CN102305678A

CN102305678A - 一种二维力传感器

Info

Publication number: CN102305678A
Application number: CN201110226610A
Authority: CN
Inventors: 崔建伟; 吴建锋; 宋钰涛
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-01-04

Abstract

本发明公开了一种二维力传感器，包括矩形截面梁，该矩形截面梁包括相对的顶面和底面，相对的第一侧面和第三侧面，相对的第二侧面和第四侧面；第一侧面和第三侧面上开有上下布置的第一通孔和第二通孔，在第一通孔和第二通孔之间开有第一通槽，在第一通孔的两侧分别设有一个第一应变片，在第二通孔的两侧分别设有一个第二应变片，在第二侧面和第四侧面上开有上下布置的第三通孔和第四通孔，第三通孔的轴线和第一通孔的轴线相互垂直，在第三通孔和第四通孔之间开有第二通槽，在第三通孔的两侧分别设有一个第三应变片，在第四通孔的两侧分别设有一个第四应变片。该结构的二维力传感器结构简单，制造方便，适合大范围推广应用。

Description

一种二维力传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体来说，涉及一种二维力传感器。

背景技术

多维力传感器能够测量三维空间中多个力的分量，在机器人、自动控制、虚拟现实技术等诸多领域中有广泛的用途。目前，关于多维力传感器已经进行了大量的研究，形成了多种专利技术，但传感器作为一种机械量——电量转换器件，它的实现方法主要是：由某种对力敏感的弹性结构将力的作用转换成结构的变形，在变形处粘贴应变片，应变片与会敏感元件一起发生弹性变形，同时应变片的变形与其电阻对应，这就实现了机械量——电量的转换。可见，能敏感机械量的敏感结构决定了多维力传感器的基本形式，目前主要有以下三大类；（1）基于十字梁结构的多维力传感器，其典型结构如公告号为CN1425903A的中国专利文件公开的传感器，这种传感器用整体制造的十字形应变梁作敏感结构，将空间力转换成十字梁的变形；在应变梁上粘贴应变片用以测量十字梁的变形，同时就可以测量出不同方向的力。根据需要，粘贴不同数量的应变片还可以设计成2～6维不同形式的多维力传感器。（2）基于筒形结构的多维力传感器，典型结构如公告号为CN201561825.U的中国专利文件公开的传感器，这种传感器的特点是在一个圆筒上不同位置沿圆周方向及轴向方向开槽，以增加圆筒的弹性，从而形成可以将力转换成变形的弹性敏感结构，粘贴应变片就可以测量多维力；（3）各种基于并联机构的多维力传感器，典形结构如公告号为CN101329208A的中国专利文件公开的传感器，它是一种基于Stewart并联机构的多维力传感器。这些传感器的共同缺点是制造都很困难，不宜推广应用。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种二维力传感器，结构简单，制造方便，适合大范围推广应用。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种二维力传感器，包括矩形截面梁，该矩形截面梁包括相对的顶面和底面，相对的第一侧面和第三侧面，相对的第二侧面和第四侧面；

第一侧面和第三侧面上开有上下布置的第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔的轴线相互平行，且位于同一竖面中；在第一通孔和第二通孔之间开有第一通槽，该第一通槽连通第一通孔和第二通孔；在第一通孔的两侧分别设有一个第一应变片，该两个第一应变片分别粘贴在第二侧面和第四侧面上；在第二通孔的两侧分别设有一个第二应变片，该两个第二应变片分别粘贴在第二侧面和第四侧面上；

在第二侧面和第四侧面上开有上下布置的第三通孔和第四通孔，第三通孔和第四通孔的轴线相互平行，且位于同一竖面中；第三通孔的轴线和第一通孔的轴线相互垂直，在第三通孔和第四通孔之间开有第二通槽，该第二通槽连通第三通孔和第四通孔；在第三通孔的两侧分别设有一个第三应变片，该两个第三应变片分别粘贴在第一侧面和第三侧面上；在第四通孔的两侧分别设有一个第四应变片，该两个第四应变片分别粘贴在第一侧面和第三侧面上。

有益效果：与现有技术相比，采用本发明的技术方案的有益效果：

1.传感器结构简单，制造方便，适合大范围推广应用。本技术方案中的二维力传感器结构简单。本二维力传感器是在矩形截面梁上开设通孔和通槽，然后在矩形截面梁上粘贴应变片即可。在制作时，由于开孔和开槽的工艺简单，因此，这些传感器的制作也十分简便，适合大范围推广应用。

2.采集数据简单，并且测量精度高。在本技术方案中，二维力传感器可以看做是两个一维力传感器的线性叠加，每个一维力传感器由两个孔和一个槽组成。每个一维力传感器的结构和测试电路都具有模块化的特点，因此，各一维力传感器间是互相独立的，互不影响的。虽然形式上力与力偶之间共用一组传感器测量，但测量力取传感器的共模信号，力偶取传感器的差模信号，因此，也具有正交的特点，这就解决了多维力之间维间耦合问题，提高了测量精度。

3. 传器信号处理过程简单。在本技术方案中，每个一维力传感器的输出信号都是一一对应的，并且成线性关系，因此具有直接输出型多维力传感器信号处理过程简单的优点。此外，由于每个一维力传感器可以看做一个模块，本发明所述的传感器具模块化的特点，模块的结构相似，其测量电路也相似并可独立调试，与现有的多维力传感器相比，就省去了综合标定的步骤，大大简化了传感器调试的工作量，并有利于提高测量精度。

附图说明

图1 为本发明的二维力传感器的结构示意图。

图中有：矩形截面梁1、第一侧面11、第二侧面12、第一通孔1101、第二通孔1102、第一通槽1103、第一应变片2、第二应变片3、第三通孔1201、第四通孔1202、第二通槽1203、第三应变片4、第四应变片5、第一一维力传感器111、第二一维力传感器121。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，一种二维力传感器，包括矩形截面梁1。该矩形截面梁1可采用铝合金材料制成。矩形截面梁1包括顶面、底面、第一侧面11、第二侧面12、第三侧面和第四侧面，其中，顶面和底面相对设置，第一侧面11和第三侧面相对设置，第二侧面12和第四侧面相对设置。第一侧面11和第三侧面上开有上下布置的第一通孔1101和第二通孔1102。第一通孔1101和第二通孔1102的轴线相互平行，且位于同一竖面中。在第一通孔1101和第二通孔1102之间开有第一通槽1103。第一通槽1103连通第一通孔1101和第二通孔1102。在第一通孔1101的两侧分别设有一个第一应变片2。这两个第一应变片2分别粘贴在第二侧面12和第四侧面上。在第二通孔1102的两侧分别设有一个第二应变片3。这两个第二应变片3分别粘贴在第二侧面12和第四侧面上。同时，在第二侧面12和第四侧面上开有上下布置的第三通孔1201和第四通孔1202。第三通孔1201和第四通孔1202的轴线相互平行，且位于同一竖面中。第三通孔1201的轴线和第一通孔1101的轴线相互垂直。在第三通孔1201和第四通孔1202之间开有第二通槽1203。第二通槽1203连通第三通孔1201和第四通孔1202。在第三通孔1201的两侧分别设有一个第三应变片4。这两个第三应变片4分别粘贴在第一侧面11和第三侧面上。在第四通孔1202的两侧分别设有一个第四应变片5。这两个第四应变片5分别粘贴在第一侧面11和第三侧面上。

该结构的二维力传感器作用原理是：当矩形截面梁1受力变形时，将同时引起应变片电阻值的变化，该电阻值表征了受力的大小。具体来说，如图1所示，图中标出了三维坐标X、Y、Z，按力学的习惯约定，三个坐标轴不仅代表坐标的正方向，也代表一个正方向的作用力，字母X、Y、Z表示坐标的名称，而用Fx、Fy、Fz表示与坐标轴同向的力。在矩形截面梁1上开通孔和通槽后，矩形截面梁1就变成了应变梁。应变梁的壁厚就不一致。应变梁壁厚最薄处是其最敏感的位置。当开设第一通孔1101、第二通孔1102和第一通槽1103时，在应变梁最敏感的四个位置粘贴第一应变片2和第二应变片3，这样就构成了一个类似望元镜结构的敏感元件。该部分的敏感元件构成第一一维力传感器111，该第一一维力传感器111能敏感Y方向的力Fy。X、Z方向的力对第一应变片2和第二应变片3的作用力大小相同，方向相反，进而抵消，即X、Z方向的力不影响两个第一应变片2和两个第二应变片3的示值（示值是指应变片的电阻），故第一一维力传感器111只能敏感Y轴方向的作用力。同样道理，当开设第三通孔1201、第四通孔1202和第二通槽1203时，在应变梁最敏感的四个位置粘贴第三应变片4和第四应变片5，这样也构成了一个类似望元镜结构的敏感元件。该部分的敏感元件构成第二一维力传感器121。第二一维力传感器121只能敏感X方向的力Fx。Y、Z方向的力对第三应变片4和第四应变片5的作用力大小相同，方向相反，进而抵消，即Y、Z方向的力不影响两个第三应变片4和两个第四应变片5的示值（示值是指应变片的电阻），故第二一维力传感器121只能敏感X轴方向的作用力。因此，该结构的二维力传感器具有结构解耦的特点。

Claims

1.一种二维力传感器，其特征在于，包括矩形截面梁（1），该矩形截面梁（1）包括相对的顶面和底面，相对的第一侧面（11）和第三侧面，相对的第二侧面（12）和第四侧面；

第一侧面（11）和第三侧面上开有上下布置的第一通孔（1101）和第二通孔（1102），第一通孔（1101）和第二通孔（1102）的轴线相互平行，且位于同一竖面中；在第一通孔（1101）和第二通孔（1102）之间开有第一通槽（1103），该第一通槽（1103）连通第一通孔（1101）和第二通孔（1102）；在第一通孔（1101）的两侧分别设有一个第一应变片（2），该两个第一应变片（2）分别粘贴在第二侧面（12）和第四侧面上；在第二通孔（1102）的两侧分别设有一个第二应变片（3），该两个第二应变片（3）分别粘贴在第二侧面（12）和第四侧面上；

在第二侧面（12）和第四侧面上开有上下布置的第三通孔（1201）和第四通孔（1202），第三通孔（1201）和第四通孔（1202）的轴线相互平行，且位于同一竖面中；第三通孔（1201）的轴线和第一通孔（1101）的轴线相互垂直，在第三通孔（1201）和第四通孔（1202）之间开有第二通槽（1203），该第二通槽（1203）连通第三通孔（1201）和第四通孔（1202）；在第三通孔（1201）的两侧分别设有一个第三应变片（4），该两个第三应变片（4）分别粘贴在第一侧面（11）和第三侧面上；在第四通孔（1202）的两侧分别设有一个第四应变片（5），该两个第四应变片（5）分别粘贴在第一侧面（11）和第三侧面上。

2.按照权利要求1所述的二维力传感器，其特征在于，所述的矩形截面梁（1）采用铝合金材料制成。