軸上的力。所述第一組應變片為第一應變片RAl —端和第四應變片RDl相接，并和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第一腳+5V相接，第一應變片RAl另一端和第二應變片RBl相接，并和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX 的第二腳-INX相接。第三應變片RCl兩端分別和第四應變片RD1、第二應變片RBl未與第一應變片RAl相接的那一端相接，與第四應變片RDl相接那一端還和和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第三角腳+INX相接，與第二應變片RBl相接的那一端還和和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第四腳-5V相接。所述第二組應變片、第三組應變片的橋路組成方法及接線方法和第一組應變片的完全相同。本發(fā)明和現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點通過對三軸力傳感器過載保護裝置的創(chuàng)新和傳感器底座中電路的設計，提供了一種結構緊湊，裝配方便的具有過載保護功能的三軸力傳感器；其特點在于被測構件通過傳感器結構頂端的第三連接桿和固定裝置與傳感器彈性元件連接，該傳感器在底座上固定有過載保護殼，在底座上和過載保護殼內(nèi)帶有傳感器彈性元件，且彈性元件上設置有應變片和底座電路中的接線端口連接組成惠斯通電橋，在安裝過程中，過載保護殼上的內(nèi)六方螺釘頂緊彈性元件，通過限定彈性元件的形變可以防止傳感器過載損壞，在測量過程中，松開保護殼上頂緊彈性元件的內(nèi)六方螺釘，使彈性元件可以正常工作，且過載保護殼可以限定彈性元件的最大位移，防止傳感器彈性元件發(fā)生過大形變而產(chǎn)生塑性形變，被測構件受到力的作用引發(fā)彈性元件的微小形變，進而應變片發(fā)生相應的形變，隨后同步影響到其和對應的接線端口相連接組成的惠斯通電橋輸出信號，輸出信號經(jīng)過底座中電路的放大，且可以通過底座中的開口調節(jié)電路板上側旋電位器進而改變電路中信號的放大倍數(shù)，這樣放大后的輸出信號導線通過底座中的開孔傳出，由此輸出信號電壓便可得到被測構件所受的力的大小，這樣的傳感器很好的解決了安裝和使用過程中彈性元件過載，內(nèi)嵌的放大電路使輸出信號的遠距離傳輸導致的信噪比很低的現(xiàn)象得到明顯改善，并且結構簡單，安裝方便。
圖1是具有過載保護功能的三軸力傳感器結構圖。圖2是具有過載保護功能的三軸力傳感器零件爆炸圖。圖3是傳感器電源部分電路圖。圖4是測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路圖。圖5是傳感器彈性元件上應變片所貼位置示意圖，其中，圖5(A)是第一組應變片所貼位置示意圖；圖5(B)是第二組應變片所貼位置示意圖；圖5(C)是第三組應變片所貼位置示意圖。圖6是第一組應變片電橋連接示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明結構原理和工作原理作進一步詳細說明。如圖1、圖2所示，本發(fā)明具有過載保護功能的三軸力傳感器，包括底座1，彈性元件3通過四個螺釘15固定在底座1上端的圓形槽口內(nèi)，過載保護殼2通過四個內(nèi)六方螺釘 10卡在底座1上端的槽口外部，使過載保護殼2頂端和彈性元件3頂端水平，三個內(nèi)六方螺釘11安裝在過載保護殼2的頂部，電路板4由四個螺釘14固定在底座1下端內(nèi)，電路板4 上的六個側旋電位器的旋鈕18通過底座1上的開口 17露出，電路板4的輸出信號線和電源線通過底座1上的開孔16傳輸?shù)絺鞲衅魍獠?，電路?下部設置有底板5，底板5由四個螺釘13固定在底座1上，第一連接桿6 —端固定在彈性元件3頂端，第一連接桿6球形端與球鉸7鉸接，第二連接桿8固定在球鉸7上，第二連接桿8的另一端通過兩個內(nèi)六方螺釘 19卡住第三連接桿9，第三連接桿9與被測構件連接。電路板4的電路包括電源部分和信號放大部分，信號放大部分含有三個信號放大電路，分別對應三軸力傳感器測量每個軸上的力輸出的電壓信號，三個信號放大線路原理完全相同，且三個信號放大電路共用一個電源電路。如圖3所示，電源部分電路為，自恢復保險Fl —端和接口 OUT第一腳+24V相接， 另一端和肖基特二極管Dl正極相接，肖基特二極管Dl的負極和電容Cl及電感Ll相接，電容Cl的另一端和穩(wěn)壓電源模塊Ul的第一腳GND相接，同時和接口 OUT的第二腳OV相接，電感Ll的另一端和穩(wěn)壓電源模塊Ul的第二腳相接，穩(wěn)壓電源模塊Ul的第六腳+VO和電感L2 的一端相接，電感L2的另一端和電容C3、電容C2以及穩(wěn)壓器U2的第三腳VIN相接，并引出 +12V端，為信號放大電路提供+12V的電壓，電容C2、電容C3的另一端和信號地AGND相接， 穩(wěn)壓電源模塊Ul第七腳OV和信號地AGND相接，穩(wěn)壓電源模塊Ul的第八腳-VO和電感L4 的一端相接，L4的另一端和電容C6、電容C7以及穩(wěn)壓器U3的第二腳VIN相接，并引出-12V 端，為信號放大電路提供-12V的電壓，電容C6、電容C7的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U2的第一腳VOUT和電容C4的一端相接，并引出+5V端，為信號放大電路提供+5V的電壓，電容C4的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U2的第二腳GND和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U3的第三腳VOUT和電容C9的一端相接，并引出-5V端，為信號放大電路提供-5V的電壓，電容C9的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U3的第一腳GND和信號地AGND相接； 接口 OUT第一腳+24V和第二腳OV分別和MVDC電源正負極相接，接口 OUT第三腳OUTx，第四腳OUTy，第五腳OUTz分別和第一軸，第二軸，第三軸放大后的電橋輸出信號相接，第六腳和信號地AGND相接。電感L5 —端和信號地AGND相接，另一端和電容C13相接，電容C13 的另一端和機殼地GND相接。如圖4所示，測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路為，接口 INX第一腳+5V、 第四腳-5V分別和電源電路的+5V端、-5V端相接，接口 INX的第二腳-INX和芯片U4x的第二腳-IN相接，接口 INX的第三腳+INX和芯片U4x的第三腳+IN相接，電阻Rl的兩端分別和芯片U4x第一腳-RG、第八腳+RG相接，芯片Mx第四腳-VS、芯片TOx第四腳V-跟電源電路的-12V端相接，芯片U4x第七腳+VS、芯片U5x第八腳V+跟電源電路的+12V端相接， 芯片U4x的第五腳REF和芯片U5x的第一腳0UTA、芯片U5x的第二腳-INA相接，芯片U4x 的第六腳OUT和電阻R5 —端相接，電阻R5的另一端和電容C10、芯片U5x的第五腳+INB相接，電容ClO的另一端和信號地AGND相接，芯片TOx的第三腳+INA和側旋電位器x0的第二腳相接，側旋電位器x0的第一腳和電阻R2相接，側旋電位器x0的第三腳和電阻R3相接， 電阻R2的另一端和電源電路的+5V端相接，電阻R3的另一端和電源電路的-5V端相接，芯片U5x的第六腳-INB和側旋電位器χ第二腳相接，側旋電位器χ的第一腳和電阻R6相接， χ的第三腳和電阻R7相接，電阻R6的另一端和信號地AGND相接，電阻R7的另一端和芯片 U5x的第七腳0UTB、電源電路接口 OUT第三腳OUTx相接。如圖5所示，彈性元件上有三組應變片，第一組貼在彈性元件的上部側面，第二組應變片貼在彈性元件中部側面，第三組應變片貼在彈性元件底部，第一組應變片包括第一應變片RA1、第二應變片RB1、第三應變片RCl和第四應變片RD1，四個應變片組成全橋用來測量第一軸上的力，第二組應變片包括第一應變片RA2、第二應變片RB2、第三應變片RC2和第四應變片RD2，四個應變片組成全橋用來測量第二軸上的力，第三組應變片包括第一應變片RA3、第二應變片RB3、第三應變片RC3和第四應變片RD3，四個應變片組成全橋用來測量第三軸上的力。如圖6所示，第一組應變片為第一應變片RAl —端和第四應變片RDl相接，并和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第一腳+5V相接，第一應變片 RAl另一端和第二應變片RBl相接，并和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第二腳-INX相接。第三應變片RCl兩端分別和第四應變片RD1、第二應變片RBl未與第一應變片RAl相接的那一端相接，與第四應變片RDl相接那一端還和和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第三角腳+INX相接，與第二應變片RBl相接的那一端還和和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第四腳-5V 相接。第二組應變片、第三組應變片的橋路組成方法及接線方法和第一組應變片的完全相同。本發(fā)明的工作原理為被測構件受到力的作用引發(fā)彈性元件3的微小形變，進而彈性元件3上的應變片發(fā)生相應的形變，隨后同步影響到其和對應的接線端口相連接組成的惠斯通電橋輸出的電壓信號，輸出信號經(jīng)過底座1中電路板4中電路的放大作用，且可以通過底座1中的開口 17調節(jié)電路板上側旋電位器旋鈕18進而改變電路中電壓信號的放大倍數(shù)，這樣放大后的輸出信號，經(jīng)由導線通過底座1中的開孔16傳出，由此輸出電壓信號便可得到被測構件所受的力的大小。
權利要求
1.具有過載保護功能的三軸力傳感器，包括底座(1)，彈性元件⑶固定在底座⑴上端的槽口內(nèi)，第一連接桿(6) —端固定在彈性元件C3)頂端，第一連接桿(6)球形端與球鉸(7)鉸接，第二連接桿(8)固定在球鉸(7)上，第二連接桿(8)的另一端卡住第三連接桿 (9)，第三連接桿(9)與被測構件連接，其特征在于過載保護殼( 卡在底座(1)上端槽口外部，使過載保護殼( 頂端和彈性元件C3)頂端水平，三個內(nèi)六方螺釘(11)安裝在過載保護殼( 的頂部，電路板(4)固定在底座(1)下端內(nèi)，電路板(4)上的六個側旋電位器的旋鈕(18)通過底座⑴上的開口 17露出，電路板(4)的輸出信號線和電源線通過底座 ⑴上的開孔(16)傳輸?shù)絺鞲衅魍獠?，電路板⑷下部設置有底板(5)，底板(5)固定在底座⑴上。
2.根據(jù)權利要求1所述的三軸力傳感器，其特征在于所述電路板(4)的電路包括電源部分和信號放大部分，信號放大部分含有三個信號放大電路，分別對應三軸力傳感器測量每個軸上的力輸出的電壓信號，三個信號放大線路原理完全相同，且三個信號放大電路共用一個電源電路。
3.根據(jù)權利要求2所述的三軸力傳感器，其特征在于所述電源部分電路為，自恢復保險Fl —端和接口 OUT第一腳+24V相接，另一端和肖基特二極管Dl正極相接，肖基特二極管Dl的負極和電容Cl及電感Ll相接，電容Cl的另一端和穩(wěn)壓電源模塊Ul的第一腳GND 相接，同時和接口 OUT的第二腳OV相接，電感Ll的另一端和穩(wěn)壓電源模塊Ul的第二腳相接，穩(wěn)壓電源模塊Ul的第六腳+VO和電感L2的一端相接，電感L2的另一端和電容C3、電容 C2以及穩(wěn)壓器U2的第三腳VIN相接，并引出+12V端，為信號放大電路提供+12V的電壓，電容C2、電容C3的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓電源模塊Ul第七腳OV和信號地AGND相接，穩(wěn)壓電源模塊Ul的第八腳-VO和電感L4的一端相接，電感L4的另一端和電容C6、電容 C7以及穩(wěn)壓器U3的第二腳VIN相接，并引出-12V端，為信號放大電路提供-12V的電壓，電容C6、電容C7的另一端和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U2的第一腳VOUT和電容C4的一端相接，并引出+5V端，為信號放大電路提供+5V的電壓，電容C4的另一端和信號地AGND相接， 穩(wěn)壓器U2的第二腳GND和信號地AGND相接，穩(wěn)壓器U3的第三腳VOUT和電容C9的一端相接，并引出-5V端，為信號放大電路提供-5V的電壓，電容C9的另一端和信號地AGND相接， 穩(wěn)壓器U3的第一腳GND和信號地AGND相接；接口 OUT第一腳+24V和第二腳OV分別和MVDC電源正負極相接，接口 OUT第三腳 OUTx，第四腳OUTy，第五腳OUTz分別接第一軸，第二軸，第三軸放大后的電橋輸出信號，第六腳和信號地AGND相接，電感L5 —端和信號地AGND相接，另一端和電容C13相接，C13的另一端和機殼地GND相接。
4.根據(jù)權利要求2所述的三軸力傳感器，其特征在于所述測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路為，接口 INX第一腳+5V、第四腳-5V分別和電源電路的+5V端、-5V端相接，接口 INX的第二腳-INX和芯片U4x的第二腳-IN相接，接口 INX的第三腳+INX和芯片U4x的第三腳+IN相接，電阻Rl的兩端分別和芯片U4x第一腳-RG、第八腳+RG相接，芯片Mx第四腳-VS、芯片TOx第四腳V-跟電源電路的-12V端相接，芯片U4x第七腳+VS、芯片U5x第八腳V+跟電源電路的+12V端相接，芯片U4x的第五腳REF和芯片U5x的第一腳 0UTA、芯片U5x的第二腳-INA相接，芯片U4x的第六腳OUT和電阻R5 —端相接，電阻R5的另一端和電容ClO、芯片U5x的第五腳+INB相接，電容ClO的另一端和信號地AGND相接，芯片Uh的第三腳+INA和側旋電位器xO的第二腳相接，側旋電位器xO的第一腳和電阻R2 相接，側旋電位器xO的第三腳和電阻R3相接，電阻R2的另一端和電源電路的+5V端相接， 電阻R3的另一端和電源電路的-5V端相接，芯片U5x的第六腳-INB和側旋電位器χ第二腳相接，χ的第一腳和電阻R6相接，χ的第三腳和電阻R7相接，電阻R6的另一端和信號地 AGND相接，電阻R7的另一端和芯片U5x的第七腳0UTB、電源電路接口 OUT第三腳OUTx相接。
5.根據(jù)權利要求1所述的三軸力傳感器，其特征在于所述彈性元件上有三組應變片， 第一組貼在彈性元件的上部側面，第二組應變片貼在彈性元件中部側面，第三組應變片貼在彈性元件底部，第一組應變片包括第一應變片RA1、第二應變片RB1、第三應變片RCl和第四應變片RD1，四個應變片組成全橋用來測量第一軸上的力，第二組應變片包括第一應變片 RA2、第二應變片RB2、第三應變片RC2和第四應變片RD2，四個應變片組成全橋用來測量第二軸上的力，第三組應變片包括第一應變片RA3、第二應變片RB3、第三應變片RC3和第四應變片RD3，四個應變片組成全橋用來測量第三軸上的力。
6.根據(jù)權利要求5所述的三軸力傳感器，其特征在于所述第一組應變片為第一應變片RAl —端和第四應變片RDl相接，并和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第一腳+5V相接，第一應變片RAl另一端和第二應變片RBl相接，并和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第二腳-INX相接。第三應變片RCl兩端分別和第四應變片RD1、第二應變片RBl未與第一應變片RAl相接的那一端相接，與第四應變片RDl相接那一端還和和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第三角腳+INX相接，與第二應變片RBl相接的那一端還和和測量第一個軸上的力所對應的信號放大電路上的接口 INX的第四腳-5V相接。
7.根據(jù)權利要求5所述的三軸力傳感器，其特征在于所述第二組應變片、第三組應變片的橋路組成方法及接線方法和第一組應變片的完全相同。
全文摘要
具有過載保護功能的三軸力傳感器，包括底座，彈性元件固定在底座上端的槽口內(nèi)，第一連接桿一端固定在彈性元件頂端，第一連接桿球形端與球鉸鉸接，第二連接桿固定在球鉸上，第二連接桿的另一端卡住第三連接桿，第三連接桿與被測構件連接，過載保護殼卡在底座上端的槽口外，過載保護殼頂端和彈性元件頂端水平，三個內(nèi)六方螺釘安裝在過載保護殼的頂部，電路板固定在底座下端內(nèi)，電路板上的旋鈕通過底座上的開口露出，電路板的輸出信號線和電源線通過底座上的開孔傳輸?shù)絺鞲衅魍獠?，電路板下部設置有固定在底座上底板；本傳感器很好的解決了安裝和使用過程中彈性元件過載，內(nèi)嵌的放大電路使輸出信號的遠距離傳輸導致的信噪比很低的現(xiàn)象得到明顯改善。
文檔編號G01L1/22GK102519635SQ20111038909
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權日2011年11月30日
發(fā)明者馮勃, 盧天健, 安增勇, 徐明龍, 王戰(zhàn), 翟崇樸, 陶福洋 申請人:西安交通大學