用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，屬一種力傳感器，所述三維力傳感器中包括彈性體結構的受力部分、中間部分與固定部分，所述受力部分置于中間部分的上方，固定部分置于中間部分的下方，所述中間部分的中部附近設有呈橫向的通孔，所述中間部分與固定部分之間還設有接線座，所述接線座中間部分上均貼有多個應變片，通過在彈性體結構上增設橫向的通孔，有效地提高了傳感器對三維力測量的精度和降低了多維力傳感器的維間耦合的問題，結合在中間部分上部和下部設計的臺階結構，進一步降低維間的耦合，依靠三組應變片分別測量X軸、Y軸及Z軸方向上的力，且傳感器上沒有運動部件，因此靈敏度高，測量準確，固有頻率高。
【專利說明】用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種力傳感器，更具體的說，本發明主要涉及一種用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的發展，三維力傳感器已經用在各行各業，1996年，上海第二醫科大學使用三維測力平臺測量6例股骨頭壞死病人術前術后步行三維步行足一地接觸力，并與正常人做比較。采用箔式電阻應變片粘貼在金屬彈性體上，制成三維力傳感器。用4個這樣的傳感器分別在四角支撐起力板，配合動態應變儀和數據采集卡，組成整個實驗測試系統。2002年，合肥智能機械所孫立寧等設計出了一種新型的三維力傳感器。考慮了傳統力學量傳感器的動力學性能和靜態標定指標等特性，對其各維靈敏度及維間耦合系數等指標予以充分考慮。結構設計時做到了對所測維的力有較好的靈敏度，而對于非所測維力盡可能不靈敏，這樣使維間耦合小，同時保證整個結構有足夠的剛度。三個方向的力量程均為O?3000N。2005年南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所研制出用于昆蟲爬行腳掌接觸力測試的3維微載荷傳感器陣列，該系統包括傳感單元16個3維微載荷傳感器，NI應變式測試系統，能夠實現微小3維力的測試、數據處理，傳感器的量程為±10mN，經過黃斑蠢的實驗測試，該系統可以較好的測試出昆蟲腳掌與不同的接觸面之間的作用力大小和方向。然而目前在汽車行業的后橋測量系統的三維力測量上仍缺乏應用的測量精度，導致汽車成品的后橋存在因三維力測量精度而導致的質量缺陷，因此有必要針對三維力傳感器在汽車行業的應用做進一步的改進和研究。
【發明內容】
[0003]本發明的目的之一在于針對上述不足，提供一種用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，以期望解決現有技術中汽車后橋測試系統精度不高，使得汽車成品存在因后橋三維力測量不精而導致的質量缺陷等技術問題。
[0004]為解決上述的技術問題，本發明采用以下技術方案:
[0005]本發明所提供的一種用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，所述三維力傳感器中包括彈性體結構的受力部分、中間部分與固定部分，所述受力部分置于中間部分的上方，固定部分置于中間部分的下方，所述中間部分的中部設有呈橫向的通孔，所述中間部分與固定部分之間還設有接線座，所述接線座與中間部分上均貼有多個應變片，所述多個應變片分為至少三組，每組組成惠斯通電橋，用于分別測量X軸、Y軸與Z軸方向的力。
[0006]作為優選，進一步的技術方案是:所述多個應變片至少為12個，且平均分為三組，其中由Rl、R2、R3、R4組成的第一惠斯通電橋位于中間部分的橫向通孔兩側邊的內側和外偵牝由R5、R6、R7、R8組成的第二惠斯通電橋以及由R9、RlO、Rll、R12組成的第三惠斯通電橋均置于接線座不同的邊緣上，且同一惠斯通電橋中的應變片兩兩相互對稱。
[0007]更進一步的技術方案是:所述多個應變片組成的惠斯通電橋的其中一端接入直流電源，另一端接入傳感信號接收裝置。
[0008]更進一步的技術方案是:所述傳感信號接收裝置中包括放大電路、數據采集電路與PC終端，用于由各個惠斯通電橋將受力產生的電壓值傳輸至放大電路，由放大電路將電壓值進行放大后經數據采集電路傳輸至PC終端，從而在PC終端得到三維力傳感器當前的力測試值。
[0009]更進一步的技術方案是:所述受力部分與中間部分之間還設有第一臺階，所述接線座與固定部分之間還設有第二臺階。
[0010]更進一步的技術方案是:所述受力部分頂部在與中間部分的橫向通孔軸向相交叉的方向上朝一側傾斜。
[0011]更進一步的技術方案是:所述中間部分中部附近的通孔為圓形通孔，且中間部分、接線座與固定部分均為矩形體。
[0012]更進一步的技術方案是:所述受力部分的頂部設有用于與測試安裝架固定的螺紋孔。
[0013]更進一步的技術方案是:所述固定部分上還設有多個圓形孔。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果之一是:通過在彈性體結構上增設橫向的通孔，有效地提高了傳感器對三維力測量的精度和降低了多維力傳感器的維間耦合的問題，結合在中間部分上部和下部設有的臺階結構，進一步降低維間的耦合，依靠三組應變片分別測量X軸、Y軸及Z軸方向上的力，且傳感器上沒有運動部件，因此靈敏度高，測量準確，固有頻率高，同時本發明所提供的一種用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器結構簡單，適于安裝在各類汽車后橋測試系統中測量其三維力的大小，應用范圍廣闊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為用于說明本發明一個實施例的結構示意圖；
[0016]圖2為圖1的右視結構示意圖；
[0017]圖3為圖1的俯視結構示意圖；
[0018]圖4為用于說明本發明另一個實施例中由應變片組成的惠斯通電橋的結構示意圖。
[0019]圖5為用于說明本發明再一個實施例中三維力傳感器應用結構框圖。
[0020]圖中，I為受力部分、2為第一臺階、3為中間部分、4為橫向通孔、5為第二臺階、6為固定部分、7為接線座、8為圓形孔、9為圓形孔、10為圓形孔、11為圓形孔、12為圓形孔、13為圓形孔、14為螺紋孔、15為螺紋孔、16為螺紋孔、17為螺紋孔。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明作進一步闡述。
[0022]參考圖1所示，本發明的一個實施例為一種用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，在本實施例中三維力傳感器中應當包括彈性體結構的受力部分1、中間部分3與固定部分6，所述受力部分I置于中間部分3的上方，固定部分6置于中間部分3的下方，所述中間部分3的中部設有呈橫向的通孔4，所述中間部分3與固定部分6之間還設有接線座7，所述接線座7與中間部分3上均貼有多個應變片，所述多個應變片分為至少三組，每組組成惠斯通電橋，用于分別測量X軸、Y軸與Z軸方向的力。前述彈性體可采用高強度的彈簧鋼加工制成。
[0023]在本實施例中，發明人最大的改進在于根據應力集中的相關原理，在彈性體的中間部分設有橫向的通孔4，有效地提高了傳感器對三維力測量的精度和降低了多維力傳感器的維間耦合。同時，實際應用中，為便于上述結構的設置，中間部分3中部附近的通孔4可設置為圓形通孔4，且中間部分3、接線座7與固定部分6均可設置為矩形體。正如上述所提到的，本發明所提出的傳感器是基于電阻應變式研制而成的。
[0024]結合參考圖2及圖3及圖4所示，在本發明的另一實施例中，為進一步提升多組應變片對力傳感的靈敏度，最好將上述的多個應變片至少為12個，且平均分為三組，其中由Rl、R2、R3、R4組成的第一惠斯通電橋位于中間部分3的橫向通孔4兩側邊的內側和外側，由R5、R6、R7、R8組成的第二惠斯通電橋以及由R9、R10、R11、R12組成的第三惠斯通電橋均置于接線座7不同的邊緣上，且同一惠斯通電橋中的應變片兩兩相互對稱。
[0025]其中，第一組應變片組由Rl、R2、R3和R4組成，測量X方向的力，當Fx作用時，Rl和R2受到壓應力的作用，R3和R4受到拉應力的作用，組成如圖4所示的惠斯通電橋；第二組應變片組由R5、R6、R7和R8組成，測量Y方向上的力，當Fy作用時，R5和R6受到拉應力的作用，R7和R8受到壓應力的作用，組成如圖4所示的惠斯通電橋；第三組應變片組由R9、RIO、Rll和R12組成，測量Z方向上的力，當Fz作用時，R9和RlO受到拉應力的作用，Rll和R12受到壓應力的作用，組成如圖4所示的惠斯通電橋，上述的惠斯通電橋輸入端接入直流電源，根據橋路輸入電壓和輸出電壓的下述關系，得到輸出電壓。
[0026]V Q=— Sn +! J/
[0027]在上式中，Utl表不輸出電壓，Ui表不輸入電壓,K表不應變片的靈敏系數，ε P ε 2、ε 3和ε 4分析表示惠斯通電橋中四個電阻應變片的應變量。
·[0028]最后根據傳感器某一方向上標定出的輸出電壓和加載的力值關系得到該方向上的力值。
[0029]同時，為了方便走線，還可在彈性體設有一定形狀的線槽，實際使用中，可直接將多個應變片組成的惠斯通電橋的其中一端接入直流電源，另一端接入傳感信號接收裝置。
[0030]參考圖5所示，在本發明的另一實施例中，發明人參考現有技術，認為上述傳感信號接收裝置的優選結構為:其中傳感信號接收裝置包括放大電路、數據采集電路與PC終端，用于由各個惠斯通電橋將受力產生的電壓值傳輸至放大電路，由放大電路將電壓值進行放大后經數據采集電路傳輸至PC終端，從而在PC終端通過軟件得到三維力傳感器當前的力測試值。
[0031]再參考圖1及圖3所示，在本發明用于解決技術問題，更加優選的一個實施例中，為進一步減小三維力傳感器維間的耦合性，還可在上述受力部分I與中間部分3之間增設第一臺階2，在接線座10與固定部分6之間還設有第二臺階5。并且，發明人認為效果更優的技術手段是在彈性體的固定部分上也增設多個圓形孔8、9、10、11、12、13。
[0032]仍然參考圖1所示，更進一步的為了與汽車的“V”型架連接，在“V”型架的開口處各連接一個傳感器，可將上述彈性體結構的受力部分I頂部設置為與中間部分3的橫向通孔4軸向相交叉的方向上朝一側傾斜，且為便于安裝，還可在受力部分I的頂部增設用于與測試安裝架固定的螺紋孔14、15、16、17。
[0033]按照上述多個實施例中所描述的傳感器結構，在其實際測試三維力的過程中，例如當Fx為120KN時，經過有限元計算，彈性體結構中最大應力為395MPa，應變量為:ε i =ε 2 =-9.26Χ10Λ ε 3 = ε 4 = 1.75 X 10_4，假設輸入電壓為5V，則輸出電壓為5.5mV ;第二組應變片組由R5、R6、R7和R8組成，在Fy作用下，R5和R6受到拉應力的作用，R7和R8受到壓應力的作用，組成如圖4所示的惠斯通全橋電路，當Fy為150KN時，經過有限元計算，最大應力為 lOOOMPa，ε 5 = ε 6 = 1.018 X 10-3，ε 7 = ε 8 =-1.018 X 10-3，假設輸入電壓為5V，則輸出電壓為10.18mV ;第三組應變片組由R9、RIO、Rll和R12組成，在Fz作用下，R9和RlO受到拉應力的作用，RlI和R12受到壓應力的作用，組成如圖4所示的惠斯通全橋電路，當Fz為150KN時，經過有限元計算，最大應力為1320MPa，ε 9 = ε 1(| = 1.127X 10-3，ε η = ε 12 = -1.127 X 10_3，假設輸入電壓為5V，則輸出電壓為11.27mV。基于上述試驗可知，本發明的最大量程為百萬牛。[0034]然而除上述以外，還需要說明的是在本說明書中所談到的“一個實施例”、“另一個實施例”、“實施例”等，指的是結合該實施例描述的具體特征、結構或者特點包括在本申請概括性描述的至少一個實施例中。在說明書中多個地方出現同種表述不是一定指的是同一個實施例。進一步來說，結合任一實施例描述一個具體特征、結構或者特點時，所要主張的是結合其他實施例來實現這種特征、結構或者特點也落在本發明的范圍內。
[0035]盡管這里參照本發明的多個解釋性實施例對本發明進行了描述，但是，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內。更具體地說，在本申請公開、附圖和權利要求的范圍內，可以對主題組合布局的組成部件和/或布局進行多種變型和改進。除了對組成部件和/或布局進行的變型和改進外，對于本領域技術人員來說，其他的用途也將是明顯的。
【權利要求】
1.一種用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述三維力傳感器中包括彈性體結構的受力部分(I)、中間部分(3)與固定部分(6)，所述受力部分(I)置于中間部分(3)的上方，固定部分(6)置于中間部分(3)的下方，所述中間部分(3)的中部設有呈橫向的通孔(4)，所述中間部分(3)與固定部分(6)之間還設有接線座(7)，所述接線座(7)與中間部分(3)上均貼有多個應變片，所述多個應變片分為至少三組，每組組成惠斯通電橋，用于分別測量X軸、Y軸與Z軸方向的力。
2.根據權利要求1所述的用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述多個應變片至少為12個，且平均分為三組，其中由R1、R2、R3、R4組成的第一惠斯通電橋位于中間部分(3)的橫向通孔(4)兩側邊的內側和外側，由R5、R6、R7、R8組成的第二惠斯通電橋以及由R9、R10、R11、R12組成的第三惠斯通電橋均置于接線座(7)不同的邊緣上，且同一惠斯通電橋中的應變片兩兩相互對稱。
3.根據權利要求2所述的用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述多個應變片組成的惠斯通電橋的其中一端接入直流電源，另一端接入傳感信號接收裝置。
4.根據權利要求3所述的用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述傳感信號接收裝置中包括放大電路、數據采集電路與PC終端，用于由各個惠斯通電橋將受力產生的電壓值傳輸至放大電路，由放大電路將電壓值進行放大后經數據采集電路傳輸至PC終端，從而在PC終端得到三維力傳感器當前的力測試值。
5.根據權利要求1所述的用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述受力部分(I)與中間部分(3)之間還設有第一臺階(2)，所述接線座(7)與固定部分(6)之間還設有第二臺階(5)。
6.根據權利要求1所述的用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述受力部分(I)頂部在與中間部分(3)的橫向通孔(4)軸向相交叉的方向上朝一側傾斜。
7.根據權利要求1所述的用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述中間部分(3)中部的通孔(4)為圓形通孔(4)，且中間部分(3)、接線座(7)與固定部分(6)均為矩形體。
8.根據權利要求6或7所述的用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述受力部分(I)的頂部設有用于與測試安裝架固定的螺紋孔(14、15、16、17)。
9.根據權利要求6或7所述的用于汽車后橋測試系統的三維力傳感器，其特征在于:所述固定部分(6)上還設有多個圓形孔(8、9、10、11、12、13)。
【文檔編號】G01L1/22GK103575435SQ201310470732
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】戴振東, 姚舉祿, 吉愛紅, 相立峰 申請人:南京神源生智能科技有限公司