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一种二维力_扭矩传感器的设计


(1)
4R 2
式中 M 为施加的扭矩 , N ·m; R 为弹性体半径 , m; l为杆
长 , m; m 为弯矩 , N ·m。
粘贴电阻应变计处的应变为
M ( l - a) 3M ( l - a)
ε = 4R 2 EW
=
2 2 ERδh2
,
(2)
式中 a为粘贴应变计处与杆端的距离 , m; E 为材料的弹
性模量 , M Pa; W 为杆件的截面参数 , m3;δ为杆件的厚度 ,
m; h为杆件的高度 , m。
同时 ,利用有限元软件 [5 ] , 对弹性元件的扭矩 M 、不同
结构参数 、应力之间线性关系进行了仿真分析和优化 ,其应
力分布如图 2所示 。
这个问题 。 本文中 ,法向力的测量采用与其类似的双孔平行梁式
首先 ,可以利用材料力学理论对弹性体进行简化分析 。 当弹性体受到扭力矩 M 后 ,一板两杆弯曲 ,这时 ,可以将一
板简化为两杆 , 这样 , 每根杆端的受力为 M , 弯矩为 m , 可 4R
以通过材料力学中解超静定杆的方法 , 并利用杆件左端的 转角等于零的条件 ,求解出杆端的弯矩为
m =M · l ,
2006年 第 25卷 第 1期 传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technology)
63
一种二维力 /扭矩传感器的设计 3
沈 辉 1, 2 , 吉爱红 1, 2 , 颜化冰 1, 2 , 黄卫清 3 , 戴振东 1, 2
(1. 南京航空航天大学 仿生结构与材料防护研究所 ,江苏 南京 210016; 2. 南京航空航天大学 机电学院 ,江苏 南京 210016;
64 传 感 器体的设计核心 。 原则是保证足够的轴向刚度的前提下 ,又能获得大的测量 范围和高的测量准确度 ,即在测量范围内 ,保证测量准确度 的前提下有良好的线性度 。
0 引 言 超声电机是一种基于压电陶瓷逆压电效应和超声振动
的新型电机 。目前 ,超声电机已广泛应用于照相机及摄像 机的自动调焦系统 ,在精密仪器以及航空航天领域也有许 多应用 [1 ] 。超声电机是通过摩擦驱动的 ,其定子 、转子摩 擦系数和适当的预压力对其输出扭矩和使用寿命有直接影 响 [2 ] ,因此 ,准确的扭矩和法向力 (预压力 )的测量显得格 外重要 ,这就需要研制专用的力传感器对其进行准确测量 。 本文针对试验要求设计了一种力传感器 ,它可以测量最大 量程为 2 N ·m 的扭矩 ,分辨力达到 0. 002 N ·m ,同时 ,可 以测量最大量程为 200N 的法向力 ,分辨力达到 0. 2 N。 1 结构设计
4 结 论 通过用材料力学理论对传感器进行设计 ,用有限元方
法进行分析 ,试验方法进行验证 ,得出这种力 /力矩传感器 的性能是可靠的 ,它不但能够消除微小扭杆在测量过程中 的不对称加载 、附加弯矩 、摩擦力等的影响 ,同时 ,还获得了 在 0~2 N ·m 作用范围内的 0. 002 N ·m 的分辨力 ,满足了 超声电机的摩擦力 /力矩的测量要求 。 参考文献 : [ 1 ] 赵淳生. 世界超声电机技术的新进展 [ J ]. 振动 、测试与诊断 ,
2003, 24 ( 1) : 1 - 5. [ 2 ] 孙合明 ,郭 辉. 纵扭复合型超声电机预压力和输出扭矩的
关系 [ J ]. 摩擦学学报 , 2001, 21 (1) : 51 - 54. [ 3 ] 陶宝祺 ,王 妮. 电阻应变式传感器 [M ]. 北京 : 国防工业出
版社 , 1993. 92 - 148. [ 4 ] 万德安 ,章阳宁. 一种新型扭矩传感器的研制 [ J ]. 传感器技
弹性体设计是力 /力矩传感器设计的关键 。在保证一 定刚度的前提下 ,应尽量提高弹性体的灵敏度 。试验要求 法向力和扭矩独立测量 ,为了将维间耦合影响尽量减少 ,分
别设计了测量扭矩的弹性体和测量法向力的弹性体 。 1. 1 扭矩弹性体设计
通常的薄壁圆筒型弹性体虽然有较好的刚度 ,但其测 量小量程扭矩的灵敏度较低 。本文采用的是一板两杆式结 构 [3 ] ,如图 1所示 。这样 ,可以把扭矩的测量转换为弯矩的 测量 ,从而可以获得较大的应变 。同时 ,这种结构也减少了 在竖直方向上力对其主应变的影响 ,维间耦合小 。
图 6 标定结果曲线 F ig 6 Curve of ca libra tion result 在图 6中 ,利用最小二乘法对数据进行了拟合 ,数据曲 线上面的拟合公式为加载拟合公式 ,下面拟合公式为减载 拟合公式 。 同时 ,对传感器的维间耦合也作了测试 。当扭矩弹性 体受到 200N 法向力 (即图 5中 Z 向 )的作用时 ,耦合影响 小于 0. 084 %。当法向力弹性体受到 2 N ·m 扭矩的作用 时 ,耦合影响小于 0. 13 %。另外 ,当扭矩弹性体分别受到 图 5中 X 方 向 和 Y 方 向 各 50 N 力 , 耦 合 影 响 分别 小 于 0. 9 %和 0. 6 % ,这一方面表明了扭矩传感器对空间 3个方 向上的力不敏感 ,另一方面 ,也证明了图 5的扭矩加载方法 的可靠 。
图 2 扭矩弹性体应力分布图 F ig 2 Stress d istr ibution d iagram of ela stic body for torque 最终确定参数 :弹性体半径 R = 0. 01 m ,杆件高度 h = 0. 002 m ,杆件厚度 δ= 0. 005m , 杆件长度 L = 0. 03m。材料 为硬铝合金 ,在应变最大处的对称地粘贴两对电阻应变计 , 组成惠斯登电桥 。
Abstract: A imed at special demands for measuring the friction force / torque of the stator and rotor in a rotational traveling wave ultrasonic motor, the elastic body of two2component sensor is op tim ized with finite element method. One dimension of the sensor measures mormal force, another measures torque. Its measurement range for normal force is 0~200N with 0. 09 % accuracy and measurement range for torque is 0~2N ·m w ith 0. 41 % accuracy. It can meet the experimental demands. Key words: force sensor; torque; ultrasonic motor; measurement; finite element method
弹性体 。这种结构也利用了应力集中 ,在不减弱弹性体刚 度的条件下 ,同样可以测得较大应变 。同时 ,消除了测力的 位置改变对法向力测量的影响 ,符合试验的要求 。弹性体 设计中 ,也利用有限元法对其进行了仿真分析和优化 ,其应 力分布如图 3所示 。
图 3 法向力弹性体应力分布图 F ig 3 Stress d istr ibulion d iagram of ela stic body for
类 型 测量范围
扭矩 0. 002~2 N ·m 法向力 0. 2~200 N
分辨力
0. 002 N ·m 0. 2 N
非线性 滞 后 重复性 精 度 ( % FS) ( % FS) ( % FS) ( % FS) 0. 11 0. 22 0. 21 ±0. 41 0. 04 0. 01 0. 05 ±0. 09
D esign of 2 d im en siona l force / torque sen sor
SHEN Hui1, 2 , J I A i2hong1, 2 , YAN Hua2bing1, 2 , HUAN G W ei2qing3 , DA I Zhen2dong1, 2
( 1. In st of B io2in sp ired Structure and Surface Eng in, Nan jing Un iversity of Aeronautics and A stronautics, Nan jing 210016, Ch ina;
图 1 测扭矩的弹性体示意图 F ig 1 Schema tic d iagram of ela stic body for torque m ea surem en t
收稿日期 : 2005 - 06 - 21 3 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50235010) ;国家 863计划资助项目 (2002AA423230)
术 , 2003, 22 ( 11) : 27 - 28. [ 5 ] 刘 涛 ,杨凤鹏. 精通 ANSYS [M ]. 北京 : 清华大学出版社 ,
1. 2 法向力弹性体设计 商业化的一维力传感器一般不仅对所测方向灵敏度较
高 ,而对其他方向的力也敏感 ,即其他方向的力和力矩对其 主应变也有影响 。而这一点应该尽量避免 ,日本学者 Koyu Abe[6 ]提出了一种 H型结构的平行梁结构 ,很好地解决了
图 4 检测电路示意图 F ig 4 Schema tic d iagram of detecting c ircu it 3 传感器的标定 扭矩传感器标定如图 5所示 ,所施加力的方向平行于 所贴电阻应变计的平面 ,这样 ,电阻应变计测量的应变就是 纯扭矩所产生的 [7 ] 。经过多次加载试验测试 ,获得结果如 图 6和表 1所示 。
3. 南京航空航天大学 超声电机研究中心 ,江苏 南京 210016)
摘 要 : 针对用于测试旋转型行波超声电机工作状态下定子 、转子摩擦力 /力矩的特殊要求 ,并利用有限 元法对传感器进行了结构优化 ,设计了组合式二维传感器 ,该传感器的一维测量法向正压力 ;另一维测量 扭矩 。法向力的量程为 0~200N ,准确度为 0. 09 % ;扭矩的量程为 0~2N ·m , 准确度为 0. 41 %。满足了 试验要求 。 关键词 : 力传感器 ; 扭矩 ; 超声电机 ; 测量 ; 有限元法 中图分类号 : TP212 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 9787 (2006) 01 - 0063 - 03
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