专利名称：具有过载保护功能的三轴力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三轴力传感器，具体涉及一种具有过载保护功能的三轴力传感
O
背景技术：
三轴力传感器可广泛应用于航空、航天、建筑、机械加工、汽车、机器人等众多领域。三轴力传感器已成为目前急需的高科技产品之一，其研制已受到高度重视。但是，三轴力传感器的研制存在如下难点一，安装和使用过程中的过载，使弹性元件发生塑性形变导致传感器永久性损坏；二，传感器输出信号的远距离传输导致信号的信噪比很低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有过载保护功能的三轴力传感器，解决了安装和使用过程中弹性元件过载问题以及输出信号的远距离传输导致的信噪比低的问题。为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为具有过载保护功能的三轴力传感器，包括底座1，弹性元件3固定在底座1上端的槽口内，第一连接杆6 —端固定在弹性元件3顶端，第一连接杆6球形端与球铰7铰接，第二连接杆8固定在球铰7上，第二连接杆8的另一端卡住第三连接杆9，第三连接杆9与被测构件连接，过载保护壳2卡在底座1上端的槽口外部，使过载保护壳2顶端和弹性元件3 顶端水平，三个内六方螺钉11安装在过载保护壳2的顶部，电路板4固定在底座1下端内， 电路板4上的六个侧旋电位器的旋钮18通过底座1上的开口 17露出，电路板4的输出信号线和电源线通过底座1上的开孔16传输到传感器外部，电路板4下部设置有底板5，底板 5固定在底座1上。所述电路板4的电路包括电源部分和信号放大部分，信号放大部分含有三个信号放大电路，分别对应三轴力传感器测量每个轴上的力输出的电压信号，三个信号放大线路原理完全相同，且三个信号放大电路共用一个电源电路。所述电源部分电路为，自恢复保险Fl —端和接口 OUT第一脚+24V相接，另一端和肖基特二极管Dl正极相接，肖基特二极管Dl的负极和电容Cl及电感Ll相接，电容Cl的另一端和稳压电源模块Ul的第一脚GND相接，同时和接口 OUT的第二脚OV相接，电感Ll的另一端和稳压电源模块Ul的第二脚相接，稳压电源模块Ul的第六脚+VO和电感L2的一端相接，电感L2的另一端和电容C3、电容C2以及稳压器U2的第三脚VIN相接，并引出+12V 端，为信号放大电路提供+12V的电压，电容C2、电容C3的另一端和信号地AGND相接，稳压电源模块Ul第七脚OV和信号地AGND相接，稳压电源模块Ul的第八脚-VO和电感L4的一端相接，电感L4的另一端和电容C6、电容C7以及稳压器U3的第二脚VIN相接，并引出-12V 端，为信号放大电路提供-12V的电压，电容C6、电容C7的另一端和信号地AGND相接，稳压器U2的第一脚VOUT和电容C4的一端相接，并引出+5V端，为信号放大电路提供+5V的电压，电容C4的另一端和信号地AGND相接，稳压器U2的第二脚GND和信号地AGND相接，稳压器U3的第三脚VOUT和电容C9的一端相接，并引出-5V端，为信号放大电路提供-5V的电压，电容C9的另一端和信号地AGND相接，稳压器U3的第一脚GND和信号地AGND相接；接口 OUT第一脚+24V和第二脚OV分别和MVDC电源正负极相接，接口 OUT第三脚OUTx，第四脚OUTy，第五脚OUTz分别接第一轴，第二轴，第三轴放大后的电桥输出信号， 第六脚和信号地AGND相接，电感L5 —端和信号地AGND相接，另一端和电容C13相接，电容 C13的另一端和机壳地GND相接。所述测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路为，接口 INX第一脚+5V、第四脚-5V分别和电源电路的+5V端、-5V端相接，接口 INX的第二脚-INX和芯片U4x的第二脚-IN相接，接口 INX的第三脚+INX和芯片U4x的第三脚+IN相接，电阻Rl的两端分别和芯片U4x第一脚-RG、第八脚+RG相接，芯片U4x第四脚-VS、芯片U5x第四脚V-跟电源电路的-12V端相接，芯片U4x第七脚+VS、芯片U5x第八脚V+跟电源电路的+12V端相接，芯片 U4x的第五脚REF和芯片U5x的第一脚0UTA、芯片U5x的第二脚-INA相接，芯片U4x的第六脚OUT和电阻R5 —端相接，电阻R5的另一端和电容C10、芯片U5x的第五脚+INB相接， 电容ClO的另一端和信号地AGND相接，芯片U5x的第三脚+INA和侧旋电位器x0的第二脚相接，侧旋电位器x0的第一脚和电阻R2相接，侧旋电位器x0的第三脚和电阻R3相接，电阻R2的另一端和电源电路的+5V端相接，电阻R3的另一端和电源电路的-5V端相接，芯片 U5x的第六脚-INB和侧旋电位器χ第二脚相接，侧旋电位器χ的第一脚和电阻R6相接，侧旋电位器χ的第三脚和电阻R7相接，电阻R6的另一端和信号地AGND相接，电阻R7的另一端和芯片U5x的第七脚0UTB、电源电路接口 OUT第三脚OUTx相接。所述弹性元件上有三组应变片，第一组贴在弹性元件的上部侧面，第二组应变片贴在弹性元件中部侧面，第三组应变片贴在弹性元件底部，第一组应变片包括第一应变片 RA1、第二应变片RB1、第三应变片RCl和第四应变片RD1，四个应变片组成全桥用来测量第一轴上的力，第二组应变片包括第一应变片RA2、第二应变片RB2、第三应变片RC2和第四应变片RD2，四个应变片组成全桥用来测量第二轴上的力，第三组应变片包括第一应变片 RA3、第二应变片RB3、第三应变片RC3和第四应变片RD3，四个应变片组成全桥用来测量第三轴上的力。所述第一组应变片为第一应变片RAl —端和第四应变片RDl相接，并和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第一脚+5V相接，第一应变片RAl另一端和第二应变片RBl相接，并和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX 的第二脚-INX相接。第三应变片RCl两端分别和第四应变片RD1、第二应变片RBl未与第一应变片RAl相接的那一端相接，与第四应变片RDl相接那一端还和和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第三角脚+INX相接，与第二应变片RBl相接的那一端还和和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第四脚-5V相接。所述第二组应变片、第三组应变片的桥路组成方法及接线方法和第一组应变片的完全相同。本发明和现有技术相比，具有如下优点通过对三轴力传感器过载保护装置的创新和传感器底座中电路的设计，提供了一种结构紧凑，装配方便的具有过载保护功能的三轴力传感器；其特点在于被测构件通过传感器结构顶端的第三连接杆和固定装置与传感器弹性元件连接，该传感器在底座上固定有过载保护壳，在底座上和过载保护壳内带有传感器弹性元件，且弹性元件上设置有应变片和底座电路中的接线端口连接组成惠斯通电桥，在安装过程中，过载保护壳上的内六方螺钉顶紧弹性元件，通过限定弹性元件的形变可以防止传感器过载损坏，在测量过程中，松开保护壳上顶紧弹性元件的内六方螺钉，使弹性元件可以正常工作，且过载保护壳可以限定弹性元件的最大位移，防止传感器弹性元件发生过大形变而产生塑性形变，被测构件受到力的作用引发弹性元件的微小形变，进而应变片发生相应的形变，随后同步影响到其和对应的接线端口相连接组成的惠斯通电桥输出信号，输出信号经过底座中电路的放大，且可以通过底座中的开口调节电路板上侧旋电位器进而改变电路中信号的放大倍数，这样放大后的输出信号导线通过底座中的开孔传出，由此输出信号电压便可得到被测构件所受的力的大小，这样的传感器很好的解决了安装和使用过程中弹性元件过载，内嵌的放大电路使输出信号的远距离传输导致的信噪比很低的现象得到明显改善，并且结构简单，安装方便。
图1是具有过载保护功能的三轴力传感器结构图。图2是具有过载保护功能的三轴力传感器零件爆炸图。图3是传感器电源部分电路图。图4是测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路图。图5是传感器弹性元件上应变片所贴位置示意图，其中，图5(A)是第一组应变片所贴位置示意图；图5(B)是第二组应变片所贴位置示意图；图5(C)是第三组应变片所贴位置示意图。图6是第一组应变片电桥连接示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明结构原理和工作原理作进一步详细说明。如图1、图2所示，本发明具有过载保护功能的三轴力传感器，包括底座1，弹性元件3通过四个螺钉15固定在底座1上端的圆形槽口内，过载保护壳2通过四个内六方螺钉 10卡在底座1上端的槽口外部，使过载保护壳2顶端和弹性元件3顶端水平，三个内六方螺钉11安装在过载保护壳2的顶部，电路板4由四个螺钉14固定在底座1下端内，电路板4 上的六个侧旋电位器的旋钮18通过底座1上的开口 17露出，电路板4的输出信号线和电源线通过底座1上的开孔16传输到传感器外部，电路板4下部设置有底板5，底板5由四个螺钉13固定在底座1上，第一连接杆6 —端固定在弹性元件3顶端，第一连接杆6球形端与球铰7铰接，第二连接杆8固定在球铰7上，第二连接杆8的另一端通过两个内六方螺钉 19卡住第三连接杆9，第三连接杆9与被测构件连接。电路板4的电路包括电源部分和信号放大部分，信号放大部分含有三个信号放大电路，分别对应三轴力传感器测量每个轴上的力输出的电压信号，三个信号放大线路原理完全相同，且三个信号放大电路共用一个电源电路。如图3所示，电源部分电路为，自恢复保险Fl —端和接口 OUT第一脚+24V相接， 另一端和肖基特二极管Dl正极相接，肖基特二极管Dl的负极和电容Cl及电感Ll相接，电容Cl的另一端和稳压电源模块Ul的第一脚GND相接，同时和接口 OUT的第二脚OV相接，电感Ll的另一端和稳压电源模块Ul的第二脚相接，稳压电源模块Ul的第六脚+VO和电感L2 的一端相接，电感L2的另一端和电容C3、电容C2以及稳压器U2的第三脚VIN相接，并引出 +12V端，为信号放大电路提供+12V的电压，电容C2、电容C3的另一端和信号地AGND相接， 稳压电源模块Ul第七脚OV和信号地AGND相接，稳压电源模块Ul的第八脚-VO和电感L4 的一端相接，L4的另一端和电容C6、电容C7以及稳压器U3的第二脚VIN相接，并引出-12V 端，为信号放大电路提供-12V的电压，电容C6、电容C7的另一端和信号地AGND相接，稳压器U2的第一脚VOUT和电容C4的一端相接，并引出+5V端，为信号放大电路提供+5V的电压，电容C4的另一端和信号地AGND相接，稳压器U2的第二脚GND和信号地AGND相接，稳压器U3的第三脚VOUT和电容C9的一端相接，并引出-5V端，为信号放大电路提供-5V的电压，电容C9的另一端和信号地AGND相接，稳压器U3的第一脚GND和信号地AGND相接； 接口 OUT第一脚+24V和第二脚OV分别和MVDC电源正负极相接，接口 OUT第三脚OUTx，第四脚OUTy，第五脚OUTz分别和第一轴，第二轴，第三轴放大后的电桥输出信号相接，第六脚和信号地AGND相接。电感L5 —端和信号地AGND相接，另一端和电容C13相接，电容C13 的另一端和机壳地GND相接。如图4所示，测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路为，接口 INX第一脚+5V、 第四脚-5V分别和电源电路的+5V端、-5V端相接，接口 INX的第二脚-INX和芯片U4x的第二脚-IN相接，接口 INX的第三脚+INX和芯片U4x的第三脚+IN相接，电阻Rl的两端分别和芯片U4x第一脚-RG、第八脚+RG相接，芯片Mx第四脚-VS、芯片TOx第四脚V-跟电源电路的-12V端相接，芯片U4x第七脚+VS、芯片U5x第八脚V+跟电源电路的+12V端相接， 芯片U4x的第五脚REF和芯片U5x的第一脚0UTA、芯片U5x的第二脚-INA相接，芯片U4x 的第六脚OUT和电阻R5 —端相接，电阻R5的另一端和电容C10、芯片U5x的第五脚+INB相接，电容ClO的另一端和信号地AGND相接，芯片TOx的第三脚+INA和侧旋电位器x0的第二脚相接，侧旋电位器x0的第一脚和电阻R2相接，侧旋电位器x0的第三脚和电阻R3相接， 电阻R2的另一端和电源电路的+5V端相接，电阻R3的另一端和电源电路的-5V端相接，芯片U5x的第六脚-INB和侧旋电位器χ第二脚相接，侧旋电位器χ的第一脚和电阻R6相接， χ的第三脚和电阻R7相接，电阻R6的另一端和信号地AGND相接，电阻R7的另一端和芯片 U5x的第七脚0UTB、电源电路接口 OUT第三脚OUTx相接。如图5所示，弹性元件上有三组应变片，第一组贴在弹性元件的上部侧面，第二组应变片贴在弹性元件中部侧面，第三组应变片贴在弹性元件底部，第一组应变片包括第一应变片RA1、第二应变片RB1、第三应变片RCl和第四应变片RD1，四个应变片组成全桥用来测量第一轴上的力，第二组应变片包括第一应变片RA2、第二应变片RB2、第三应变片RC2和第四应变片RD2，四个应变片组成全桥用来测量第二轴上的力，第三组应变片包括第一应变片RA3、第二应变片RB3、第三应变片RC3和第四应变片RD3，四个应变片组成全桥用来测量第三轴上的力。如图6所示，第一组应变片为第一应变片RAl —端和第四应变片RDl相接，并和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第一脚+5V相接，第一应变片 RAl另一端和第二应变片RBl相接，并和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第二脚-INX相接。第三应变片RCl两端分别和第四应变片RD1、第二应变片RBl未与第一应变片RAl相接的那一端相接，与第四应变片RDl相接那一端还和和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第三角脚+INX相接，与第二应变片RBl相接的那一端还和和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第四脚-5V 相接。第二组应变片、第三组应变片的桥路组成方法及接线方法和第一组应变片的完全相同。本发明的工作原理为被测构件受到力的作用引发弹性元件3的微小形变，进而弹性元件3上的应变片发生相应的形变，随后同步影响到其和对应的接线端口相连接组成的惠斯通电桥输出的电压信号，输出信号经过底座1中电路板4中电路的放大作用，且可以通过底座1中的开口 17调节电路板上侧旋电位器旋钮18进而改变电路中电压信号的放大倍数，这样放大后的输出信号，经由导线通过底座1中的开孔16传出，由此输出电压信号便可得到被测构件所受的力的大小。
权利要求
1.具有过载保护功能的三轴力传感器，包括底座(1)，弹性元件⑶固定在底座⑴上端的槽口内，第一连接杆(6) —端固定在弹性元件C3)顶端，第一连接杆(6)球形端与球铰(7)铰接，第二连接杆(8)固定在球铰(7)上，第二连接杆(8)的另一端卡住第三连接杆 (9)，第三连接杆(9)与被测构件连接，其特征在于过载保护壳( 卡在底座(1)上端槽口外部，使过载保护壳( 顶端和弹性元件C3)顶端水平，三个内六方螺钉(11)安装在过载保护壳( 的顶部，电路板(4)固定在底座(1)下端内，电路板(4)上的六个侧旋电位器的旋钮(18)通过底座⑴上的开口 17露出，电路板(4)的输出信号线和电源线通过底座 ⑴上的开孔(16)传输到传感器外部，电路板⑷下部设置有底板(5)，底板(5)固定在底座⑴上。
2.根据权利要求1所述的三轴力传感器，其特征在于所述电路板(4)的电路包括电源部分和信号放大部分，信号放大部分含有三个信号放大电路，分别对应三轴力传感器测量每个轴上的力输出的电压信号，三个信号放大线路原理完全相同，且三个信号放大电路共用一个电源电路。
3.根据权利要求2所述的三轴力传感器，其特征在于所述电源部分电路为，自恢复保险Fl —端和接口 OUT第一脚+24V相接，另一端和肖基特二极管Dl正极相接，肖基特二极管Dl的负极和电容Cl及电感Ll相接，电容Cl的另一端和稳压电源模块Ul的第一脚GND 相接，同时和接口 OUT的第二脚OV相接，电感Ll的另一端和稳压电源模块Ul的第二脚相接，稳压电源模块Ul的第六脚+VO和电感L2的一端相接，电感L2的另一端和电容C3、电容 C2以及稳压器U2的第三脚VIN相接，并引出+12V端，为信号放大电路提供+12V的电压，电容C2、电容C3的另一端和信号地AGND相接，稳压电源模块Ul第七脚OV和信号地AGND相接，稳压电源模块Ul的第八脚-VO和电感L4的一端相接，电感L4的另一端和电容C6、电容 C7以及稳压器U3的第二脚VIN相接，并引出-12V端，为信号放大电路提供-12V的电压，电容C6、电容C7的另一端和信号地AGND相接，稳压器U2的第一脚VOUT和电容C4的一端相接，并引出+5V端，为信号放大电路提供+5V的电压，电容C4的另一端和信号地AGND相接， 稳压器U2的第二脚GND和信号地AGND相接，稳压器U3的第三脚VOUT和电容C9的一端相接，并引出-5V端，为信号放大电路提供-5V的电压，电容C9的另一端和信号地AGND相接， 稳压器U3的第一脚GND和信号地AGND相接；接口 OUT第一脚+24V和第二脚OV分别和MVDC电源正负极相接，接口 OUT第三脚 OUTx，第四脚OUTy，第五脚OUTz分别接第一轴，第二轴，第三轴放大后的电桥输出信号，第六脚和信号地AGND相接，电感L5 —端和信号地AGND相接，另一端和电容C13相接，C13的另一端和机壳地GND相接。
4.根据权利要求2所述的三轴力传感器，其特征在于所述测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路为，接口 INX第一脚+5V、第四脚-5V分别和电源电路的+5V端、-5V端相接，接口 INX的第二脚-INX和芯片U4x的第二脚-IN相接，接口 INX的第三脚+INX和芯片U4x的第三脚+IN相接，电阻Rl的两端分别和芯片U4x第一脚-RG、第八脚+RG相接，芯片Mx第四脚-VS、芯片TOx第四脚V-跟电源电路的-12V端相接，芯片U4x第七脚+VS、芯片U5x第八脚V+跟电源电路的+12V端相接，芯片U4x的第五脚REF和芯片U5x的第一脚 0UTA、芯片U5x的第二脚-INA相接，芯片U4x的第六脚OUT和电阻R5 —端相接，电阻R5的另一端和电容ClO、芯片U5x的第五脚+INB相接，电容ClO的另一端和信号地AGND相接，芯片Uh的第三脚+INA和侧旋电位器xO的第二脚相接，侧旋电位器xO的第一脚和电阻R2 相接，侧旋电位器xO的第三脚和电阻R3相接，电阻R2的另一端和电源电路的+5V端相接， 电阻R3的另一端和电源电路的-5V端相接，芯片U5x的第六脚-INB和侧旋电位器χ第二脚相接，χ的第一脚和电阻R6相接，χ的第三脚和电阻R7相接，电阻R6的另一端和信号地 AGND相接，电阻R7的另一端和芯片U5x的第七脚0UTB、电源电路接口 OUT第三脚OUTx相接。
5.根据权利要求1所述的三轴力传感器，其特征在于所述弹性元件上有三组应变片， 第一组贴在弹性元件的上部侧面，第二组应变片贴在弹性元件中部侧面，第三组应变片贴在弹性元件底部，第一组应变片包括第一应变片RA1、第二应变片RB1、第三应变片RCl和第四应变片RD1，四个应变片组成全桥用来测量第一轴上的力，第二组应变片包括第一应变片 RA2、第二应变片RB2、第三应变片RC2和第四应变片RD2，四个应变片组成全桥用来测量第二轴上的力，第三组应变片包括第一应变片RA3、第二应变片RB3、第三应变片RC3和第四应变片RD3，四个应变片组成全桥用来测量第三轴上的力。
6.根据权利要求5所述的三轴力传感器，其特征在于所述第一组应变片为第一应变片RAl —端和第四应变片RDl相接，并和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第一脚+5V相接，第一应变片RAl另一端和第二应变片RBl相接，并和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第二脚-INX相接。第三应变片RCl两端分别和第四应变片RD1、第二应变片RBl未与第一应变片RAl相接的那一端相接，与第四应变片RDl相接那一端还和和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第三角脚+INX相接，与第二应变片RBl相接的那一端还和和测量第一个轴上的力所对应的信号放大电路上的接口 INX的第四脚-5V相接。
7.根据权利要求5所述的三轴力传感器，其特征在于所述第二组应变片、第三组应变片的桥路组成方法及接线方法和第一组应变片的完全相同。
全文摘要
具有过载保护功能的三轴力传感器，包括底座，弹性元件固定在底座上端的槽口内，第一连接杆一端固定在弹性元件顶端，第一连接杆球形端与球铰铰接，第二连接杆固定在球铰上，第二连接杆的另一端卡住第三连接杆，第三连接杆与被测构件连接，过载保护壳卡在底座上端的槽口外，过载保护壳顶端和弹性元件顶端水平，三个内六方螺钉安装在过载保护壳的顶部，电路板固定在底座下端内，电路板上的旋钮通过底座上的开口露出，电路板的输出信号线和电源线通过底座上的开孔传输到传感器外部，电路板下部设置有固定在底座上底板；本传感器很好的解决了安装和使用过程中弹性元件过载，内嵌的放大电路使输出信号的远距离传输导致的信噪比很低的现象得到明显改善。
文档编号G01L1/22GK102519635SQ20111038909
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者冯勃, 卢天健, 安增勇, 徐明龙, 王战, 翟崇朴, 陶福洋 申请人:西安交通大学