CN109900398B - 基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置，属于传感检测技术领域。包括外壳、环形钢架、三爪式结构、片式力敏电阻器、连接器、测力圆盘、电路板，片式力敏电阻器的一侧贴在三爪式结构的压力板上，且对称排列在每个压力板的两侧，另一侧刚好与环形钢架的槽口相接触。当测力圆盘受到外力作用时，通过连接器将力传递给三爪式结构，环形钢架与三爪式结构挤压片式力敏电阻器，测得的信号和安放位置，对接收的信号进行处理和放大，再经过通信总线将数据传输出来。解决了片式力敏电阻在其他条件相同的情况下，因接触状态不同而得到多次测量结果不同的问题。感应信号可以稳定的保持零值，可以避免迟滞和蠕变问题。

Description

基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置

技术领域

本发明涉及传感器检测技术领域，特别涉及一种基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置，尤指一种结合片式力敏电阻的材料特性辅以适当的结构设计进行扭矩测量的装置。

背景技术

扭矩传感器应用范围十分广泛，主要用于：电动机、发动机、扭力板手的扭矩及功率的检测、制造粘度计以及过程工业和流程工业中。

目前，扭矩的传感器可分为三种：非接触式扭矩传感器、应变片扭矩传感器、相位差式转矩转速传感器。其中，应变片扭矩传感器使用的是应变电测技术。它的原理是利用弹性轴，粘贴应变计，组成了测量电桥，当弹性轴受扭矩作用发生微小形变，电桥的电阻值就会发生变化，进而电信号发生了变化，实现扭矩的测量。

薄片式力敏电阻器具有厚度很薄、量程较小、易受接触状态影响等特性，主要用于各种张力计、加速度计、半导体传声器及各种压力传感器中。其用于扭矩传感器时，存在下面一些问题：量程小、容易产生迟滞和蠕变现象，而且当受到大小相同而接触状态不同的作用力时，会得出不同的测量结果等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置，解决了片式力敏电阻器用于扭矩传感器时，量程很小、容易产生迟滞和蠕变现象，在受力作用时因接触状态不同而得出不同的测量结果等问题。本发明利用薄片式力敏电阻器受到两个刚体的挤压而产生力信号，通过转化从而得到扭矩信号。片式力敏电阻器的一侧贴在三爪式结构的压力板上，且对称排列在每个压力板的两侧，另一侧刚好与环形钢架的槽口相接触。当测力圆盘受到外力作用时，测力圆盘通过连接器将力传递给三爪式结构，环形钢架与三爪式结构挤压中间的片式电阻器，根据片式力敏电阻测得的信号和安放位置，对接收的信号进行处理和放大，再经过通信总线将数据传输出来。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置，外壳下端1和外壳上端11通过第三组螺钉8相连，其特征在于：环形钢架17的两端分别与外壳下端1和轴承衬套16相连，并分别通过第一组螺钉2、第六组螺钉15固定；轴承衬套16、三爪式结构4分别与第一轴承3的内、外圈相连，其中，三爪式结构4设有衬套，防止第一轴承3在轴承衬套16和三爪式结构4之间发生轴向滑动；电路板5通过第五组螺钉13与环形钢架17相连；信号线18夹在外壳上端11和外壳下端1中间并加以固定；连接器12通过第二组螺钉7与三爪式结构4连接，第二轴承6的内圈、外圈分别与轴承衬套16、连接器12相连，由于三爪式结构4的衬套和外壳上端11的衬套的限位作用，第二轴承6被固定在连接器12与三爪式结构4之间，无法发生轴向滑动；连接器12通过第二组螺钉7、第四组螺钉9与三爪式结构4、测力圆盘10相连，将测力圆盘10产生的力矩传递给连接器12，再传递给三爪式结构4，片式力敏电阻器14受到三爪式结构4中的压力板与环形钢架17的槽口的挤压而输出电信号。

所述的三爪式结构4中均匀分布的三个或多个压力板。

所述的外壳上端11的端面处开有三个凹槽，所述测力圆盘10上配合设有三个凸台，凸台的位置与凹槽的位置相对应；其中，凸台的尺寸小于凹槽的尺寸。

所述的片式力敏电阻器14对称排列在三爪式结构4中的压力板的两侧，在整个测量装置不受载荷作用时刚好与环形钢架17的槽口相接触。

所述的三爪式结构4和环形钢架17的材质均为刚材。

所述的电路板5将片式力敏电阻器14的输出信号，作为电路板5的输入信号。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明中压力板和环形钢架均采用刚性材料，不仅可以排除非测量方向的外力对测量结果的影响，而且确保每次对压力板加载外力时，压力板、片式力敏电阻器和刚架之间的接触状态始终不变。解决了片式力敏电阻在其他条件相同的情况下，因接触状态不同而得到多次测量结果不同的问题。

（2）本发明在压力板两侧对称布置两个片式力敏电阻器，分别测量正、负扭矩信号，并且当所施加的外力释放时，感应信号可以稳定的保持零值，可以避免迟滞和蠕变问题。

（3）传统的应变式扭矩传感器大多是将应变片贴在弹性体上，弹性体因受力产生形变，引起应变片电阻变化，再对阻值进行测量来达到测扭矩的目的。而本发明是基于片式力敏电阻的特性通过对结构的设计实现扭矩测量。构思新颖，结构简单，使用方便。

（4）压力板采用三爪式均匀分布属于本发明的一种特殊情况。其中，压力板的数量决定了传感器的量程范围，即在不改变力敏电阻材料的前提下，可以根据需求有效的提升了传感器的量程。实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的等轴侧视图；

图2为本发明的结构爆炸示意图；

图3为本发明的侧视图；

图4为图3的A-A剖视示意图；

图5为图3的B-B剖视示意图；

图6为本发明中力矩计算的原理图；

图7为本发明的电路原理框图。

图中： 1、外壳下端；2、第一组螺钉；3、第一轴承；4、三爪式结构；5、电路板；6、第二轴承；7、第二组螺钉；8、第三组螺钉；9、第四组螺钉；10、测力圆盘；11、外壳上端；12、连接器；13、第五组螺钉；14、片式力敏电阻器；15、第六组螺钉；16、轴承衬套；17、环形钢架；18、信号线。

实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图7，本发明的基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置，包括外壳下端1、第一组螺钉2、第一轴承3、三爪式结构4、电路板5、第二轴承6、第二组螺钉7、第三组螺钉8、第四组螺钉9、测力圆盘10、外壳上端11、连接器12、第五组螺钉13、片式力敏电阻器14、第六组螺钉15、轴承衬套16、环形钢架17、信号线18，为了保护和固定传感器内部的部分零件，将外壳下端1和外壳上端11相连，并通过第三组螺钉8将其固定。环形钢架17的两端分别与外壳下端1和轴承衬套16相连，并分别通过第一组螺钉2、第六组螺钉15固定；轴承衬套16、三爪式结构4分别与第一轴承3的内、外圈相连，其中，三爪式结构4设有衬套，其作用为防止第一轴承3在轴承衬套16和三爪式结构4之间发生轴向滑动；片式力敏电阻器14的一侧分别固定于三爪式结构4的三个爪处，另一侧刚好与环形钢架17槽口相接触，并且每组片式力敏电阻器14相对于三爪式结构4中心轴线的距离保持相同；压力板与环形钢架17槽口处的设计确保了每次对压力板加载外力时，压力板、片式力敏电阻器14和环形刚架17之间的接触状态始终不变。解决了片式力敏电阻在其他条件相同的情况下，因接触状态不同而得到多次测量结果不同的问题。利用第五组螺钉13将电路板5固定到环形钢架17上，其中，电路板5的信号输入、输出端口分别与片式力敏电阻器14的输出端和信号线18相连，其作用是将片式力敏电阻器14的输出信号进行分析处理，通过信号线18将处理后的信号传输出来；信号线18夹在外壳上端11和外壳下端1中间并加以固定。

连接器12通过第二组螺钉7与三爪式结构4连接，第二轴承6的内圈、外圈分别与轴承衬套16、连接器12相连，且第二轴承6内圈、外圈分别由三爪式结构4的衬套和外壳上端11的衬套进行限位，以防止第二轴承6在连接器12与三爪式结构4之间发生轴向滑动；连接器12通过第二组螺钉7、第四组螺钉9与三爪式结构4、测力圆盘10相连，其作用为将测力圆盘10产生的力矩传递给连接器12，再传递给三爪式结构4，片式力敏电阻器14受到三爪式结构4中的压力板与环形钢架17的槽口的挤压而输出电信号。外壳上端11的端面处开有三个凹槽，所述测力圆盘10上配合设有三个凸台，凸台的位置与凹槽的位置相对应；其中，凸台的尺寸要略小于凹槽的尺寸，这样设计的好处在于保证了扭矩传递的同时，又方便于与要测力矩元件的连接，保证了整体结构外形美观。

所述的三爪式结构4中均匀分布的三个压力板的设计，仅为本发明的一种特殊情况，其中，压力板的个数可随量程需要进行适当更改。

所述的片式力敏电阻器14对称排列在三爪式结构4中的压力板的两侧，在整个测量装置不受载荷作用时刚好与环形钢架17的槽口相接触。该设计优点在于：正、负扭矩分别由分布在压力板两侧的片式力敏电阻器进行测量，且当所施加的外力释放时，感应信号可以稳定的保持零值，可以避免迟滞和蠕变问题。

所述的三爪式结构4和环形钢架17的材质均为刚材。因此，在反复加载过程中不会产生任何变形，保证了每次加载时三爪式结构4中的压力板和环形钢架17的槽口的接触状态始终不变，即每次测量结果具有良好的重复性。避免了片式力敏电阻器在其他条件相同的情况下，因接触状态不同而得到多次测量结果不同的问题。

参见图6所示，片式力敏电阻器14夹在环形钢架17和压力板中间，环形钢架、压力板都选取刚性材料。当外部力矩作用在测力圆盘10上时，通过连接器12将力矩传递到压力板上，压力板与环形钢架17之间产生的相互作用力由片式力敏电阻器进行测量。两个片式力敏电阻器对称布置在压力板两侧，分别测量正、负方向的力，并且当所施加的外力释放时，感应信号可以稳定的保持零值，可以避免迟滞和蠕变问题。本发明的结构采用这种设计还解决了片式力敏电阻在其他条件相同的情况下，因接触状态不同而得到多次测量结果不同的问题。当受到正向扭矩时，下侧的片式力敏电阻器受到挤压而产生信号，上侧的片式力敏电阻器未受到挤压而不产生信号；当受到正向扭矩时，上侧的片式力敏电阻器受到挤压而产生信号，下侧的片式力敏电阻器未受到挤压而不产生信号。所得的扭矩计算公式为：

T=n*F*L

其中，n为压力板的个数，F为压力板与环形钢架的相互作用力，L为片式力敏电阻器到传感器中心轴的距离。

本发明中以3个压力板为例对结构进行示意，因此三爪式结构仅为本发明的一种特殊情况。在不改变力敏电阻材料的前提下，若想根据需求有效的提升了传感器的量程，可以通过n的大小或者L的长度。

参见图7所示，本发明的电路原理框图共包含以下几个部分：信号处理部分，放大电路部分，主控制器部分和通信部分。电路板5将片式力敏电阻器14的输出信号，作为电路板5的输入信号。图中A1，A2，A3分别为图6中来自于上侧片式力敏电阻器的输出信号，B1，B2，B3分别为图6中来自于下侧片式力敏电阻器的输出信号，作为电路板的输入信号经过信号预处理模块进行预处理，以便于放大电路对信号进行放大。然后将处理后的信号送入放大电路，经过放大后的信号通过串口传送到主控板；主控制器部分包括Context-M4 处理器，ADC信号采集模块和CAN控制器部分。其中Context-M4通过ADC采集信号，对信号进行处理，然后通过指示灯传达相关的指示信息。主控板内部经过处理的信号通过CAN控制器与外部设备进行通信。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置，外壳下端（1）和外壳上端（11）通过第三组螺钉（8）相连，其特征在于：环形钢架（17）的两端分别与外壳下端（1）和轴承衬套（16）相连，并分别通过第一组螺钉（2）、第六组螺钉（15）固定；轴承衬套（16）、三爪式结构（4）分别与第一轴承（3）的内、外圈相连，其中，三爪式结构（4）设有衬套，防止第一轴承（3）在轴承衬套（16）和三爪式结构（4）之间发生轴向滑动；电路板（5）通过第五组螺钉（13）与环形钢架（17）相连；信号线（18）夹在外壳上端（11）和外壳下端（1）中间并加以固定；连接器（12）通过第二组螺钉（7）与三爪式结构（4）连接，第二轴承（6）的内圈、外圈分别与轴承衬套（16）、连接器（12）相连，由于三爪式结构（4）的衬套和外壳上端（11）的衬套的限位作用，第二轴承（6）被固定在连接器（12）与三爪式结构（4）之间，无法发生轴向滑动；连接器（12）通过第二组螺钉（7）、第四组螺钉（9）与三爪式结构（4）、测力圆盘（10）相连，将测力圆盘（10）产生的力矩传递给连接器（12），再传递给三爪式结构（4），片式力敏电阻器（14）受到三爪式结构（4）中的压力板与环形钢架（17）的槽口的挤压而输出电信号；

所述的三爪式结构（4）中均匀分布的三个或多个压力板；

所述的外壳上端（11）的端面处开有三个凹槽，所述测力圆盘（10）上配合设有三个凸台，凸台的位置与凹槽的位置相对应；其中，凸台的尺寸小于凹槽的尺寸；

所述的片式力敏电阻器（14）对称排列在三爪式结构（4）中的压力板的两侧，在整个测量装置不受载荷作用时刚好与环形钢架（17）的槽口相接触。

2.根据权利要求1所述的基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置，其特征在于：所述的三爪式结构（4）和环形钢架（17）的材质均为刚材。

3.根据权利要求1所述的基于薄片式力敏电阻器的挤压式扭矩测量装置，其特征在于：所述的电路板（5）将片式力敏电阻器（14）的输出信号，作为电路板（5）的输入信号。