本发明涉及工程中微小力螺旋测量技术。具体地涉及一种微力螺旋测量装置及系统。
背景技术：
力螺旋是空间任意力系简化的最一般的情况，工程技术中螺丝刀拧螺钉以及钻头钻孔时，工件上所受的力就是力螺旋。力螺旋，亦称“偶力组”，是一个力和一个方向与之平行的扭矩的组合，这就要求力螺旋测量传感器必须同时具备精确测量力螺旋中力分量和扭矩分量的能力。现有文献报导中提供的力螺旋测量传感器选用的是应变式传感器，其中测力传感器和测扭矩传感器选用的分别是直梁应变式测力传感器和圆轴或筒型应变式测扭矩传感器。直梁应变式测力传感器和圆轴应变式测扭矩传感器的结构强度高，但二者的测量分辨率不足，仅适用于工程中较大量级力和扭矩的测量；筒型应变式测扭矩传感器的测量分辨率高，可用于测量工程中的微小扭矩，但其结构强度低，承拉和承压能力弱，难以与测力传感器配合使用实现力螺旋的测量。
随着科学技术的不断进步，人们对工程中微小力螺旋的精确测量需求日益增加，如医学中的牙齿种植和工程技术中的复合材料研究等领域。但受限于大应变与高结构强度之间的矛盾，现有文献报导中提供的应变式力螺旋测量传感器无法实现工程中微小力螺旋的精确测量，亟需开发一种微力螺旋测量系统。
目前，国内外尚未见有关此类高精度微小力螺旋测量系统的文献报导。因此，需要提供一种微力螺旋测量装置及系统。
技术实现要素：
本发明的一个目的在于提供一种微力螺旋测量装置，该装置便于拆装、维修和更换，在保证较高结构强度的基础上，测量分辨率高，测量精度高。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种微力螺旋测量装置，包括手柄、应变式测扭矩传感器、压电式测力传感器和工具头，所述手柄的下端与所述应变式测扭矩传感器连接，所述应变式测扭矩传感器下端与所述压电式测力传感器上端连接，所述工具头固定于所述压电式测力传感器。
优选地，所述应变式测扭矩传感器包括：上转接盘、应变梁、应变片、下转接盘和动态应变仪，所述上转接盘上表面的中心位置设置上螺纹孔，所述上转接盘的两端均设有上沉头孔，所述手柄通过在与所述应变式测扭矩传感器连接的一端设置手柄外螺纹与所述上转接盘的上螺纹孔配合连接所述手柄与所述上转接盘，所述应变梁位于所述上转接盘的下表面和所述下转接盘的上表面之间，所述应变梁上端与所述上转接盘连接，所述应变片粘贴于所述应变梁上，所述应变片通过导线与所述动态应变仪连接，所述下转接盘下表面的中心位置设置下螺纹孔，所述下转接盘的两端均设有下沉头孔，所述应变梁下端与所述下转接盘连接，所述压电式测力传感器通过外螺纹与所述下螺纹孔配合连接所述压电式测力传感器与所述下转接盘。
优选地，所述应变梁为方梁结构，每个所述应变梁设有两个半圆柱形凹槽，每个所述半圆柱形凹槽的背面粘贴所述应变片，两个所述应变梁的上表面分别设有应变梁上螺纹孔，两个所述应变梁的下表面分别设有应变梁下螺纹孔，两个所述应变梁与所述上接盘通过两根螺栓连接所述应变梁上螺纹孔和所述上沉头孔，两个所述应变梁与所述下接盘通过两根螺栓连接所述应变梁下螺纹孔和所述下沉头孔，
其中两个所述应变梁关于所述上转接盘中心点与所述下转接盘中心点的连线中心对称布置，两个所述半圆柱形凹槽设置在所述应变梁的同侧分别与所述应变梁垂直贯通，所述半圆柱形凹槽的槽口方向与以两个所述应变梁的距离为圆的其中一条切线的方向一致。
优选地，所述上转接盘为铝制元件，所述的下转接盘为铝制元件，两根所述应变梁为铝制元件。
优选地，压电式测力传感器包括：外壳、转接头、绝缘片、电极片、压电片、定位套和底座，
所述外壳、所述转接头、所述绝缘片、所述电极片、所述压电片、所述定位套和所述底座由从上向下的顺序安装，所述外壳设有外壳内螺纹，所述底座的上表面设有底座外螺纹，所述外壳内螺纹与所述底座外螺纹相配合连接所述外壳与所述底座，所述压电式测力传感器与所述应变式测扭矩传感器连接的外螺纹位于所述转接头上端，所述转接头上端穿出所述外壳通过所述转接头上端的外螺纹与所述下螺纹孔相配合连接所述压电式测力传感器与所述应变式测扭矩传感器，所述底座的上表面设有圆环形限位槽，所述定位套的下表面粘贴于所述圆环形限位槽的底面上，所述定位套的侧面设有两个定位槽和与一个所述定位槽连通的信号线引出孔，所述压电片位于所述定位套内，所述压电片的极化方向与轴向拉压方向一致，所述压电片的负极与所述圆环形限位槽的底面接触，所述压电片的正极与所述电极片的下表面接触，所述电极片侧面开有圆孔与所述信号线引出孔同轴线对齐，所述绝缘片侧面设有两个定位凸台，两个所述定位凸台位于所述定位槽内，所述绝缘片上表面与所述转接头下表面接触连接，所述底座下端的下表面中心处设有圆孔，所述底座下端的侧表面中心处设有螺纹孔，所述顶丝与所述底座下端侧表面中心处的螺纹孔相配合固定所述工具头于所述底座下端的下表面的圆孔内。
优选地，所述外壳、所述转接头和所述底座均为铝制元件，所述定位套为硬塑料元件，所述电极片为铜制元件，所述绝缘片为陶瓷元件。
优选地，所述工具头为能拆换的一字螺丝刀或十字螺丝刀或钻头，所述工具头通过顶丝固定在所述压电式测力传感器。
本发明的另一个目的在于提供一种微力螺旋测量系统。该系统在保证较高结构强度的基础上，具有测量分辨率高，动态性能好的特性。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种微力螺旋测量系统，包括：基于上述的任意一种微力螺旋测量装置和数据处理单元，所述微力螺旋测量装置用于将力螺旋转化成电信号；所述数据处理单元用于处理所述微力螺旋测量装置转化的电信号,得到力螺旋数据。
优选地，所述微力螺旋测量装置包括手柄、应变式测扭矩传感器、压电式测力传感器和工具头，所述应变式测扭矩传感器包括上转接盘、应变梁、应变片、下转接盘和动态应变仪，所述应变式测扭矩传感器通过布置的应变片与所述动态应变仪组成一个等臂对称全桥电路，利用等臂对称全桥电路的实现对微力螺旋中的扭矩分量的测量；所述压电式测力传感器测量力螺旋中的压力分量。
优选地，所述动态应变仪用于为所述应变式测扭矩传感器提供输入电压u，将所述应变式测扭矩传感器的输出电压δu传递给所述数据处理单元。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种测量微小力螺旋测量装置及系统，满足了人们工程中微小力螺旋精确测量的需求。该装备主要由应变式测扭矩传感器和压电式测力传感器通过外螺纹和螺纹孔配合连接组成，便于拆装、维修和更换。应变式测扭矩传感器基于等臂对称全桥电路的原理，对四片应变片进行合理布局，可实现在保证结构较高的结构强度基础上，尽可能的放大等臂对称全桥电路的输出电压，从而提高该传感器的测量分辨率；压电式测力传感器结构强度高，测量精度和分辨率高，便于组装。该装备及系统在保证较高结构强度的基础上，具有测量分辨率高，动态性能好的特性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1高精度应变压电组合式微力螺旋测量系统示意图；
图2本发明中压电式测力传感器的结构分解图；
图3本发明中压电式测力传感器的结构图；
图4本发明中压电式测力传感器的结构剖视图；
图5本发明中等臂对称全桥电路的示意图。
图中：1、手柄；2、应变式测扭矩传感器；21、上转接盘；22、应变梁；23、应变片；24、下转接盘；25、动态应变仪；3、压电式测力传感器；31、外壳；32、转接头；33、绝缘片；34、电极片；35、压电片；36、定位套；37、底座；4、顶丝；5、工具头；6、数据处理系统。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图1至附图5对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明一种微力螺旋测量装置，包括手柄1、应变式测扭矩传感器2、压电式测力传感器3、工具头5，所述手柄1的下端设有手柄外螺纹，所述手柄1与所述应变式测扭矩传感器2通过所述手柄外螺纹和所述应变式测扭矩传感器2的上螺纹孔配合连接，所述应变式扭矩传感器2与所述压电式测力传感器3通过所述压电式测力传感器的外螺纹与所述应变式扭矩传感的下螺纹孔相配合连接，所述工具5头通过顶丝4固定于所述压电式测力传感器3上。本发明中的应变式测扭矩传感器2和压电式测力传感器3为两个独立的传感器，通过外螺纹和螺纹孔拧紧组装，便于拆装、维修和更换。所述手柄1的设置是方便于装置的使用。
本发明一种微力螺旋测量装置，请参考图1至图5相关各图，在前面技术方案的基础上可以是如图1所示，所述应变式测扭矩传感器2包括上转接盘21、应变梁22、应变片23、下转接盘24和动态应变仪25，所述上螺纹孔位于所述上转接盘21上表面的中心位置，所述上接盘21的两端均设有上沉头孔，所述手柄外螺纹与所述上螺纹孔配合连接所述手柄1与所述上转接盘21，两根所述应变梁22位于所述上转接盘的下表面和所述下转接盘的上表面之间，所述应变梁22上端与所述上转接盘21连接，所述应变片23粘贴于所述应变梁22上，所述应变片23通过导线与所述动态应变仪25连接，所述下螺纹孔位于所述下转接盘24下表面的中心位置，所述下转接盘24的两端均设有下沉头孔，所述应变梁22下端与所述下转接盘24连接，所述压电式测力传感器外螺纹与所述下螺纹孔配合连接所述压电式测力传感器3与所述下转接盘24。所述应变式测扭矩传感器2中两根所述应变梁22位于所述上转接盘21的下表面和所述下转接盘24的上表面，此结构能够保证所述应变式测扭矩传感器2的具有足够结构强度，满足对微小力螺旋测量对于应变式测扭矩传感器的强度要求。
在前面技术方案的基础上，进一步的优先方案为：所述应变梁22为方梁结构，所述应变梁22上设有两个半圆柱形凹槽，所述半圆柱形凹槽的背面粘贴两片所述应变片23，所述应变梁22的上表面设有两个应变梁上螺纹孔，所述应变梁22的下表面设有两个应变梁下螺纹孔，所述应变梁22与所述上转接盘21通过两根螺栓穿过所述上沉头孔与所述应变梁上螺纹孔连接。所述应变梁22与所述下转接盘24通过两根螺栓穿过所述下沉头孔与所述应变梁下螺纹孔连接。两根螺栓连接所述应变梁22与所述上转接盘21和所述下转接盘24，此结构提高所述应变式测扭矩传感器2的结构强度。所述应变梁22为方形结构，方梁结构便于在所述应变梁22的表面设置半圆柱形凹槽以及在所述半圆柱形凹槽的背面粘贴两片应变片，每根应变梁上均有两个半圆柱形凹槽，每个半圆柱形凹槽的背面粘贴应变片23，即两根应变梁22共粘贴四片应变片23个数为4个，其中两个所述应变梁(22)关于所述上转接盘(21)中心点与所述下转接盘(24)中心点的连线中心对称布置(即以所述连线为轴，旋转180度可完全重合)，两个所述半圆柱形凹槽设置在所述应变梁的同侧分别与所述应变梁垂直贯通，所述半圆柱形凹槽的槽口方向与以两个所述应变梁的距离为圆的其中一条切线的方向一致。当所述应变式测扭矩传感器2承受动态扭矩作用时，两根应变梁22均发生弯曲变形，由于圆弧效应使得每根应变梁都会在半圆柱形凹槽对应的位置(即图1中应变片23的粘贴位置)产生一正一负的应变集中区，因此四片应变片23中有两片处于正应变集中区，两片处于负应变集中区；两个正应变和两个负应变恰好可以组成一个等臂对称全桥电路，如图5所示，根据等臂对称全桥电路的原理可将四片应变片23进行合理布局，实现电压信号的放大。故此所述的应变式测扭矩传感器的测量分比率得到提高。应变片23必须与应变梁22进行牢固粘贴；需要通过螺栓或螺纹进行装配的，必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高该测量系统的刚度，保证其测量精度。在前面技术方案的基础上，进一步的优先方案为：所述上转接盘21为铝制元件，所述的下转接盘24为铝制元件，两根所述应变梁22为铝制元件。上述元件采用铝制，是为了铝制件的质量轻而导电性较好。
本发明一种微力螺旋测量装置，请参考图1至图5相关各图，在前面技术方案的基础上还可以是如图2所示，压电式测力传感器3包括外壳31、转接头32、绝缘片33、电极片34、压电片35、定位套36和底座37，所述外壳31、所述转接头32、所述绝缘片33、所述电极片34、所述压电片35、所述定位套36和所述底座37由从上向下的顺序安装，外壳31的里面设有外壳外螺纹，所述底座37的上表面设有底座内螺纹，所述外壳外螺纹与所述底座内螺纹相配合连接所述外壳31与所述底座37，所述压电式测力传感器外螺纹位于所述转接头32上端，通过所述压电式测力传感器外螺纹与所述下螺纹孔相配合连接所述转接头32与所述下转接盘24，所述底座37的上表面中心位置设有圆形限位槽，所述定位套36的下表面粘贴于所述圆形限位槽的底面上，所述定位套36的侧面设有两个定位槽和一个信号线引出孔，为方便安装可将一个所述定位槽与所述信号线引出孔位置结构设计成相连通，所述压电片35位于所述定位套内，将所述压电片35的极化方向设计为与轴向拉压方向一致，所述压电片35的负极与所述圆形限位槽的底面接触，所述压电片的正极与所述电极片34的下表面接触，所述绝缘片33侧面设有两个定位凸台，两个所述定位凸台位于所述定位槽内，所述绝缘片33上表面与所述转接头32下表面接触连接，所述底座37下端的下表面中心处设有圆孔，所述底座37下端的侧表面中心处设有螺纹孔，所述顶丝4与所述底座37下端侧表面中心处的螺纹孔相配合固定所述工具头5于所述底座37下端的下表面的圆孔内。
所述压电式测力传感器3由外壳31、转接头32、绝缘片33、电极片34、压电片35、定位套36以及底座37共七部分组成；将底座37、定位套36、压电片35、电极片34、绝缘片33、转接头32以及外壳31按照从下向上的顺序布置，并将底座37的外螺纹与外壳31的内螺纹进行拧紧装配，即可实现对压电式测力传感器3的组装以及对压电片35的预压紧；此种结构压电式测力传感器3结构强度高，测量精度和分辨率高，且便于组装。
在前面技术方案的基础上，进一步的优先方案为：所述外壳31、所述转接头32和所述底座37均为铝制元件，所述定位套36为硬塑料元件，所述电极片34为铜制元件，所述绝缘片33为陶瓷元件。所述转接头32和所述底座37采用铝制元件，是采用铝质元件的质轻以及导电性质，所述定位套36在所述压电式测力传感器3中起到支撑定位所述压电片35与所述绝缘片33的作用，所以采用了质轻而有足够硬度的硬塑料材料，所述绝缘片33在所述压电式测力传感器3中起到绝缘作用，所以采用了绝缘的陶瓷材料制备，所述电极片34在所述压电式测力传感器3中起到导电作用，所以采用导电性能良好的铜质材料制备。
在前面技术方案的基础上，进一步的优先方案为：所述工具头5为可拆卸设计，选择范围包括一字螺丝刀、十字螺丝刀以及钻头等。工具头的具体选择可根据工作要求进行调整。工具头多种选择扩大了本发明的应用范围。
基于上述测量装置，本发明的一种微力螺旋测量系统，包括：微力螺旋测量装置和数据处理单元6，所述微力螺旋测量装置包括手柄1、应变式测扭矩传感器2、压电式测力传感器3和工具头5，用于测量力螺旋数据，其中所述应变式测扭矩传感器的动态应变仪25用于为所述应变式测扭矩传感器2提供输入电压u，将所述应变式测扭矩传感器2的输出电压δu传递给所述数据处理单元6；所述数据处理单元6用于处理所述微力螺旋测量装置采集到的数据。
当工具头5承受微小力螺旋作用时，压电式测力传感器2和应变式测扭矩传感器3可分别实现对工具头5所受微小力螺旋中力分量和扭矩分量的测量，动态应变仪25采集应变时测扭矩传感器2的数据传输到数据处理单元6，经过处理即可得到相应的动态扭矩，压电式测力传感器3测量数据通过数据线传输到数据处理单元6，则经过处理即可得到相应的动态力。力螺旋测量系统中，所述应变式测扭矩传感器2具有结构强度高，测量分辨率高的特点；所述压电式测力传感器3同样具有结构强度高，测量精度和分辨率高的特点，从而整个测量系统具有结构强度高，测量精度和分辨率高的特性，其对力螺旋中力分量和扭矩分量的测量分辨率分别可达10-3n和10-3n·m，解决了现有技术中对于微小力螺旋测量不能同时兼具结构强度高和分辨率高的问题。当应变式测扭矩传感器2承受动态扭矩作用时，两根应变梁22均发生弯曲变形，由于圆弧效应使得每根应变梁22都会在半圆柱形凹槽对应的位置(即图1中应变片23的粘贴位置)产生一正一负的应变集中区，因此四片应变片23中有两片处于正应变集中区，两片处于负应变集中区；两个正应变和两个负应变恰好可以组成一个等臂对称全桥电路，根据等臂对称全桥电路的原理可将四片应变片23进行合理布局，实现了电压信号的放大。图5为等臂对称全桥电路的示意图，接入该电路的四片应变片23的电阻均为r，接入该电路的输入电压为u，该电路的输出电压为δu；其中u由动态应变仪25提供，δu是由于应变片23变形产生，并接入动态应变仪25；动态应变仪25采集到δu并通过信号线传输到数据处理单元6，此时，经过处理即可得到相应的动态扭矩。压电式力传感器3承受动态拉压力作用时，转接头32相对于外壳31和底座37具有沿压电片35极化方向的自由度，从而将所受外力转化成压电片35的应变；根据压电效应可知，此时压电式测力传感器3将会产生动态电压信号，将该信号通过信号线传输到数据处理单元6，则经过处理即可得到相应的动态力。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。