申请/专利权人：蚌埠学院

申请日：2018-12-20

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN109540364B

主分类号：G01L5/1627

分类号：G01L5/1627

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.04.23#实质审查的生效;2019.03.29#公开

摘要：本发明公开了一种旋转三分力传感器，包括与传动轴同轴布置的壳体，所述的壳体的一端与传动轴连接、另一端与执行机构连接；所述的壳体的内腔设置有X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区，所述的X方向、Y方向对应传动轴的径向且两者夹角为90°，所述的Z方向对应传动轴的轴向，所述的X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区皆贴有金属箔式应变片，壳体的内腔设置有与X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区的金属箔式应变片连接的信号处理电路，所述的信号处理电路与无线发射电路连接。无需信号传输线缆，避免滑环结构的摩擦损耗问题，确保检测传动轴在旋转时的X、Y、Z三方向分力。

主权项：1.一种旋转三分力传感器，其特征在于：包括与传动轴（2）同轴布置的壳体（1），所述的壳体（1）的一端与传动轴（2）连接、另一端与执行机构（3）连接；所述的壳体（1）的内腔设置有X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区，所述的X方向、Y方向对应传动轴（2）的径向且两者夹角为90°，所述的Z方向对应传动轴（2）的轴向，所述的X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区皆贴有金属箔式应变片，壳体（1）的内腔设置有与X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区的金属箔式应变片连接的信号处理电路，所述的信号处理电路与无线发射电路连接；所述的壳体（1）的内腔中部位置设置有凸圈（11），所述的凸圈（11）与壳体（1）的内壁连接，所述的壳体（1）的内腔中部位置的中心处设置有圆柱台（12），所述的凸圈（11）与圆柱台（12）之间设置有连接环板（13），所述的连接环板（13）的环面均匀开设有通孔（14），所述的圆柱台（12）的一表面垂直连接有两竖板一（15），所述的圆柱台（12）的另一表面之外的空间形成用于布置信号处理电路、无线发射电路的安装腔（4）；所述的两竖板一（15）的端部连接有横板（16），所述的横板（16）的表面垂直连接有两竖板二（17），所述的两竖板二（17）与两竖板一（15）垂直布置，所述的两竖板二（17）的端部与执行机构（3）连接；所述的凸圈（11）、圆柱台（12）、连接环板（13）与通孔（14）构成Z方向应变区，所述的两竖板一（15）构成Y方向应变区，所述的两竖板二（17）构成X方向应变区；所述的信号处理电路包括电桥信号输出电路、信号放大电路。

全文数据：旋转三分力传感器技术领域本发明属于三分力测量领域，特别涉及一种旋转三分力传感器。背景技术三分力传感器能同时检测三维空间的三个力信息Fx、Fy、Fz，目前，三分力传感器在机械臂上的安装方式主要有固定式和滑环式两种，固定式安装不能用于连续旋转的设备，因为传感器的供电和信号传输线缆与传感器的弹性体是直接连接的，线缆在传感器连续旋转时会发生缠绕甚至绷断。因此，大部分机械臂上采用固定式安装的三维力传感器都要留出一段可以活动的线缆，而且传感器的旋转角度只能在360度以内，不能连续旋转。滑环式安装的三分力传感器，在固定式安装的基础上，增加了一个滑环，一定程度上解决了连续旋转时线缆缠绕的问题，但是滑环的定子与转子之间是接触式结构，工作时摩擦损耗较大，也不适合在高转速下长时间使用。发明内容本发明的目的在于提供一种旋转三分力传感器，无需信号传输线缆，避免滑环结构的摩擦损耗问题，确保检测传动轴在旋转时的X、Y、Z三方向分力。为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种旋转三分力传感器，包括与传动轴同轴布置的壳体，所述的壳体的一端与传动轴连接、另一端与执行机构连接；所述的壳体的内腔设置有X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区，所述的X方向、Y方向对应传动轴的径向且两者夹角为90°，所述的Z方向对应传动轴的轴向，所述的X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区皆贴有金属箔式应变片，壳体的内腔设置有与X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区的金属箔式应变片连接的信号处理电路，所述的信号处理电路与无线发射电路连接。所述的壳体的内腔中部位置设置有凸圈，所述的凸圈与壳体的内壁连接，所述的壳体的内腔中部位置的中心处设置有圆柱台，所述的凸圈与圆柱台之间设置有连接环板，所述的连接环板的环面均匀开设有通孔，所述的圆柱台的一表面垂直连接有两竖板一，所述的圆柱台的另一表面之外的空间形成用于布置信号处理电路、无线发射电路的安装腔；所述的两竖板一的端部连接有横板，所述的横板的表面垂直连接有两竖板二，所述的两竖板二与两竖板一垂直布置，所述的两竖板二的端部与执行机构连接；所述的凸圈、圆柱台、连接环板与通孔构成Z方向应变区，所述的两竖板一构成Y方向应变区，所述的两竖板二构成X方向应变区。所述的壳体的一端设置有连接法兰，所述的连接法兰与传动轴连接，所述的两竖板二的端部延伸至壳体的另一端的外侧与连接板垂直连接，所述的连接板与执行机构连接。所述的信号处理电路包括电桥信号输出电路、信号放大电路；所述的电桥信号输出电路包括分别与X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区的金属箔式应变片连接的接线端子JP2、JIP3、JP4，所述的接线端子JP2的引脚4、3分别经电阻R3、R5输出X方向IN+信号、X方向IN-信号，所述的电阻R3、R5的输出端还分别连接有电容C3、C4，所述的电容C3、C4共同与地线连接；所述的接线端子JP3的引脚4、3分别经电阻R7、R9输出Y方向IN+信号、Y方向IN-信号，所述的电阻R7、R9的输出端还分别连接有电容C5、C6，所述的电容C5、C6共同与地线连接；所述的接线端子JP4的引脚4、3分别经电阻R10、R11输出Z方向IN+信号、Z方向IN-信号，所述的电阻R10、R11的输出端还分别连接有电容C7、C8，所述的电容C7、C8共同与地线连接。所述的信号放大电路包括单片机U5，所述的单片机U5的引脚1、2、3、4、5、6分别用于接收X方向IN+信号、X方向IN-信号、Y方向IN+信号、Y方向IN-信号、Z方向IN+信号、Z方向IN-信号；电压源VCC经电阻R12分别与电容C9、C10、电阻R13连接，所述的电容C9、C10共同与地线连接，所述的电阻R13与单片机U5的引脚12连接；所述的单片机U5的引脚15、16之间并联有电阻R14、晶体振荡器Y1，所述的晶体振荡器Y1的引脚1、2分别连接有电容C11、C12，所述的电容C11、C12共同与地线连接；JTAG接口JP5的引脚3、4分别与单片机U5的引脚11、12连接。所述的无线发射电路包括单片机U4，所述的单片机U4的引脚3、4、8、9的单片机U5的引脚19、20、25、14连接。所述的壳体的内腔还设置有供电电路，所述的供电电路包括锂电池、与锂电池正负极连接的接线端子JP1，所述的接线端子JP1的引脚2经开关S1、二极管VD1接入线性稳压器U1的引脚2，所述的线性稳压器U1的引脚2与钽电容E1的正极连接，所述的线性稳压器的引脚3分别与钽电容E2的正极、无极性电容C1连接，所述的钽电容E1的负极、钽电容E2的负极、无极性电容C1、线性稳压器U1的引脚1与接线端子JP1的引脚1共同连接再接入地线。上述技术方案中，本发明可以有效的实现机械臂等设备的传动轴连续旋转时，对X、Y、Z三个方向分力的精确测量，解决了旋转三分力的测量问题，由于在传感器的内部增加了锂电池供电、信号处理和无线发射电路，传感器和显示仪表之间不再需要供电线缆和信号传输线缆，解决了传感器随待测设备连续旋转时，线缆的缠绕和绷断问题；同时，无线通信方式可以根据实际工况，选择不同的通信频率和通信协议，显示仪表和传感器之间的距离可以比较远，也可以自由调节；另外，无线通信方式不会有滑环结构的摩擦损耗问题，测量稳定性和使用寿命远远高于采用滑环结构的传感器。附图说明图1为传感器壳体立体图；图2为传感器壳体剖视图；图3为传感器壳体的半剖立体图；图4为本发明的安装主视图；图5为本发明的工作原理框图；图6为本发明中锂电池供电电路原理图；图7为本发明中电桥信号输出电路原理图；图8为本发明中无线发射电路原理图；图9为本发明中信号放大电路原理图。具体实施方式结合附图1～9对本发明做出进一步的说明：一种旋转三分力传感器，其外形如图1所示，采用圆柱外形，顶部和底部分别设置有连接板19、连接法兰18，X和Y方向对应传感器端面的径向，X和Y方向之间的夹角为90度，Z方向对应传感器的轴向。在本发明的一个较佳实施例中，传感器的安装方式如图4所示：壳体1安装在机械臂5的传动轴2和执行机构3之间，机械臂5的传动轴2和壳体1之间通过连接法兰18连接，壳体1和执行机构3之间通过连接板19连接；无线发射电路的发射天线从壳体1的安装腔4的外壁开设的天线引出孔41引出；机械臂5工作时，壳体1和执行机构8共同跟随机械臂5的传动轴2前后运动及旋转。传感器壳体1的内部结构如图2、3所示，包括X、Y、Z三个应变区，两竖板二17、两竖板一15皆为弹性体构成的悬臂梁结构，分别构成X方向应变区、Y方向应变区，上面各贴有4片金属箔式应变片，两竖板二17、两竖板一15的每个内侧面各贴有2片金属箔式应变片，构成惠斯通电桥结构；凸圈11、圆柱台12、连接环板13与通孔14为弹性体构成的轮辐式结构，构成Z方向应变区，上面贴有8片金属箔式应变片，通孔14开设有8个，每两个通孔之间的平面上贴有1片金属箔式应变片，也构成惠斯通电桥结构。安装腔4用于安装锂电池和布置信号处理电路、无线发射电路及供电电路，连接环板13上还可开设孔将惠斯通电桥机接入信号处理电路，在安装腔4的外壁开设天线引出孔41引出无线发射电路的天线；壳体1顶部的连接板19开设安装孔与机械臂5末端的执行机构3的法兰连接，壳体1底部的连接法兰18开设安装孔用于与机械臂5的传动轴2的法兰连接。传感器的工作原理如图5所示，机械臂5工作时，当机械臂末端的执行机构3受到外力作用，由于其与传感器的壳体1之间为刚性连接，所以弹性体上的应变区会发生形变，外力的X方向分力会使X方向应变区的两竖板二17产生微形变，粘贴在悬臂梁上的4片金属箔式应变片组成的惠斯通电桥的输出电压也相应发生变化，此电压的变化与X方向分力大小成近似线性关系，通过检测此电压的变化，就可以检测出X方向分力的大小；同样的，外力的Y方向分力会使Y方向应变区的悬臂梁产生微形变，外力的Z方向分力会使Z方向应变区的轮辐式弹性体结构产生微形变，对应的惠斯通电桥的输出电压也相应发生变化，通过检测电压的变化，就可以检测出Y方向和Z方向分力的大小。X、Y、Z三个方向的惠斯通电桥输出的信号都为mV级电压信号，比较微弱，所以先通过电路调理和放大以后，再送入单片机C8051F350内部的24位AD转换器进行AD转换；单片机U5对AD转换的结果进行数据处理，计算出对应的X、Y、Z三个方向分力的具体数值，然后将三方向分力的数值存入到待发送数据帧中；单片机U5驱动无线发射电路将包含有X、Y、Z三方向分力数值的数据帧发送出去，远端的无线接收电路模块接收到数据帧，并传送给显示仪表，显示仪表解析数据帧并提取出X、Y、Z三方向分力数值，然后显示在仪表显示屏上或进行其它处理。图6是本发明中锂电池供电电路原理图，图中JP1接线端子用于连接锂电池的正负极，开关S1在机械臂5不工作时可以断开，节省锂电池电量，二极管VD1用于防反接保护，正常工作时，二极管VD1是导通的，而当用户误将锂电池正负极接反时，二极管反向截止，电路是断开的；钽电容E1、E2起储能和低频滤波的作用，无极性电容C1主要用于滤除高频噪声。由于采用锂电池供电，所以线性稳压器U1采用低功耗的HT7133，其特点是体积小、功耗低，适合用于锂电池供电的系统中，HT7133输出电压为3.3V，电路图中用VCC和GND表示。图7是本发明中电桥信号输出电路原理图，X方向应变区的金属箔式应变片组成的惠斯通电桥，通过接线端子JP2连接到电路，JP2的引脚1、2为惠斯通电桥的供电引脚，JP2引脚3、4为惠斯通电桥的信号输出引脚；惠斯通电桥的输出信号为mV级的差分电压信号，电阻R3和电容C3，电阻R5和电容C4，分别构成RC低通滤波器，滤除差分信号中的高频噪声及干扰信号，X方向应变区的惠斯通电桥输出的差分信号经过RC低通滤波后，输出到图9单片机U5的模拟量输入引脚1、2。同理，Y方向应变区的惠斯通电桥通过JP3接入电路，输出信号经过RC低通滤波后，接到单片机U5的引脚3、4；Z方向应变区的惠斯通电桥通过JP4接入电路，输出信号经过RC低通滤波后，接到单片机U5的引脚3、4。X、Y、Z方向的电桥输出信号分别接入单片机U5相应的模拟量输入引脚后，通过单片机内部的128倍可编程放大器进行放大，然后再通过单片机U5内部的24位AD转换器转换成对应的数字信号。图8是本发明中无线发射电路的原理图，无线发射模块采用的型号是RN630，特点是体积小，低功耗，无障碍传输距离约500米，其电路接口为9芯单排针。图中用U4表示，引脚1、2为无线发射模块的供电端，接3.3V电源VCC和GND；引脚4、3是无线发射模块与单片机U5的通信引脚RXD和TXD，通信采用串行方式，TTL电平，分别接单片机U5的引脚20、19；无线发射模块的引脚5也是接地引脚，引脚6、7也是串行通信引脚，RS232电平，系统中没有用到，因此悬空处理；引脚8为睡眠控制引脚，接单片机的引脚25，当不发送数据时，单片机U4通过此引脚控制模块进入睡眠省电模式，可以节省电池电量；引脚9为模块的复位引脚，接单片机的引脚14，必要时单片机U4可以通过此引脚对无线发射模块进行复位操作。图9是本发明中信号放大电路原理图，也是单片机U5最小系统电路原理图，单片机U5采用C8051F350，内置128倍可编程放大器和24位AD转换器，而且功耗比较低，单片机的引脚1～8为模拟量输入引脚，其中引脚1～6分别接传感器X、Y、Z三方向惠斯通电桥的信号输出；单片机的引脚31、32为内部AD转换器的参考电压输入引脚，图中接3.3V电源VCC和GND；引脚21、22为内部数字器件的电源输入引脚，图中接3.3V电源VCC和GND；引脚9、10为内部模拟器件的电源输入引脚，图中接3.3V电源VCC和GND；电阻R12、R13，电容C9、C10，构成单片机U5的上电复位电路，接单片机的12号引脚，目的是在系统上电时，对单片机U5进行自动复位操作；JP5是单片机的JTAG接口，引脚1、2为电源，引脚3、4分别接单片机的引脚11、12引脚12同时也是单片机U5的复位引脚，JP5的主要作用是将编译好的程序烧写进单片机U5以及对单片机U5进行在线调试；电阻R14、晶体振荡器Y1、电容C11、C12共同构成振荡电路，接单片机U5的引脚15、16；单片机U5的引脚14、25、20、19，接无线发射模块U4的引脚9、8、3、4，控制无线发射模块U4的工作状态，并与其通信。综上所述，本发明可以有效的实现机械臂等设备的传动轴连续旋转时，对X、Y、Z三个方向分力的精确测量，解决了旋转三分力的测量问题，由于在传感器的内部增加了锂电池供电、信号处理和无线发射电路，传感器和显示仪表之间不再需要供电线缆和信号传输线缆，解决了传感器随待测设备连续旋转时，线缆的缠绕和绷断问题；同时，无线通信方式可以根据实际工况，选择不同的通信频率和通信协议，显示仪表和传感器之间的距离可以比较远，也可以自由调节；另外，无线通信方式不会有滑环结构的摩擦损耗问题，测量稳定性和使用寿命远远高于采用滑环结构的传感器。

权利要求：1.一种旋转三分力传感器，其特征在于：包括与传动轴2同轴布置的壳体1，所述的壳体1的一端与传动轴2连接、另一端与执行机构3连接；所述的壳体1的内腔设置有X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区，所述的X方向、Y方向对应传动轴2的径向且两者夹角为90°，所述的Z方向对应传动轴2的轴向，所述的X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区皆贴有金属箔式应变片，壳体1的内腔设置有与X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区的金属箔式应变片连接的信号处理电路，所述的信号处理电路与无线发射电路连接。2.根据权利要求1所述的旋转三分力传感器，其特征在于：所述的壳体1的内腔中部位置设置有凸圈11，所述的凸圈11与壳体1的内壁连接，所述的壳体1的内腔中部位置的中心处设置有圆柱台12，所述的凸圈11与圆柱台12之间设置有连接环板13，所述的连接环板13的环面均匀开设有通孔14，所述的圆柱台12的一表面垂直连接有两竖板一15，所述的圆柱台12的另一表面之外的空间形成用于布置信号处理电路、无线发射电路的安装腔4；所述的两竖板一15的端部连接有横板16，所述的横板16的表面垂直连接有两竖板二17，所述的两竖板二17与两竖板一15垂直布置，所述的两竖板二17的端部与执行机构3连接；所述的凸圈11、圆柱台12、连接环板13与通孔14构成Z方向应变区，所述的两竖板一15构成Y方向应变区，所述的两竖板二17构成X方向应变区。3.根据权利要求2所述的旋转三分力传感器，其特征在于：所述的壳体1的一端设置有连接法兰18，所述的连接法兰18与传动轴2连接，所述的两竖板二17的端部延伸至壳体1的另一端的外侧与连接板19垂直连接，所述的连接板19与执行机构3连接。4.根据权利要求1所述的旋转三分力传感器，其特征在于：所述的信号处理电路包括电桥信号输出电路、信号放大电路；所述的电桥信号输出电路包括分别与X方向应变区、Y方向应变区、Z方向应变区的金属箔式应变片连接的接线端子JP2、JIP3、JP4，所述的接线端子JP2的引脚4、3分别经电阻R3、R5输出X方向IN+信号、X方向IN-信号，所述的电阻R3、R5的输出端还分别连接有电容C3、C4，所述的电容C3、C4共同与地线连接；所述的接线端子JP3的引脚4、3分别经电阻R7、R9输出Y方向IN+信号、Y方向IN-信号，所述的电阻R7、R9的输出端还分别连接有电容C5、C6，所述的电容C5、C6共同与地线连接；所述的接线端子JP4的引脚4、3分别经电阻R10、R11输出Z方向IN+信号、Z方向IN-信号，所述的电阻R10、R11的输出端还分别连接有电容C7、C8，所述的电容C7、C8共同与地线连接。5.根据权利要求4所述的旋转三分力传感器，其特征在于：所述的信号放大电路包括单片机U5，所述的单片机U5的引脚1、2、3、4、5、6分别用于接收X方向IN+信号、X方向IN-信号、Y方向IN+信号、Y方向IN-信号、Z方向IN+信号、Z方向IN-信号；电压源VCC经电阻R12分别与电容C9、C10、电阻R13连接，所述的电容C9、C10共同与地线连接，所述的电阻R13与单片机U5的引脚12连接；所述的单片机U5的引脚15、16之间并联有电阻R14、晶体振荡器Y1，所述的晶体振荡器Y1的引脚1、2分别连接有电容C11、C12，所述的电容C11、C12共同与地线连接；JTAG接口JP5的引脚3、4分别与单片机U5的引脚11、12连接。6.根据权利要求5所述的旋转三分力传感器，其特征在于：所述的无线发射电路包括单片机U4，所述的单片机U4的引脚3、4、8、9的单片机U5的引脚19、20、25、14连接。7.根据权利要求1所述的旋转三分力传感器，其特征在于：所述的壳体1的内腔还设置有供电电路，所述的供电电路包括锂电池、与锂电池正负极连接的接线端子JP1，所述的接线端子JP1的引脚2经开关S1、二极管VD1接入线性稳压器U1的引脚2，所述的线性稳压器U1的引脚2与钽电容E1的正极连接，所述的线性稳压器的引脚3分别与钽电容E2的正极、无极性电容C1连接，所述的钽电容E1的负极、钽电容E2的负极、无极性电容C1、线性稳压器U1的引脚1与接线端子JP1的引脚1共同连接再接入地线。

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