一种拉线位移传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器领域，具体涉及一种拉线位移传感器。


背景技术：

2.拉线位移传感器，也称拉绳位移传感器，简称拉线传感器或拉绳传感器。其内部有一根经传感器壳体开孔引出的测量线。测量线的连接端固定在被测物体上，当被测物体发生位移时，测量线随之被拉出。同时，测量线被拉出的长度由传感器转换为电信号，从而反馈被测物体的位移信息。由于测量线有挠性，拉线传感器可以灵活地测量各种运动下物体的位移量。
3.现有拉线传感器的结构主要包括：壳体、绕线盘、角度传感器、测量线、卷簧和放大电路。其中，壳体上设置有过线孔；绕线盘以转轴安装在壳体内，可以沿转轴转动；角度传感器通常是电位器或编码器，与绕线盘的转轴相连接；测量线缠绕在绕线盘上，且有一端通过壳体的开孔引出壳体；卷簧安装在绕线盘和壳体之间，对绕线盘施加转矩，从而保持测量线张紧。其工作原理是：被测物体运动，拉出测量线，克服卷簧弹力，带动绕线盘转动，绕线盘的转角被角度传感器和放大电路转换成电信号，并按所需的形式和范围输出。由于测量线被卷收在绕线盘上，现有拉线传感器的量程可以很长。
4.在实际应用中，拉线传感器主要被用来测量液压缸、气缸、导轨丝杠等动作较为简单但工作行程较长的构件的位移量。在这种情况下，现有的拉线传感器可以满足需求。但是，包括软体机器人在内的各种多自由度机器人上有许多小而复杂的位移量需要测量，需要布置很多拉线传感器。在这种情况下，若使用现有的拉线传感器，则其不仅无法发挥量程上的优势，反而会因占据过多的重量或体积，使系统过于繁重而难以接受。
5.应变片是一种用于测量应变的薄片状电阻元件。当其受外力作用产生机械变形时，其电阻值发生变化。这种变化可以被放大电路转换成各种形式的信号，通常转换为电压信号。使用时，应变片粘贴在被测物体表面，当被测物体的粘贴处出现应变时，应变片也随之产生机械变形，因而电阻值发生变化，并被放大电路转换成所需形式的电信号。


技术实现要素：

6.(一)解决的技术问题
7.本发明的目的是提供一种拉线位移传感器，解决现有拉线传感器因占据过多重量或体积而难以在多自由度机器人上大量布置的问题。
8.(二)技术方案
9.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种拉线位移传感器，包括壳体、悬臂梁、应变片、测量线和放大电路。其中，壳体上设置有过线孔；悬臂梁在壳体内部，固定端与壳体固定连接，自由端与测量线相连；应变片粘贴在悬臂梁上；测量线的一端通过壳体上的过线孔引出壳体。
10.悬臂梁与壳体可以借助3d打印的方法一体成型，也可以先分别制造，再将悬臂梁
的固支端通过螺纹、胶粘、成形等方法连接到壳体上。
11.悬臂梁使用具有良好弹性的材料制作，既可以使用金属材料，也可以使用高分子材料制作，推荐使用弹簧钢或尼龙。
12.悬臂梁的截面可以是各种形状，但最好在随测量线变形的方向上惯性积较小，以使悬臂梁自由端受很小的力即可产生很大的位移，而在垂直于变形的方向上惯性积稍大，以使悬臂梁的变形限制在平面内。因此，悬臂梁的截面最好为矩形。除了通过设计截面形状，也可以通过设置导槽等方法对悬臂梁加以限制，使其变形发生在一个平面内。
13.悬臂梁中性面的投影可以是直线，也可以是曲线或直线与曲线的组合。其设计主要是为了使悬臂梁自由端被测量线拉动而扫过的轨迹可以近似看作为一条指向过线孔的直线。
14.对于测量线的布置，既可以将其一端直接以螺纹、卡扣、打结、胶粘等方式中的一种或多种固定在悬臂梁自由端，另一端穿过壳体的过线孔引出；也可以将其一端固定在壳体的过线孔旁，先穿过悬臂梁自由端的开孔后，再折返穿过壳体的过线孔引出，从而构成动滑轮结构，增加行程并减小测量线上的张力。
15.应变片属于现有技术。应变片能够测量的应变大小是有限度的，以bf350-3aa型应变片为例，其可以测量的最大应变约为2％。因此，对于悬臂梁上粘贴应变片的位置，其应变量不能超过应变片的测量范围。考虑到不希望应变片随悬臂梁大幅运动，应变片最好粘贴在靠近悬臂梁固支端的位置。悬臂梁粘贴应变片的位置的截面可以加宽，以便粘贴应变片和限制应变量。
16.悬臂梁上可以只粘贴一个温度自补偿应变片，也可以粘贴一组应变片并通过桥路法实现温度补偿。
17.测量线的引出端装有卡头，以防止线端意外缩回壳体内。卡头上可以有开孔，以便安装在被测物体上。
18.壳体内可以设置限位块，限制悬臂梁的最大变形，也即限制测量线被拉出的最大长度。
19.壳体内可以设置限位块，限制悬臂梁的最小变形，也即限制在测量线上维持张力时测量线被拉出的最小长度。
20.放大电路属于现有技术。拉动测量线，测量线伸出一定长度，同时使悬臂梁变形，引起应变片阻值的变化。放大电路将应变片阻值的变化放大，按所需形式和幅值输出电信号。
21.悬臂梁因发生弹性变形而产生的弹力维持测量线上的张力，使测量线保持张紧。
22.一个壳体内可以设置一组测量绳、悬臂梁和应变片，构成可以测量一个位移量的单路拉线位移传感器，也可以设置多组测量绳、悬臂梁和应变片，构成可以测量多个位移量的多路拉线位移传感器。
23.(三)有益效果
24.与现有技术相比，本发明具有以下的优点：
25.1.由于用悬臂梁-应变片结构取代了绕线盘-编码器(或电位器)-扭簧结构，省去了轴系，使传感器体积小、重量轻、结构紧凑。
26.2.当测量线的张力一定时，由于悬臂梁结构的惯量比绕线盘-扭簧结构的小，即使
被测物体突然加速减速，悬臂梁结构也可以很好随动，故本发明提出的传感器的动态性能更好。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明的单路拉线位移传感器的整体外形示意图。
29.图2为本发明的单路拉线位移传感器的内部结构示意图。
30.图3为本发明的多路拉线位移传感器的整体外形示意图。
31.图4为本发明的多路拉线位移传感器的内部结构示意图。
32.图5为本发明的多路拉线位移传感器的内部结构示意图。
33.图6为本发明的多路拉线位移传感器的内部结构示意图的俯视图。
34.图7为本发明的多路拉线位移传感器的悬臂梁的示意图。
35.其中：1-壳体，2-测量线，3-悬臂梁，4-应变片；11-壳体安装孔，12-壳体上测量线的过线孔，13-多路拉线位移传感器的壳体上用于安装悬臂梁的方柱，14-多路拉线位移传感器的壳体上用于安装测量线固定端的开孔；21-测量线测量端的卡头，22-测量线在传感器一侧的线端；31-悬臂梁的固定端，32-悬臂梁上应变片的粘贴处，33-悬臂梁的自由端。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅只是本发明的个别实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明的目的是提供一种拉线位移传感器，解决现有拉线传感器因占据过多重量或体积而难以在多自由度机器人上大量布置的问题。其具有体积小、重量轻、结构紧凑和动态性能好的优点。
38.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.具体实施方式1：
40.下面结合图1-2说明本实施方式。本实施方式具体说明一种单路拉线位移传感器，其具有一根测量绳，可以测量一个位移量。
41.如图1所示，从外部可以看到本实施例的壳体1和测量绳2。其中，壳体1上设置有安装孔11；测量绳2末端具有卡头21，卡头21上设置有安装孔211。壳体1的材料是pla，厚度为2mm，其外形最大尺寸是125mm
×
120mm
×
12mm；测量线2是线径0.7mm的尼龙线。使用时，壳体1和卡头21通过各自的安装孔11和211固定到参考物和被测物上。
42.如图2所示，除壳体1和测量绳2，本实施例还包括悬臂梁3和应变片4。其中，悬臂梁3的固定端31固定在壳体上；悬臂梁的应变片粘贴位置32加宽，用于粘贴应变片4；自由端33
处突出一根细柱，用于连接测量绳2。应变片4以胶粘的方式固定在悬臂梁上，其放大电路略。除卡头21所在的一端外，测量线2的另一端22缠绕、打结在悬臂梁3的自由端33的突出细柱上并用胶水粘牢，其另一端经过壳体1的开孔12引出到传感器外，并在卡头21的作用下被限制在传感器外。
43.悬臂梁3的基本形状是一条直线和一条90度圆弧相切而构成的曲线，直线长40mm，圆弧半径为40mm。悬臂梁3的截面形状为矩形，截面宽度为2mm，截面高度为1mm。为了匹配应变片的尺寸和量程，悬臂梁3在应变片粘贴位置32处的截面宽度增加至5mm。应变片粘贴位置32的下方与壳体有1mm的间距。本实施例的悬臂梁3与壳体1通过3d打印一体成型，其固定端31实际是壳体1的一个凸起结构，无需装配。
44.应变片4的型号是bf350-3aa，胶粘在悬臂梁3的应变片粘贴位置32处。其后接的放大电路(图中未画出)将应变片4电阻值的变化转换成电压信号，幅值为3-4v。放大电路属于现有技术，实施例中不作介绍。
45.本实施例给出的传感器量程为80mm，重量约30克，外形尺寸参考壳体1的尺寸为125
×
120
×
12mm。当测量线被拉出最大长度时，悬臂梁变形使测量线上产生的张力不超过0.5n。要说明的是，传感器的量程虽受悬臂梁的变形限制，但与测量线的长度无关。因此，测量线的长度可以是任意的，这意味着本发明提出的传感器可以通过调整测量线的长度，测量或近或远不同距离被测物的位移。
46.具体实施方式2：
47.下面结合图3-7说明本实施方式。本实施方式具体说明一种三路拉线位移传感器，其具有三根测量绳，可以测量三个位移量。
48.如图3所示，从外部可以看到本实施例的壳体1和三根测量绳2。其中，壳体1上设置有安装孔11；测量绳2末端具有卡头21，卡头21上设置有安装孔211，测量绳2的另一端22固定在壳体上。壳体1的材料是尼龙，厚度为3mm，其外形最大尺寸是100mm
×
90mm
×
26mm；测量线2是线径0.5mm的尼龙线。使用时，壳体1和卡头21通过各自的安装孔11和211固定到参考物和被测物上。
49.如图4-7所示，除壳体1和测量绳2，本实施例还包括悬臂梁3和应变片4。与实施例1不同，本实施例中的悬臂梁3和壳体1是分别加工再进行装配的。其中，三个悬臂梁3通过固定端31的方孔311叠放安装壳体1的方柱13上；悬臂梁的应变片粘贴位置32加宽，用于粘贴应变片4；悬臂梁3的自由端33处有开孔和一根细圆柱，用于连接测量绳2。应变片4以胶粘的方式固定在悬臂梁上，其放大电路略。测量线2从壳体1外经开孔14进入壳体内部，并留下线端22以胶粘固定在开孔14上；进入壳体1后，测量线2穿过悬臂梁3在自由端33处的开孔后绕细圆柱折回，经开孔12引出壳体；引出壳体1后，在测量线的线端安装卡头21，以防止线端缩回传感器内。如图6所示，在这种方式下，测量线2与悬臂梁3的自由端33组成了类似动滑轮的结构，起到增大量程、减小测量线上张力的作用。
50.悬臂梁3的基本形状是一条直线和一条90度圆弧相切而构成的曲线，直线长20mm，圆弧半径为20mm。悬臂梁3的截面形状为矩形，截面宽度为3mm，截面高度为1mm。为了匹配应变片的尺寸和量程，悬臂梁3在应变片粘贴位置32处的截面宽度增加至5mm。应变片粘贴位置32下方与相邻的悬臂梁或壳体有1mm的间距。悬臂梁3的固定端31的尺寸为15mm
×
15mm
×
6mm，其上开有8mm的方孔311。本实施例的悬臂梁3与壳体1以尼龙材料分别加工制成。
51.应变片4的型号是bf350-3aa，胶粘在悬臂梁3的应变片粘贴位置32处。其后接的放大电路(图中未画出)将应变片4电阻值的变化转换成数字信号，范围为0-255。放大电路属于现有技术，实施例中不作介绍。
52.本实施例给出的传感器量程为60mm，重量约60克，外形尺寸参考壳体1的尺寸为100
×
90
×
26mm。当测量线被拉出最大长度时，悬臂梁变形使测量线上产生的张力不超过0.4n。要说明的是，传感器的量程虽受悬臂梁的变形限制，但与测量线的长度无关。因此，测量线的长度可以是任意的，这意味着本发明提出的传感器可以通过调整测量线的长度，测量或近或远不同距离被测物的位移。
53.尽管已经描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。