CN102338675A

CN102338675A - 一种三维力传感器

Info

Publication number: CN102338675A
Application number: CN2011102266504A
Authority: CN
Inventors: 崔建伟; 宋爱国; 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

Abstract

本发明公开了一种三维力传感器，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，矩形截面梁包括相对的顶面和底面，第一侧面和第三侧面，第二侧面和第四侧面；第一侧面和第三侧面上开有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第三通孔和第四通孔；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；横梁固定连接在两个二维力传感器的顶端之间。该三维力传感器结构简单，制造方便，适合大范围推广应用。

Description

一种三维力传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多维力传感器，具体来说，涉及一种三维力传感器。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一一电量转换器件，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，这就实现了机械量一电量的转换。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CN1013^208A 的中国专利文件公开的传感器，它是一种基于Mewart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

[0002] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种三维力传感器，该三维力传感器结构简单，制造方便，适合大范围推广应用。

[0003] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种三维力传感器，该三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；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；所述的两个二维力传感器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。

[0004] 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。本技术方案中的三维力传感器结构简单。本三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。

[0005] 2.采集数据简单，并且测量精度高。在本技术方案中，三维力传感器可以看做是四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。

[0006] 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

[0007] 图1为本发明的三维力传感器的结构示意图。

[0008] 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。

具体实施方式

[0009] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

[0010] 如图1所示，本发明的一种三维力传感器，包括两个二维力传感器和一个横梁6，其中，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。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。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。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1202孔之间开有第二通槽 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。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。两个第四应变片5分别粘贴在第一侧面11 和第三侧面上。两个二维力传感器的第一侧面11的朝向相同，两个二维力传感器的第二侧面12的也朝向相同，并且横梁6固定连接在两个二维力传感器的顶端之间。

[0011]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。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i^x、Fy、i^表示与坐标轴同向的力，Mz表示与Z 轴同向的力偶。三维力传感器实际上包含了两组二维力传感器，或者四个一维力传感器，因此这些传感器用横梁6连接后形成传感器可以看作若干简单传感器的线性叠加，而横梁6 还起到便于用户施加工作载荷的作用。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。当在矩形截面梁1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。本技术方案的三维力传感器包括两个第一一维力传感器111和两个第二一维力传感器121。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Fll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，而实际作用力用h、Fy、MZ表示。两个二维力传感器的中心距用Ll表示，则h、Fy、MZ可表示四个测量结果的代数和形式： Fx = F12+F22 Fy = F11+F21 Mz = (F12-F22) XLl

作用力Fx、Fy的正方向以图中坐标轴的方向为正，Mz的方向按右手定则确定，它的正方向一般也定义为与Z轴同向，可看出&与其它方向的力不耦合，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!^及三轴方向的力偶矩Mz。而h、Mz虽然同时使用两个第二一维力传感器121，但由上式可看出Fy 是共模信号，即两个第二一维力传感器121示值的代数和，Mz是差模信号，即两个第一一维力传感器111示值的差与固定的结构参数Ll的积，因此也具有相互之间、与！^之间互不影响的特点，即有所谓耦间解耦的功能。

Claims

1. 一种三维力传感器，其特征在于，该三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；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（1202)孔之间开有第二通槽（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；所述的两个二维力传感器的第一侧面（11)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。