[实用新型]一种应变式三维力传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及力学测量装置，具体地讲是一种应变式三维力学传感器。

背景技术

随着航空航天的发展，各种航空航天器材的发明应用，提高航空航天器材性能的主要途径分为两种，一是提高推动力，即尽可能减小发动机重量的前提下实现高效率的推力；二是减少阻力，即用合理的气动外形来减少阻力。其力的有效测量工具之一就是高精度力学传感器。

传统的一维力学传感器，只能测出一个方向力的大小，面对不断变化力的方向，在航空航天试验使用中有很大的局限性，需要采用三维力传感器，但现有三维力传感器不能将力进行彻底分解，难以达到航空航天试验的要求。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种可以将力彻底分解为指定空间坐标系三个方向的高精度应变式三维力传感器，从而精确测得空间力的大小和作用方向。

实现本实用新型的技术方案是：一种应变式三维力传感器，包括弹性元件、应变计和测量电路，所述弹性元件上部有在筒壁上设置的支撑柱和加载柱，两两位置交叉，加载柱与支撑柱由环形应变梁的上下侧连接；所述弹性元件下部为前、后柱梁与左、右柱梁分别对称设置。

所述支撑柱有四个，加载柱有四个，上下分布，交叉45度，将环形应变梁分成八等份。

所述环形应变梁的截面为矩形。

所述前、后柱梁与左、右柱梁几何尺寸相同，四个柱梁长度相同。

所述应变计粘贴在加载柱两侧的应变梁上边以及对应的应变梁下边。

所述应变计粘贴在前、后柱梁与左右柱梁的内侧面上下位置和外侧面上下位置。

弹性元件的上述结构使得测量左右的力左右柱梁与测量前后的力的前、后柱梁并联，再与测量上下的力的环形应变梁串联，即用串并联联合结构的型式实现力的分解与测量。

弹性元件的材料为马氏体时效钢（00Ni18Co8Mo5TiAl），该材料具有良好的弹性、较高的强度、较高的冲击韧性和疲劳强度、有较小的线膨胀系数、有良好的弹性模量随温度变化的稳定性以及有良好的机械加工性能与热处理工艺性能，保证传感器的测量精度和稳定性。

应变计是感应元件，粘贴在弹性体上，随着弹性体变形，应变计长度发生变化，应变计中电阻丝也发生变化，即将测力试验时又外界力产生的弹性体变形转换为电阻大小变化，从而使作用在电阻上的电压信号发生改变实现力的测量。

测量电路采用的是惠更斯电桥方式，为应变计提供稳定的电压，同时将弹性体变形产生的信号提取出来，实现力的测量。

本实用新型的有益效果是：

1、柱梁式结构并联设计，实现两径向力测量的同时，提高了传感器的刚度。交叉梁式构造与柱梁式结构串并联组合，具有载荷范围大、测量精度高、结构简单、机加工易于实现等优点。

2、实现力在指定空间坐标系三个方向的彻底分解，相互干扰小。

3、弹性体在灵敏度满足要求的前提下刚度足够大，因而响应频率高。

4、线性、重复性好，蠕变、滞后小，测量精度高。

5、结构简单，易于加工和工艺处理。

附图说明

图1  本实用新型三维力传感器弹性体立体示意图；

图2  本实用新型三维力传感器弹性主视示意图；

图3  本实用新型三维力传感器弹性A-A视图；

图4  本实用新型三维力传感器弹性B-B视图；

图5  本实用新型三维力传感器弹性C-C视图；

图6  本实用新型三维力传感器应变计粘贴位置主视示意图；

图7  本实用新型三维力传感器应变计粘贴位置俯视示意图；

图中标号：1—底座，2—前柱梁，3—后柱梁，4—左柱梁，5—右柱梁， 6—支撑柱， 7 —应变梁，8—加载柱， 9—应变计。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种应变式三维力传感器，包括弹性元件、应变计和测量电路，所述弹性元件上部有在筒壁上设置的支撑柱6和加载柱8，两两位置交叉，加载柱8与支撑柱6由环形应变梁7的上下侧连接；所述弹性元件下部为前后柱梁2、3与左右柱梁4、5分别对称设置。所述支撑柱6有四个，加载柱8有四个，上下分布，交叉45度，将环形应变梁分成八等份。所述环形应变梁7的截面为矩形。所述前后柱梁2、3与左右柱梁4、5几何尺寸相同，四个柱梁长度相同，立于底座1上。弹性元件的上述结构使得测量左右的力左右柱梁4、5与测量前后的力的前后柱梁2、3并联，再与测量上下的力的环形应变梁7串联，即用串并联联合结构的型式实现力的分解与测量。