[发明专利]一种带梯形梁的电容式力矩传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及力传感器，特别涉及一种带梯形梁的电容式力矩传感器。

背景技术

力矩传感器作为一种结构型传感器，已经在许多需要测量力矩的领域中得到广泛应用。按力矩信号产生的方式，力矩传感器可分为光学式、光电式、电容式、电磁式与应变式等，它的原理是利用结构参数变化来转换成相应的电信号。目前市场上较为成熟的力矩传感器主要是电磁式和应变式。电磁式力矩传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，通过对信号进行组合处理后得到力矩信息；该传感器是一种无磨损的非接触式传感器，但由于体积较大，不适用于机器人关节力矩的测量。应变式力矩传感器通常结构复杂，力矩解耦困难，需要额外信号放大电路、A/D转换器等。

电容式力矩传感器是根据静电场有关定律作为其理论基础制成的，具有温度稳定性好、结构简单、动态响应好且可以实现非接触测量的优点；因此，电容式力矩传感器近年来被广泛应用于厚度、位移、压力、速度和浓度等物理测量中。然而目前大部分电容式力矩传感器所用的弹性体均为平行梁式结构，平行梁结构为等截面梁，在受力时除最大弯矩所在截面外，其余截面的材料强度均未得到充分利用，因而其表面应力应变并不均匀，从而导致传感器抗疲劳和抗负载能力不高，影响了传感器测量的综合性能。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前电容式力矩传感器的不足，提出一种带梯形梁的电容式力矩传感器；通过梯形结构梁在传递力矩时应变变化均匀的特点，提高力矩传感器的抗疲劳和抗负载的能力。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案如下：

一种带梯形梁的电容式力矩传感器，它主要由传感器外圈1、变形梁2、传感器内圈3和电容传感部分4组成；传感器外圈1和传感器内圈3上均匀分布着若干螺纹孔，分别用于传感器与负载连接和传感器与减速器连接；变形梁2为梯形变形梁结构，梯形变形梁是一种近似等强度梁，在传递力矩时梁上与传感器轴线X平行的两侧面受到的应力和应变都是均匀的。变形梁2还可以是受力变形时侧面具有应力应变变化均匀特点的其它结构梁，如抛物线结构梁等。变形梁2沿传感器内圈3的外缘呈轮辐式分布，其两端分别固连于传感器外圈1和传感器内圈3；使得传感器能够抵消掉横向力的干扰。

本发明的特点和有益效果在于：

本发明采用梯形结构的变形梁，在给传感器施加力矩时，力矩由传感器内圈通过梯形变形梁传递到传感器外圈，此时梯形变形梁上与传感器轴线X平行的两侧面应力和应变变化均匀，消除了由应力变化不均匀引起的机械损伤，从而提高了力矩传感器的抗疲劳和抗负载能力；同时梯形变形梁采用轮辐式的分布形式，能够消除横向力造成的干扰，提高了力矩传感器的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的平面图。

图3为本发明梯形变形梁的局部放大图。

图4为本发明抛物线形变形梁的局部放大图。

附图中：1.传感器外圈；2.变形梁；3.传感器内圈；4.电容传感部分。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。

具体实施方式一：如附图1至3所示，本发明一种带梯形梁的电容式力矩传感器，包括传感器外圈1、变形梁2、传感器内圈3和电容传感部分4。传感器外圈1上均匀分布着若干螺纹孔，实现传感器与负载的连接。传感器内圈3上均匀分布着若干螺纹孔，实现传感器与输入端的连接。变形梁2为梯形变形梁结构，沿着传感器内圈3的外缘呈轮辐式分布，其两端分别固连于传感器外圈1和传感器内圈3；梯形变形梁近似为一种等强度梁，在传递力矩时梁上与传感器轴线X平行的两侧面受到的应力和应变都是均匀的。图中梯形变形梁2数目为4个，但在实际生产过程中，可以根据弹性力的大小调整梯形变形梁的数目。

具体实施方式二：如附图4所示，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所用的变形梁为抛物线结构梁，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。本实施方式所述的抛物线结构梁也是一种近似等强度梁，在受力时梁上与传感器轴线X平行的两侧面受到的应力应变也是均匀的。

本发明的工作过程如下：传感器内圈3受到外部的输入力矩，通过梯形变形梁将力矩传递至传感器外圈1，在传递力矩过程中，梯形变形梁各横截面上受到的力矩不同，但在其与传感器轴线X平行的两侧面应变变化均匀，传感器内圈3产生微小角位移，从而导致电容传感部分4的电容值发生变化，通过电容与力矩的转换关系便可检测出所需的力矩。

最后说明的是以上仅是本发明的优选实施方式，而本发明并非仅局限于以上实施例，还可以做各种修改或变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡运用本发明原理所研究的等效技术变化，均包含于本发明的专利范围内。