CN102338674A

CN102338674A - 一种五维力传感器

Info

Publication number: CN102338674A
Application number: CN2011102266307A
Authority: CN
Inventors: 崔建伟; 王爱民; 宋钰涛
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-08-09
Also published as: CN102338674B

Abstract

本发明公开了一种五维力传感器，包括两个二维力传感器和一个横梁，每个二维力传感器包括矩形截面梁，矩形截面梁的第一侧面和第三侧面上开有第一通孔、第二通孔和第一通槽；第二侧面和第四侧面上开有第三通孔、第四通孔和第二通槽，在第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔的两侧均分别设有应变片；横梁上开有第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔；在第五通孔和第六通孔之间开有第三通槽，在第七通孔和第八通孔之间开有第四通槽；在第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔的两侧均分别设有应变片；横梁固定连接在两个二维力传感器的顶端之间。该结构的五维力传感器结构简单，制造方便，适合大范围推广应用。

Description

一种五维力传感器

技术领域

本发明涉及一种多维力传感器，具体来说，涉及一种五维力传感器。

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、三维力传感器及五维力传感器，这些传感器结构简单，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：

一种五维力传感器，该五维力传感器包括两个二维力传感器和一个横梁，其中，所述的每个二维力传感器，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；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；所述的横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；在第一侧面和第三侧面上开有水平布置的第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔，第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔的轴线位于同一水平面中；第五通孔的轴线与第一通孔的轴线相互平行；在第五通孔和第六通孔之间开有第三通槽，该第三通槽连通第五通孔和第六通孔；在第七通孔和第八通孔之间开有第四通槽，该第四通槽连通第七通孔和第八通孔；在第五通孔的两侧分别设有一个第五应变片，该两个第五应变片分别粘贴在横梁的顶面和底面上；在第六通孔的两侧分别设有一个第六应变片，该两个第六应变片分别粘贴在横梁的顶面和底面上，在第七通孔的两侧分别设有一个第七应变片，该两个第七应变片分别粘贴在横梁的顶面和底面上，在第八通孔的两侧分别设有一个第八应变片，该两个第八应变片分别粘贴在横梁的顶面和底面上；所述的两个二维力传感器的第一侧面和横梁的第一侧面的朝向相同，两个二维力传感器的第二侧面的朝向相同，并且横梁固定连接在两个二维力传感器的顶端之间。

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。本技术方案中的五维力传感器结构简单。本五力传感器是在矩形截面梁和横梁上开设通孔和通槽，然后在矩形截面梁和横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，五维力传感器可以看做是六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。

4.可以当作四维力传感器使用。在本技术方案中，五维力传感器可以测量五维力。如果要求测量四维力，则将五维力传感器中的一个一维力信号置之不理，即可当作四维力传感器使用。同样，该五维力传感器也可以当作三维力传感器，或者二维力传感器使用。

附图说明

图1 为本发明的五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、横梁6、顶面61、第一侧面62、第五通孔6201、第六通孔6202、第七通孔6203、第八通孔6204、第三通槽6205、第四通槽6206、第五应变片7、第六应变片8、第七应变片9、第八应变片10、第三一维力传感器131、第四一维力传感器141。

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，本发明的一种五维力传感器，包括两个二维力传感器和一个横梁6。每个二维力传感器包括矩形截面梁1。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。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。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。横梁6包括相对的顶面61和底面，相对的第一侧面62和第三侧面，相对的第二侧面和第四侧面。在第一侧面62和第三侧面上开有水平布置的第五通孔6201、第六通孔6202、第七通孔6203和第八通孔6204。第五通孔6201、第六通孔6202、第七通孔6203和第八通孔6204的轴线位于同一水平面中。第五通孔6201的轴线与第一通孔1101的轴线相互平行。在第五通孔6201和第六通孔6202之间开有第三通槽6205。第三通槽6205连通第五通孔6201和第六通孔6202。在第七通孔6203和第八通孔6204之间开有第四通槽6206。第四通槽6206连通第七通孔6203和第八通孔6204。在第五通孔6201的两侧分别设有一个第五应变片7。两个第五应变片7分别粘贴在横梁的顶面61和底面上。在第六通孔6202的两侧分别设有一个第六应变片8。该两个第六应变片8分别粘贴在横梁的顶面61和底面上。在第七通孔6203的两侧分别设有一个第七应变片9。该两个第七应变片9分别粘贴在横梁的顶面61和底面上。在第八通孔6204的两侧分别设有一个第八应变片10。该两个第八应变片10分别粘贴在横梁的顶面61和底面上。两个二维力传感器的第一侧面11和横梁的第一侧面62的朝向相同，两个二维力传感器的第二侧面12的朝向相同，并且横梁6固定连接在两个二维力传感器的顶端之间。

[0013] 该结构的三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。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，Mx和Mz表示与坐标轴同向的力偶。具体来说，在三维力传感器的横梁6上进一步加工出第三一维力传感器131和第四一维力传感器141。当在矩形截面梁1上开设第一通孔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，这样就构成了第一一维力传感器111。当在矩形截面梁1上开设第三通孔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，这样构成第二一维力传感器121。当在横梁6上开设第五通孔6201、第六通孔6202和第三通槽6205时，在应变梁最敏感的四个位置粘贴第五应变片7和第六应变片8时，这样构成第三一维力传感器131。当在横梁6上开设第七通孔6203、第八通孔6204和第四通槽6206时，在应变梁最敏感的四个位置粘贴第七应变片9和第八应变片10时，这样构成第四一维力传感器141。如图1所示，假定左边的第一一维力传感器111的测量结果用F11表示，右边的第一一维力传感器111的测量结果用F21表示，左边的第二一维力传感器121的测量结果用F12表示，右边的第二一维力传感器121的测量结果用F22表示，第三一维力传感器131的测量结果用F31表示，第四一维力传感器141的测量结果用F32表示，而实际作用力用Fx、Fy、Fz、Mx和Mz表示。两个第一一维力传感器111的中心距用L1表示，第三一维力传感器131和第四一维力传感器141之间的距离用L2表示。对于五维力传感器，其测量方式用下列诸式表示：

Fx＝F12+F22

Fy＝F11+F21

Fz＝F31+F32

Mz＝(F12-F22)×L1

Mx＝(F32-F31)×L2

作用力Fz的正方向与Z轴一致，而Mx的方向按右手定则确定，它的正方向一般也定义为与X轴同向。两个第一一维力传感器111用于敏感Y方向的力Fy。两个第二一维力传感器121用于敏感X方向的力Fx及Z轴方向的力偶矩Mz。第三一维力传感器131和第四一维力传感器141用于敏感Z方向力和X轴方向的力偶矩Mx。从以上五个式子中可看出Fx、Fy、Fz之间是互不耦合的，而Fz、Mx虽然同时使用第三一维力传感器131和第四一维力传感器141，但由上述第三式和最后一式可看出Fz共模信号，即F31和F32的代数和与Z方向的力 Fz成正比，而Mz是差模信号，即F32和F31的代数差与Z方向的力偶Mz成正比，因此也具有与其它维测量信号及与Fx之间互不影响到的特点，即有所谓耦间解耦的特点。

Claims

1.一种五维力传感器，其特征在于，该五维力传感器包括两个二维力传感器和一个横梁（6），其中，

所述的每个二维力传感器，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；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；

所述的横梁（6）包括相对的顶面（61）和底面，相对的第一侧面（62）和第三侧面，相对的第二侧面和第四侧面；在第一侧面（62）和第三侧面上开有水平布置的第五通孔（6201）、第六通孔（6202）、第七通孔（6203）和第八通孔（6204），第五通孔（6201）、第六通孔（6202）、第七通孔（6203）和第八通孔（6204）的轴线位于同一水平面中；第五通孔（6201）的轴线与第一通孔（1101）的轴线相互平行；在第五通孔（6201）和第六通孔（6202）之间开有第三通槽（6205），该第三通槽（6205）连通第五通孔（6201）和第六通孔（6202）；在第七通孔（6203）和第八通孔（6204）之间开有第四通槽（6206），该第四通槽（6206）连通第七通孔（6203）和第八通孔（6204）；在第五通孔（6201）的两侧分别设有一个第五应变片（7），该两个第五应变片（7）分别粘贴在横梁的顶面（61）和底面上；在第六通孔（6202）的两侧分别设有一个第六应变片（8），该两个第六应变片（8）分别粘贴在横梁的顶面（61）和底面上，在第七通孔（6203）的两侧分别设有一个第七应变片（9），该两个第七应变片（9）分别粘贴在横梁的顶面（61）和底面上，在第八通孔（6204）的两侧分别设有一个第八应变片（10），该两个第八应变片（10）分别粘贴在横梁的顶面（61）和底面上；

所述的两个二维力传感器的第一侧面（11）和横梁的第一侧面（62）的朝向相同，两个二维力传感器的第二侧面（12）的朝向相同，并且横梁（6）固定连接在两个二维力传感器的顶端之间。

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。