一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器的制作方法
本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種力矩傳感器，特別涉及一種裝設于機器人關節上的基于電容邊緣效應的力矩傳感器。
背景技術：
目前在力矩測量中，檢測力矩的傳感器應用十分廣泛，按力矩信號產生的方式可分為光學式、光電式、磁電式與應變式等，其中市場上較為成熟的力矩傳感器主要是電磁式和應變式。磁電式力矩傳感器輸出信號的本質是兩路具有相位差的角位移信號，對信號進行組合處理后得到力矩信息，它是無磨損的非接觸式傳感器，然而體積較大，不適合在串聯型機器人領域測量機器人關節傳遞的力矩，且不易安裝；應變式力矩傳感器通常結構復雜，力矩解耦困難，需要額外信號放大電路、a/d轉換器等，目前此類傳感器價格較為昂貴。
目前電容式扭矩傳感器，例如中國專利cn201344846y提出的一種基于電容的動態扭矩傳感器，其軸與外殼相對位置發生變化，則軸兩端的電容信號會產生相位差，通過檢測這個電容差值，從而建立起電容差與扭矩之間的關系，實現扭矩的測量，此電容式扭矩傳感器結構尺寸較大，只能在特定場合使用，不易于在串聯型機器人領域檢測力矩。部分學者基于電容邊緣效應研制出垂直電極型電容傳感器，其靈敏度相比于傳統的平行電極式電容傳感器受電極間距影響較小。然而仍然存在線性度較差、靈敏度較低和靈敏度、量程不可調節等問題。
因此本發明將針對上述存在的問題，提出一種新型的基于電容邊緣效應的力矩傳感器，用于檢測力矩信號，并易應用于串聯機器人等各個領域，并且所述力矩傳感器具有高靈敏度、高線性度和可調節量程、靈敏度等特點。
技術實現要素：
本發明的目的在于，克服傳感器靈敏度和線性度低等問題，設計一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器，以提高力矩檢測的靈敏度和線性度，以及實現靈敏度和量程的可調節能力。
為實現上述目標，本發明的主要技術方案如下：
一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器，其特征在于它至少包括電容器部分和機械本體部分。
電容器部分至少包括感應電容的靜電極7和感應電容的動電極6。感應電容的靜電極7至少包括一塊金屬片10和基板4-2。感應電容的靜電極7與基板4-1連接并位于感應電容的動電極6的最外端，即感應電容的動電極6的最大變形處，從而可獲得較大電容變化量，且感應電容的靜電極7沿傳感器軸向放置并垂直感應電容的動電極6，以此形成具有變形量大即高靈敏度以及感應電容的動電極6和感應電容的靜電極7之間間距均勻變化的電容器3。感應電容的動電極6為機械本體一部分，成薄懸臂梁形式，且位于傳感器內圈1和傳感器外圈2之間，并與傳感器內圈1固連為一體，隨著傳感器內圈1轉動，在感應電容的動電極6末端處產生最大變形。基板4-1通過固定孔9和調節孔13與傳感器外圈2連接，可以通過基板4-1的調節孔13來調節基板4-1和傳感器外圈2之間的相對位置，以此改變感應電容的動電極6和感應電容的靜電極7之間的初始間距，即實現對傳感器量程和靈敏度的調節。
電容器3的感應電容的靜電極7放置在感應電容的動電極6同側，且至少具有兩個電容器3，并成中心對稱分布，形成一種基于電容邊緣效應的差動式測量結構，以此提高傳感器的線性度。
機械本體部分至少包括傳感器內圈1、傳感器外圈2和梯形梁5。梯形梁5至少具有四個且為輪輻式分布，與傳感器內圈1和傳感器外圈2連接，傳感器外圈2通過傳感器外圈連接孔12與輸出端連接，傳感器內圈1通過傳感器內圈連接孔11與輸入端連接；梯形梁5將力矩由傳感器內圈1傳遞到傳感器外圈2，并產生一定的變形，從而改變感應電容的動電極6和感應電容的靜電極7之間的間距，通過感應元件檢測電容器電容信號，進而通過相應轉換得出力矩值。
本發明的有益效果是：
1、本發明所述的力矩傳感器采用電容作為測量值，相比傳統的在彈性梁上貼應變片的方式而言，本發明所述的一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器具有對彈性梁要求低、彈性梁表面加工要求低和測量電路簡單等優點。
2、本發明所述力矩傳感器的感應電容的靜電極與感應電容的動電極采用相互垂直放置方式，相比平行電極板式的電容傳感器的靈敏度受位移變化影響較大和電容輸出量具有嚴重非線性而言，本發明所述的力矩傳感器的靈敏度受電極間距影響更小，且具有較高線性度等優點。
3、本發明所述的力矩傳感器的感應電容的靜電極設置在感應電容的動電極懸臂梁最遠端，相比平行分布方式或感應電容的靜電極沿徑向分布方式而言，本發明所述的一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器能夠檢測到感應電容的動電極最大變形量，即可獲得最大電容變化量，且感應電容的靜電極與感應電容的動電極各處的間距均勻變化，使傳感器靈敏度大幅提高。
4、本發明所述的一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器，可以通過調節基板和傳感器外圈的相對位置來改變感應電容的動電極和感應電容的靜電極之間的初始間距，從而實現了初始間距的可調節能力，即能夠改變傳感器的量程和靈敏度。
附圖說明
圖1為一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器結構示意圖。
圖2為一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器另一結構示意圖。
圖3為電容器結構示意圖。
圖4為電容器工作原理圖。
附圖中：1-傳感器內圈；2-傳感器外圈；3-電容器；4-基板；5-梯形梁；6-感應電容的動電極；7-感應電容的靜電極；8-基板凹槽；9-固定孔；10-金屬片；11-傳感器內圈連接孔；12-傳感器外圈連接孔；13-調節孔。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本發明。
實施例：如附圖1、附圖2、附圖3和附圖4所示，本發明所述的一種基于電容邊緣效應的力矩傳感器，包括電容器部分和機械本體部分。電容器部分至少包括感應電容的靜電極7和感應電容的動電極6；感應電容的靜電極7至少包括一塊金屬片10和基板4-2；機械本體部分至少包括傳感器內圈1、傳感器外圈2和梯形梁5。
在附圖1和附圖2示出的實施例中，基板4-1通過調節孔13和固定孔9與傳感器外圈2連接，可以通過基板4-1的調節孔13來調節基板4-1和傳感器外圈2之間的相對位置，以此改變感應電容的動電極6和感應電容的靜電極7之間的初始間距，從而實現初始間距可調節的能力，即能夠改變傳感器的量程和靈敏度。傳感器外圈2與負載相連，傳感器內圈1受輸入扭矩時，梯形梁5發生變形使感應電容的動電極6產生相應的轉動，從而使感應電容的動電極6和感應電容的靜電極7的垂直間距發生變化，引起電容值產生變化，通過感應元件檢測電容器電容信號，通過相應轉換得出力矩值。
在附圖3和附圖4示出的實施例中，基于電容邊緣效應原理，使感應電容的靜電極7垂直感應電容的動電極6，并保持一定的初始間距。感應電容的靜電極7與基板4-1連接并位于感應電容的動電極6的最外端，利用感應電容的動電極6的最大變形來得到較大電容變化量，具有高靈敏度的優點，同時相比感應電容的靜電極7沿徑向放置，本發明所述感應電容的靜電極7沿軸向放置具有能夠使感應電容的動電極6與感應電容的靜電極7的垂直間距均勻變化和間距變化量最大的優點。
在附圖3示出的實施例中，所述感應電容的靜電極7至少包括一塊金屬片10和基板4-2，且金屬片10位于基板4-2中間或兩側任意一邊；附圖3中，兩塊金屬片10分別位于基板4-2的兩側且并聯連接，當感應電容的動電極6與感應電容的靜電極7的垂直間距發生變化時能夠提高電容變化量，即可以提高傳感器的靈敏度。
在附圖1和附圖2示出的實施例中，本發明所述梯形梁5為梯形結構，發生變形時其與軸向平行的側面上的應力變化比較均勻，能夠提高梯形梁5的強度和可靠性。
在附圖2示出的實施例中，本發明所述調節孔13為環形孔，同樣可以采用其它形狀孔實現此調節功能，如采用長方形孔、橢圓孔和u型孔等。
在附圖2示出的實施例中，本發明采用調節孔13調節感應電容的動電極6與感應電容的靜電極7之間的垂直間距(上下位置)，實現對量程和靈敏度的調節；同樣可以采用如較大圓形孔等同時對垂直間距(上下位置)和水平位置(左右位置)進行調節；或采用沿感應電容的動電極6方向設置的環形孔等進行水平位置(左右位置)調節，都可以實現對傳感器量程和靈敏度的調節。
本發明所述的采用垂直電極電容器基于電容邊緣效應原理，具體為：根據電磁學原理，當一個很薄的極板和另一個極板垂直放置且保持一定間隙時，若在兩極板間加載電壓，則兩極之間將形成一個電場，稱為邊緣場，這種現象稱為邊緣效應，產生的電容稱為邊緣電容。
根據鏡像原理及復變函數理論，可建立極板間隙和極板間電容之間的數學關系：
其中，h為兩極間距離；h為垂直電極的高度；w為垂直電極的寬度；ε為封裝電極片基介電常數。
由上式可知，當極板初始間距h0改變δh時，初始電容c0改變δc，即有：
電容變化量δc為：
當極板初始間隙很小時，對其按泰勒公式展開：
其中，δc為變化的電容量，δh為極板間變化的位移，h0為極板初始間距。
δh<<h0時，可用
即有：
δθ＝a·δt
其中δθ為轉角變化量，δt為扭矩變化量，a為系數。
可得：
δh＝δθ·l＝a·δtl
其中l為感應電容的靜電極7與傳感器中心的距離。
由此可得：
傳感器靈敏度：
由上式可得：傳感器靈敏度k與l成正比，與h0成反比。當感應電容的靜電極7放置在感應電容的動電極6最外端即l最大時，可獲得最大靈敏度；當調節感應電容的靜電極7與感應電容的動電極6的初始間距時可以實現對傳感器靈敏度的調節；當初始間距h0變化時，傳感器的感應電容的靜電極7與感應電容的動電極6能達到的極限距離和初始間距h0的差值也會變化，即傳感器能夠達到的最大變形量δh也變化，由δh＝a·δtl得最大扭矩也會產生相應的變化，即實現對量程的調節。
本發明所述基于電容邊緣效應的力矩傳感器的工作原理如下：傳感器外圈2與負載固接，傳感器內圈1受輸入扭矩時，通過梯形梁5傳遞到傳感器外圈2，實現力矩的輸出，同時梯形梁5發生彈性變形，從而使感應電容的動電極6與感應電容的靜電極7的垂直間距發生變化，通過感應元件檢測電容器電容信號，進而得出力矩值。
以上僅是本發明的具體應用范例，對本發明的保護范圍不構成任何限制。除上述實施例外，本發明還可以有其它實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明所要求保護的范圍之內。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！