[发明专利]轮辐与中心销柱组合式三维力传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术应用领域，具体涉及一种新型的三维力传感器，主要应用于三维力检测。

背景技术

三维力传感器广泛应用于机械制造、机械人、试验检测等领域。目前国内外常见的传感器主要有应变式和压电晶体两种,而弹性体结构可分为悬臂梁型、双梁型、四梁型、岛型、轮辐型等。同时，目前已经开发了基于斯帝瓦特（Stewart）结构的多传感器并联解耦三维力传感器。然而，这些传感器存在结构复杂、线性度不好、刚度低、不便于标定、灵敏度偏低、制造成本较高等缺陷，而且，已开发的三维力传感器往往是利用拉伸、压缩和弯曲应力，即正应力的原理实现载荷测量，存在如下缺点：加力点的变化会引起灵敏度的较大变化；进行拉、压循环加载时灵敏度的偏差比较大；抗偏心载荷和侧向载荷的能力差；需要较大的高度或宽度，故体积大；不能进行小载荷的测量等。这些问题影响了测力与称重传感器主要技术指标的提高。同时，这些传感器安装固定不方便，为多个三维力传感器并联使用带来困难，不能满足轨道车辆转向架参数测试的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种测量精度高、结构紧凑的轮辐与中心销柱组合式三维力传感器。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种轮辐与中心销柱组合式三维力传感器，其特征在于：

该传感器由弹性体1和应变片组2组成，所述弹性体1为一整体式对称结构，由轮辐基座3、筋板5与中心销柱4组成，所述中心销柱4通过筋板5连接在轮辐基座3的中心处，中心销柱4面上包含四个矩形侧面，其中两两对称平行并与XY平面即轮辐基座3底平面垂直，所述筋板5为四块，其上包含八个与XY平面垂直的侧面，所述应变片组2包括12个应变片对，

分别粘贴在弹性体1中的中心销柱4上的四个矩形侧面和四块筋板5的八个与XY平面垂直的侧面上，所述应变片组2随弹性体1形状变化产生应变导致电阻变化，并通过应变片组成的惠斯登电桥输出分别与三方向分力F_X、F_Y、F_Z成线性正比变化的三个电压信号。

所述中心销柱4面上的四个矩形侧面包括：方柱第一侧面10、方柱第二侧面11、方柱第三侧面12及方柱第四侧面13，其中，方柱第一侧面10与方柱第三侧面12与X轴平行，方柱第二侧面11与方柱第四侧面13与Y轴平行，四块筋板5上包含八个与XY平面垂直的侧面。

所述应变片组2的第一应变片对22、第二应变片对23、第三应变片对24和第四应变片对25分别对应粘贴在中心销柱4的方柱第一侧面10、方柱第二侧面11、方柱第三侧面12和方柱第四侧面13上的四个侧面上，第五应变片对26、第六应变片对27、第七应变片对28、第八应变片对29、第九应变片对30、第十应变片对31、第十一应变片对32和第十二应变片对(33)分别对应粘贴在弹性体1中四个筋板5的八个侧面上。

所述应变片组2中每一个应变片对均包括两个完全相同的单轴应变片，粘贴在弹性体1的同一侧面上两个应变片纵向中心对称线与分力F平行的轴线方向夹角分别为45°及135°。

所述第一应变片对22及第三应变片对24中1a单轴应变片34、2a单轴应变片(36)的纵向中心对称轴线与X轴呈45°夹角，1b单轴应变片35、2b单轴应变片(37)的纵向中心对称轴线与X轴呈135°夹角；第二应变片对23及第四应变片对25中3a单轴应变片38、4a单轴应变片(40)的纵向中心对称轴线与Y轴呈45°夹角，3b单轴应变片39、4b单轴应变片(41)的纵向中心对称轴线与Y轴呈135°夹角；

粘贴在四个筋板5的八个侧面上八个应变片对中的两个单轴应变片的纵向对称中心线与Z方向即垂直于XY平面方向夹角分别为45°及135°。

所述第一应变片对22及第三应变片对24中四个应变片组成一个惠斯顿电桥，形成用于测量X轴方向分力的全桥测量电路；第二应变片对23及第四应变片对25组成一个惠斯顿电桥，用于测量Y轴方向分力的全桥测量电路。