[实用新型]一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器

说明书

本实用新型涉及一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，包括应变横梁、内轮辐和外轮辐，内轮辐与外轮辐分别作为力矩传感器的输入单元或输出单元，内轮辐与外轮辐之间安装有多个应变横梁，应变横梁内开设有通孔，应变横梁上设有与通孔对应的梁槽，该梁槽的开口处安装有压电薄膜。本实用在应变横梁上进行两次应力放大，第一次应力放大通过在应变横梁上开通孔来实现，第二次放大通过在通孔一侧或者两侧位置构建梁槽与压电薄膜构成梁膜结构进行第二次应力放大，这样能大大增加传感器的灵敏度；在检测力矩时，位于两次放大部位的压电薄膜在受力的同时会产生频率变化，通过对频率的测试实现力矩的检测，具有响应时间快，测量精度高，稳定性高等优点。

技术领域

本实用新型涉及压电材料力频特性检测技术领域，特别是涉及一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器。

背景技术

近些年来，机械臂在工业、物流、服务业等各个领域的使用频率不断增长。与此同时，机械臂与人同时作业的场景(如手动示教、康复机器人等)也显著增加。要完成人与机械臂的直接接触需要机械臂具备更加灵巧的运动和优秀的力控性能，这通常通过柔顺控制算法来实现。

柔顺控制算法的关键问题在于机械臂的接触力信息的获得。对于由多个旋转关节所组成的串联机器人来说，一般通过利用检测在施加的力矩时而产生形变的力矩传感器来得到力矩信息。

除了在机器人领域以外，还有许多领域需要力矩传感器来对力矩进行精准检测，如自动机床、钻探机械、汽车发动机等设备，总的来说，只要需要电机的设备都会涉及到力矩的检测，因此力矩传感器在各领域起着重要的作用。

由现有技术可知的各种用于检测力矩的装置应用最多的就是应变片式传感器。例如专利文献CN105965504A描述了一种用于检测力矩的装置，该装置使用四根横梁的轮辐结构结合金属应变仪作为敏感单元，并使用一种将应变仪交错连接的方法对力矩进行检测，该设计总共使用8个应变仪，其中四个应变片为一组组成电桥电路，在实现对应变仪的电阻值进行测量的同时通过特殊的电桥电路实现温度补偿，而另外四个应变仪的安装则是为了在保证整体结构对称性的同时提供另外一组电桥电路作为测量对比参考，减少测量误差，此种传统传感器的设计使得传感器的敏感单元数量太多，传感器的整体刚度会有所降低，同时采用应变片作为传感单元具有精度不高，测量速度慢,动态响应低的缺点。

专利文献CN106737773A则提出一种高刚度的传感器，利用新颖的结构设计，来提高整体结构的刚度，防止轴向和径向力对传感器进行干扰，但是敏感单元仍旧是使用8个金属应变片，且没有对传感单元进行提高灵敏度设计。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器在应变横梁上进行两次应力放大，第一次应力放大通过在应变横梁上开通孔来实现，第二次放大通过在通孔一侧或者两侧位置构建梁槽与压电薄膜构成梁膜结构进行第二次应力放大，这样能大大增加传感器的灵敏度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于压电材料力频特性检测的力矩传感器，包括应变横梁、内轮辐和外轮辐，所述的内轮辐与外轮辐分别作为力矩传感器的输入单元或输出单元，所述的内轮辐与外轮辐之间安装有多个应变横梁，该应变横梁内开设有通孔，所述的应变横梁上设有与通孔对应的梁槽，该梁槽的开口处安装有压电薄膜。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，每个应变横梁位于通孔的上、下两侧均对称布置有两个梁槽，每个梁槽内均安装有一压电薄膜。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的应变横梁共有两个且沿圆周方向对称布置，其中一个应变横梁侧面的两个压电薄膜为一组，另有一个应变横梁侧面的两个压电薄膜为另外一组，力矩作用时，每组中的两个压电薄膜分别受拉、受压形成差动式，处于相同的温度条件，数字电路在对这两个压电薄膜进行频率测量的同时，通过相减去除温度引起的频率变化，实现温度补偿，得到两组测量数据形成对比，去除温度的影响。