用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，屬一種力傳感器，所述三維力傳感器中包括彈性體結(jié)構(gòu)的受力部分、中間部分與固定部分，所述受力部分置于中間部分的上方，固定部分置于中間部分的下方，所述中間部分的中部附近設(shè)有呈橫向的通孔，所述中間部分與固定部分之間還設(shè)有接線座，所述接線座中間部分上均貼有多個(gè)應(yīng)變片，通過在彈性體結(jié)構(gòu)上增設(shè)橫向的通孔，有效地提高了傳感器對(duì)三維力測(cè)量的精度和降低了多維力傳感器的維間耦合的問題，結(jié)合在中間部分上部和下部設(shè)計(jì)的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低維間的耦合，依靠三組應(yīng)變片分別測(cè)量X軸、Y軸及Z軸方向上的力，且傳感器上沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，固有頻率高。
【專利說明】用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種力傳感器，更具體的說，本發(fā)明主要涉及一種用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維力傳感器已經(jīng)用在各行各業(yè)，1996年，上海第二醫(yī)科大學(xué)使用三維測(cè)力平臺(tái)測(cè)量6例股骨頭壞死病人術(shù)前術(shù)后步行三維步行足一地接觸力，并與正常人做比較。采用箔式電阻應(yīng)變片粘貼在金屬?gòu)椥泽w上，制成三維力傳感器。用4個(gè)這樣的傳感器分別在四角支撐起力板，配合動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡，組成整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。2002年，合肥智能機(jī)械所孫立寧等設(shè)計(jì)出了一種新型的三維力傳感器。考慮了傳統(tǒng)力學(xué)量傳感器的動(dòng)力學(xué)性能和靜態(tài)標(biāo)定指標(biāo)等特性，對(duì)其各維靈敏度及維間耦合系數(shù)等指標(biāo)予以充分考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)做到了對(duì)所測(cè)維的力有較好的靈敏度，而對(duì)于非所測(cè)維力盡可能不靈敏，這樣使維間耦合小，同時(shí)保證整個(gè)結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。三個(gè)方向的力量程均為O?3000N。2005年南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所研制出用于昆蟲爬行腳掌接觸力測(cè)試的3維微載荷傳感器陣列，該系統(tǒng)包括傳感單元16個(gè)3維微載荷傳感器，NI應(yīng)變式測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)微小3維力的測(cè)試、數(shù)據(jù)處理，傳感器的量程為±10mN，經(jīng)過黃斑蠢的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)可以較好的測(cè)試出昆蟲腳掌與不同的接觸面之間的作用力大小和方向。然而目前在汽車行業(yè)的后橋測(cè)量系統(tǒng)的三維力測(cè)量上仍缺乏應(yīng)用的測(cè)量精度，導(dǎo)致汽車成品的后橋存在因三維力測(cè)量精度而導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷，因此有必要針對(duì)三維力傳感器在汽車行業(yè)的應(yīng)用做進(jìn)一步的改進(jìn)和研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的之一在于針對(duì)上述不足，提供一種用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，以期望解決現(xiàn)有技術(shù)中汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)精度不高，使得汽車成品存在因后橋三維力測(cè)量不精而導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷等技術(shù)問題。
[0004]為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明所提供的一種用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，所述三維力傳感器中包括彈性體結(jié)構(gòu)的受力部分、中間部分與固定部分，所述受力部分置于中間部分的上方，固定部分置于中間部分的下方，所述中間部分的中部設(shè)有呈橫向的通孔，所述中間部分與固定部分之間還設(shè)有接線座，所述接線座與中間部分上均貼有多個(gè)應(yīng)變片，所述多個(gè)應(yīng)變片分為至少三組，每組組成惠斯通電橋，用于分別測(cè)量X軸、Y軸與Z軸方向的力。
[0006]作為優(yōu)選，進(jìn)一步的技術(shù)方案是:所述多個(gè)應(yīng)變片至少為12個(gè)，且平均分為三組，其中由Rl、R2、R3、R4組成的第一惠斯通電橋位于中間部分的橫向通孔兩側(cè)邊的內(nèi)側(cè)和外偵牝由R5、R6、R7、R8組成的第二惠斯通電橋以及由R9、RlO、Rll、R12組成的第三惠斯通電橋均置于接線座不同的邊緣上，且同一惠斯通電橋中的應(yīng)變片兩兩相互對(duì)稱。
[0007]更進(jìn)一步的技術(shù)方案是:所述多個(gè)應(yīng)變片組成的惠斯通電橋的其中一端接入直流電源，另一端接入傳感信號(hào)接收裝置。
[0008]更進(jìn)一步的技術(shù)方案是:所述傳感信號(hào)接收裝置中包括放大電路、數(shù)據(jù)采集電路與PC終端，用于由各個(gè)惠斯通電橋?qū)⑹芰Ξa(chǎn)生的電壓值傳輸至放大電路，由放大電路將電壓值進(jìn)行放大后經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路傳輸至PC終端，從而在PC終端得到三維力傳感器當(dāng)前的力測(cè)試值。
[0009]更進(jìn)一步的技術(shù)方案是:所述受力部分與中間部分之間還設(shè)有第一臺(tái)階，所述接線座與固定部分之間還設(shè)有第二臺(tái)階。
[0010]更進(jìn)一步的技術(shù)方案是:所述受力部分頂部在與中間部分的橫向通孔軸向相交叉的方向上朝一側(cè)傾斜。
[0011]更進(jìn)一步的技術(shù)方案是:所述中間部分中部附近的通孔為圓形通孔，且中間部分、接線座與固定部分均為矩形體。
[0012]更進(jìn)一步的技術(shù)方案是:所述受力部分的頂部設(shè)有用于與測(cè)試安裝架固定的螺紋孔。
[0013]更進(jìn)一步的技術(shù)方案是:所述固定部分上還設(shè)有多個(gè)圓形孔。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果之一是:通過在彈性體結(jié)構(gòu)上增設(shè)橫向的通孔，有效地提高了傳感器對(duì)三維力測(cè)量的精度和降低了多維力傳感器的維間耦合的問題，結(jié)合在中間部分上部和下部設(shè)有的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低維間的耦合，依靠三組應(yīng)變片分別測(cè)量X軸、Y軸及Z軸方向上的力，且傳感器上沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此靈敏度高，測(cè)量準(zhǔn)確，固有頻率高，同時(shí)本發(fā)明所提供的一種用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于安裝在各類汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)量其三維力的大小，應(yīng)用范圍廣闊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為用于說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為圖1的右視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為用于說明本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中由應(yīng)變片組成的惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖5為用于說明本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例中三維力傳感器應(yīng)用結(jié)構(gòu)框圖。
[0020]圖中，I為受力部分、2為第一臺(tái)階、3為中間部分、4為橫向通孔、5為第二臺(tái)階、6為固定部分、7為接線座、8為圓形孔、9為圓形孔、10為圓形孔、11為圓形孔、12為圓形孔、13為圓形孔、14為螺紋孔、15為螺紋孔、16為螺紋孔、17為螺紋孔。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0022]參考圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例為一種用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，在本實(shí)施例中三維力傳感器中應(yīng)當(dāng)包括彈性體結(jié)構(gòu)的受力部分1、中間部分3與固定部分6，所述受力部分I置于中間部分3的上方，固定部分6置于中間部分3的下方，所述中間部分3的中部設(shè)有呈橫向的通孔4，所述中間部分3與固定部分6之間還設(shè)有接線座7，所述接線座7與中間部分3上均貼有多個(gè)應(yīng)變片，所述多個(gè)應(yīng)變片分為至少三組，每組組成惠斯通電橋，用于分別測(cè)量X軸、Y軸與Z軸方向的力。前述彈性體可采用高強(qiáng)度的彈簧鋼加工制成。
[0023]在本實(shí)施例中，發(fā)明人最大的改進(jìn)在于根據(jù)應(yīng)力集中的相關(guān)原理，在彈性體的中間部分設(shè)有橫向的通孔4，有效地提高了傳感器對(duì)三維力測(cè)量的精度和降低了多維力傳感器的維間耦合。同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中，為便于上述結(jié)構(gòu)的設(shè)置，中間部分3中部附近的通孔4可設(shè)置為圓形通孔4，且中間部分3、接線座7與固定部分6均可設(shè)置為矩形體。正如上述所提到的，本發(fā)明所提出的傳感器是基于電阻應(yīng)變式研制而成的。
[0024]結(jié)合參考圖2及圖3及圖4所示，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，為進(jìn)一步提升多組應(yīng)變片對(duì)力傳感的靈敏度，最好將上述的多個(gè)應(yīng)變片至少為12個(gè)，且平均分為三組，其中由Rl、R2、R3、R4組成的第一惠斯通電橋位于中間部分3的橫向通孔4兩側(cè)邊的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，由R5、R6、R7、R8組成的第二惠斯通電橋以及由R9、R10、R11、R12組成的第三惠斯通電橋均置于接線座7不同的邊緣上，且同一惠斯通電橋中的應(yīng)變片兩兩相互對(duì)稱。
[0025]其中，第一組應(yīng)變片組由Rl、R2、R3和R4組成，測(cè)量X方向的力，當(dāng)Fx作用時(shí)，Rl和R2受到壓應(yīng)力的作用，R3和R4受到拉應(yīng)力的作用，組成如圖4所示的惠斯通電橋；第二組應(yīng)變片組由R5、R6、R7和R8組成，測(cè)量Y方向上的力，當(dāng)Fy作用時(shí)，R5和R6受到拉應(yīng)力的作用，R7和R8受到壓應(yīng)力的作用，組成如圖4所示的惠斯通電橋；第三組應(yīng)變片組由R9、RIO、Rll和R12組成，測(cè)量Z方向上的力，當(dāng)Fz作用時(shí)，R9和RlO受到拉應(yīng)力的作用，Rll和R12受到壓應(yīng)力的作用，組成如圖4所示的惠斯通電橋，上述的惠斯通電橋輸入端接入直流電源，根據(jù)橋路輸入電壓和輸出電壓的下述關(guān)系，得到輸出電壓。
[0026]V Q=— Sn +! J/
[0027]在上式中，Utl表不輸出電壓，Ui表不輸入電壓,K表不應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，ε P ε 2、ε 3和ε 4分析表示惠斯通電橋中四個(gè)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變量。
·[0028]最后根據(jù)傳感器某一方向上標(biāo)定出的輸出電壓和加載的力值關(guān)系得到該方向上的力值。
[0029]同時(shí)，為了方便走線，還可在彈性體設(shè)有一定形狀的線槽，實(shí)際使用中，可直接將多個(gè)應(yīng)變片組成的惠斯通電橋的其中一端接入直流電源，另一端接入傳感信號(hào)接收裝置。
[0030]參考圖5所示，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，發(fā)明人參考現(xiàn)有技術(shù)，認(rèn)為上述傳感信號(hào)接收裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)為:其中傳感信號(hào)接收裝置包括放大電路、數(shù)據(jù)采集電路與PC終端，用于由各個(gè)惠斯通電橋?qū)⑹芰Ξa(chǎn)生的電壓值傳輸至放大電路，由放大電路將電壓值進(jìn)行放大后經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路傳輸至PC終端，從而在PC終端通過軟件得到三維力傳感器當(dāng)前的力測(cè)試值。
[0031]再參考圖1及圖3所示，在本發(fā)明用于解決技術(shù)問題，更加優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施例中，為進(jìn)一步減小三維力傳感器維間的耦合性，還可在上述受力部分I與中間部分3之間增設(shè)第一臺(tái)階2，在接線座10與固定部分6之間還設(shè)有第二臺(tái)階5。并且，發(fā)明人認(rèn)為效果更優(yōu)的技術(shù)手段是在彈性體的固定部分上也增設(shè)多個(gè)圓形孔8、9、10、11、12、13。
[0032]仍然參考圖1所示，更進(jìn)一步的為了與汽車的“V”型架連接，在“V”型架的開口處各連接一個(gè)傳感器，可將上述彈性體結(jié)構(gòu)的受力部分I頂部設(shè)置為與中間部分3的橫向通孔4軸向相交叉的方向上朝一側(cè)傾斜，且為便于安裝，還可在受力部分I的頂部增設(shè)用于與測(cè)試安裝架固定的螺紋孔14、15、16、17。
[0033]按照上述多個(gè)實(shí)施例中所描述的傳感器結(jié)構(gòu)，在其實(shí)際測(cè)試三維力的過程中，例如當(dāng)Fx為120KN時(shí)，經(jīng)過有限元計(jì)算，彈性體結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力為395MPa，應(yīng)變量為:ε i =ε 2 =-9.26Χ10Λ ε 3 = ε 4 = 1.75 X 10_4，假設(shè)輸入電壓為5V，則輸出電壓為5.5mV ;第二組應(yīng)變片組由R5、R6、R7和R8組成，在Fy作用下，R5和R6受到拉應(yīng)力的作用，R7和R8受到壓應(yīng)力的作用，組成如圖4所示的惠斯通全橋電路，當(dāng)Fy為150KN時(shí)，經(jīng)過有限元計(jì)算，最大應(yīng)力為 lOOOMPa，ε 5 = ε 6 = 1.018 X 10-3，ε 7 = ε 8 =-1.018 X 10-3，假設(shè)輸入電壓為5V，則輸出電壓為10.18mV ;第三組應(yīng)變片組由R9、RIO、Rll和R12組成，在Fz作用下，R9和RlO受到拉應(yīng)力的作用，RlI和R12受到壓應(yīng)力的作用，組成如圖4所示的惠斯通全橋電路，當(dāng)Fz為150KN時(shí)，經(jīng)過有限元計(jì)算，最大應(yīng)力為1320MPa，ε 9 = ε 1(| = 1.127X 10-3，ε η = ε 12 = -1.127 X 10_3，假設(shè)輸入電壓為5V，則輸出電壓為11.27mV。基于上述試驗(yàn)可知，本發(fā)明的最大量程為百萬牛。[0034]然而除上述以外，還需要說明的是在本說明書中所談到的“一個(gè)實(shí)施例”、“另一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”等，指的是結(jié)合該實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)包括在本申請(qǐng)概括性描述的至少一個(gè)實(shí)施例中。在說明書中多個(gè)地方出現(xiàn)同種表述不是一定指的是同一個(gè)實(shí)施例。進(jìn)一步來說，結(jié)合任一實(shí)施例描述一個(gè)具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)時(shí)，所要主張的是結(jié)合其他實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)這種特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0035]盡管這里參照本發(fā)明的多個(gè)解釋性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出很多其他的修改和實(shí)施方式，這些修改和實(shí)施方式將落在本申請(qǐng)公開的原則范圍和精神之內(nèi)。更具體地說，在本申請(qǐng)公開、附圖和權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以對(duì)主題組合布局的組成部件和/或布局進(jìn)行多種變型和改進(jìn)。除了對(duì)組成部件和/或布局進(jìn)行的變型和改進(jìn)外，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其他的用途也將是明顯的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述三維力傳感器中包括彈性體結(jié)構(gòu)的受力部分(I)、中間部分(3)與固定部分(6)，所述受力部分(I)置于中間部分(3)的上方，固定部分(6)置于中間部分(3)的下方，所述中間部分(3)的中部設(shè)有呈橫向的通孔(4)，所述中間部分(3)與固定部分(6)之間還設(shè)有接線座(7)，所述接線座(7)與中間部分(3)上均貼有多個(gè)應(yīng)變片，所述多個(gè)應(yīng)變片分為至少三組，每組組成惠斯通電橋，用于分別測(cè)量X軸、Y軸與Z軸方向的力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述多個(gè)應(yīng)變片至少為12個(gè)，且平均分為三組，其中由R1、R2、R3、R4組成的第一惠斯通電橋位于中間部分(3)的橫向通孔(4)兩側(cè)邊的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，由R5、R6、R7、R8組成的第二惠斯通電橋以及由R9、R10、R11、R12組成的第三惠斯通電橋均置于接線座(7)不同的邊緣上，且同一惠斯通電橋中的應(yīng)變片兩兩相互對(duì)稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述多個(gè)應(yīng)變片組成的惠斯通電橋的其中一端接入直流電源，另一端接入傳感信號(hào)接收裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述傳感信號(hào)接收裝置中包括放大電路、數(shù)據(jù)采集電路與PC終端，用于由各個(gè)惠斯通電橋?qū)⑹芰Ξa(chǎn)生的電壓值傳輸至放大電路，由放大電路將電壓值進(jìn)行放大后經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路傳輸至PC終端，從而在PC終端得到三維力傳感器當(dāng)前的力測(cè)試值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述受力部分(I)與中間部分(3)之間還設(shè)有第一臺(tái)階(2)，所述接線座(7)與固定部分(6)之間還設(shè)有第二臺(tái)階(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述受力部分(I)頂部在與中間部分(3)的橫向通孔(4)軸向相交叉的方向上朝一側(cè)傾斜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述中間部分(3)中部的通孔(4)為圓形通孔(4)，且中間部分(3)、接線座(7)與固定部分(6)均為矩形體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述受力部分(I)的頂部設(shè)有用于與測(cè)試安裝架固定的螺紋孔(14、15、16、17)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的用于汽車后橋測(cè)試系統(tǒng)的三維力傳感器，其特征在于:所述固定部分(6)上還設(shè)有多個(gè)圓形孔(8、9、10、11、12、13)。
【文檔編號(hào)】G01L1/22GK103575435SQ201310470732
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】戴振東, 姚舉祿, 吉愛紅, 相立峰 申請(qǐng)人:南京神源生智能科技有限公司