专利名称：测力传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种外力的测量仪器。特别适应于对机器人触觉系统中所加双向外力的测量。
在工业生产和各种科学研究、实验中，常用到应变测力传感器，这些传感器一般是环式或梁式结构，主要用于检测单向力或称重，如圆环式应力测力传感器包括与电阻应变片连接的电桥和按一定规定粘贴有电阻应变片的弹性体组成，但他只能检测径向作用于圆环的单向外力。而在需要测量双向力和三向力时，则现有的各类测力传感器及称重传感器因结构复杂，或体积过大、安装不便、成本高等原因不能很好地满足要求。
本实用新型的目的是提供一种结构简单、体积小、制造成本低、安装方便的测力传感器。
为了实现上述实用新型的目的，其技术方案是在现有的测力传感器基础上，对弹性体和电阻应变片在弹性体上的布置作如下改进，弹性体由对称环体和一端固定在该对称环体上的直梁构成，同时使对称环体的中心和弹性体的受力点与直梁的中心在同一直线上，以该直线为弹性体的对称轴，在对称环体相对的内外环体上和直梁的左右侧壁上，分别正对地粘贴电阻应变片，将每一对应变片分别接入差动电桥相邻臂，组成全桥电桥。
本测力传感器具有结构简单、成本低、安装方便、体积小等优点。
图1为本实用新型的主视图，图2为本实用新型的左视图，图3为本实用新型受水平外力作用时的受力图，图4为本实用新型受垂直外力作用时的受力图。
以下结合附图对本实用新型作进一步描述通过改变测力传感器对称环体的形状或其断面形状和尺寸，以及直梁的断面形状和尺寸，可制作一系列不同量程和精度的单向力或双向力测力传感器，供不同条件下使用。对称环体的形状为圆环体或椭圆环体或方形环体，对称环体的断面形状以及直梁的断面形状为园环或椭圆或矩形等。
图1、图2为测力传感器结构图，弹性体用金属弹性材料作成具有矩形横断面的圆环体和一端固定在该圆环体上的直梁构成，圆环体[1]内半径R为12mm，直梁[4]L长为10mm，弹性体横断面为矩形，厚h为0.3mm，宽b为8mm，同时使对称圆环体的中心和弹性体的受力点与直梁的中心在同一直线上，并以该直线为弹性体的对称轴，在对称圆环体的左右相对位置A、B处的内外环体壁上和直梁中点C处的左右侧壁上，分别正对地粘贴电阻应变片[7]、[8]，[2]、[3]和[5]、[6]，设每一对应变片电阻值分别为R1和R2，工作时每一对应变片中一片受拉应力，另一片受压应力，将每一对应变片分别接入差动电桥相邻臂，组成全桥电桥。
图3、图4中，设F为所测量的垂直外力，P为所测量的水平外力，当传感器只单独受垂直外力F作用和水平外力P作用时，可由圆环体和直梁上的电阻应变片分别检测。当传感器同时受垂直外力F和水平外力P作用时，由于水平外力还会影响圆环体的应力状况，而垂直外力则会影响直梁的应力状况，所以不能单独用圆环体来测量垂直外力，也不能单纯用直梁式结构来测量水平外力，否则将会产生不可忽略的误差，从而无法精确测量两个方向的外作用力。为了解决这一问题，首先我们通过分析水平外力P在圆环体A、B处截面形成的应力状况和垂直外力F在直梁C处截面形成的应力状况，通过对该测力传感器建立数学模型，进行受力分析，建立方程组，最终计算得出A、B、C各点的应变与被测外力的关系如下。1.当传感器仅受水平外力P作用时，
F＝0其中E为弹性体的弹性模量；h为圆环体厚；b为圆环体宽；εC为梁受水平外力作用时在C处引起的应变，l为直梁长。2.当传感器仅受垂直外力F作用时，P＝0F=11.09Rbh2ϵAE]]>其中εA为短梁垂直外力作用时在A处引起的应变；R为圆环体内半径。3.传感器同时受水平外力P和垂直外力F双向外力作用时，P=16lbh2ϵcE]]>F=12·bh2E1.09R(ϵ1+ϵ2-PR16bh2E)]]>其中ε1、ε2为传感器同时受水平外力和垂直外力作用时A、B处的应变值，由上可知当传感器同时受到垂直外力F和水平外力P的双向力作用时，会共同影响园环体和直梁的应力状况，当初始电阻为R1＝R2＝R2＝R4＝R，应变引起电阻变化为ΔR1＝ΔR2＝ΔR时，输出电压与ΔR/R成线性关系，通过检测输出电压，就可测出应变片在受外力作用下的应变状况，从而测出此时测力传感器上所受垂直外力F和水平外力P的大小，通过选取弹性体横断面矩形的宽厚比b/h和改变圆环体[1]的内半径及直梁[4]的尺寸，可制作一系列不同量程和精度的测力传感器，以供不同实验条件下使用。
权利要求1.一种测力传感器，包括与电阻应变片连接的电桥、弹性体，其特征在于所述弹性体由对称环体和一端固定在该对称环体上的直梁构成，同时使对称环体的中心和弹性体的受力点与直梁的中心在同一直线上，以该直线为弹性体的对称轴，在对称环体相对的内外环体上和直梁的左右侧壁上，分别正对地粘贴电阻应变片。
2.根据权利要求1所述的测力传感器，其特征在于对称环体的形状为圆环体或椭圆环体或方形环体，对称环体的断面形状以及直梁的断面形状为园环或椭圆或矩形。
专利摘要一种测力传感器,属外力的测量仪器。用于解决对机器人触觉系统中所加外力的测量。本方案中的弹性体由环体和直梁固定连接而成,在弹性体的环和梁的各对称点内外边处,分别粘贴成对电阻应变片,并组成全桥电桥,特别用来检测机器人触觉系统所受双向外力的大小,也可测单向外力。具有结构简单、成本低、安装方便、体积小等优点。通过选取弹性体的不同断面形状和尺寸,可制作一系列不同量程和精度的测力传感器。
文档编号G01L1/04GK2385325SQ9923245
公开日2000年6月28日 申请日期1999年8月27日 优先权日1999年8月27日
发明者潘英俊, 秦岚, 刘京诚, 乔生仁 申请人:重庆大学