CN102353487B - 多维力传感器的贴片及组桥方法 - Google Patents

多维力传感器的贴片及组桥方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多维力传感器的贴片及组桥方法，包括以下步骤：1．首先根据弹性体的力学模型，建立多维力传感器弹性体的应变数学模型，并根据数学模型，求解多维力传感器弹性体所产生的应变与作用力的解析解；2．建立多维力传感器弹性体的三维模型；3．根据多维力传感器传感器的工况分别施加作用力和约束，并进行有限元的求解；4．寻找多维力传感器传感器弹的最大应变变化位置；5．选择应变贴片位置和组桥方式；6．结合多维力传感器的三维模型和有限元模型，分析上述组桥方式下的应变输出，判断是否从弹性体设计的根源上做到对多维传感器传感器的静态解耦。本发明从传感器的根源解决了多维力传感器的维间耦合问题，解耦精度高，解耦方法简单。

Description

多维力传感器的贴片及组桥方法
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其是一种能提高多维力传感器的测量精度，并能从设计根源上消除维间耦合的贴片及组桥方法。
背景技术
多维力传感器用于感知空间中的正交力/力矩，多维力传感器被广泛用于航天、医疗、机器人、工业自动化中。多维力传感器的一般设计步骤为：弹性体设计、贴片位置及组桥方式、标定及解耦。对于弹性体的设计和标定及解耦方面的工作已经做了很多的研究，专利CN 1289917 A，公开了一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器，专利CN 101832837 A，公开了一种基于耦合误差建模的多维力传感器标定解耦方法。而对于贴片位置及组桥方式的研究工作很少，合理的贴片位置及组桥方式可以提高测量电桥电压的灵敏度、测量范围和测量精度。影响多维力传感器测量精度的最主要方面是维间的耦合，维间耦合，即某一方向的输出信号中，有其它方向输入量的影响。从原理上讲，在单一方向的力作用下，只应在其对应方向上产生输出，其它方向输出应为零。但事实上，其它方向输出不是零，这就是由传感器机械结构、转换原理以及加工、贴片等工艺因素造成的耦合干扰，其中贴片和组桥方式是产生维间耦合最主要的因素。要消除或抑制耦合，可以从两个方面入手。第一是设法消除其产生的根源；第二是利用标定解耦矩阵。目前，比较常用的是通过标定解耦矩阵对测量数据进行解耦，但是这种方法解耦精度比较低，只能达到90%，。从根源上消除维间耦合可以通过提高加工精度、必需选择合理的贴片位置和组桥方式的方法来实现，这种方法更加具有实用价值，更简单，消除或抑制了维间耦合对传感器测量精度的影响。
发明内容
本发明是要提供一种多维力传感器的贴片及组桥方法，通过选择合理的贴片位置和组桥方式，从根源上解决传感器维间的耦合，提高传感器的测量精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多维力传感器的贴片及组桥方法，包括以下步骤：
1）首先根据弹性体的力学模型，建立多维力传感器弹性体的应变数学模型，并根据数学模型，求解多维力传感器弹性体所产生的应变与作用力的解析解，其骨骼二维力传感器在轴向拉压力和径向剪切力作用下应变的解析解表达式为：
Figure 2011101615156100002DEST_PATH_IMAGE002
            （1）
Figure 2011101615156100002DEST_PATH_IMAGE004
  （2）
式中：a为弹性体的外径，b为弹性体的内径，h为弹性体的膜厚，E为传感器的弹性模量，
Figure 2011101615156100002DEST_PATH_IMAGE006
为传感器的泊松比，
Figure 2011101615156100002DEST_PATH_IMAGE008
为轴向拉压力，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为径向剪切力，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为径向剪切力的偏转角度，r为膜片上的任意半径值；
 2）建立多维力传感器弹性体的三维模型；
 3）根据多维力传感器传感器的工况分别施加作用力和约束，并进行有限元的求解；
 4）寻找多维力传感器传感器弹的最大应变变化位置
分析多维力传感器传感器弹性体圆周上和直径方向上的应变变化趋势，并根据有限元求解的结果，观察在弹性体在圆周和直径方向上大的应变变化趋势，寻找最大应变变化位置；
 5）选择应变贴片位置和组桥方式
根据多维力传感器传感器弹性体的应变变化趋势，应变贴片位置选择在应变变化最大处；根据弹性体的应变特性，以及传感器所测力的个数组成相对应的组桥方式；
6）结合多维力传感器的三维模型和有限元模型，分析上述组桥方式下的应变输出，判断是否从弹性体设计的根源上做到对多维传感器的静态解耦。
上述第五步骤中，根据骨骼二维力传感器弹性体在轴向拉压力作用时的轴对称特性和径向剪切力作用时的反轴对称特性，应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE014
贴在直径方向上，应变贴片 
Figure DEST_PATH_IMAGE016
贴在圆周方向上，应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
用来实现对轴向拉压力的测量，应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
用来实现对径向剪切力的测量，当轴向拉压力作单独用时，只有应变贴片有输出电压，而当径向剪切力作用时，只有应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
所组成的全桥有电压输出，从设计根源上做到骨骼二维力传感器的静态解耦。
本发明的有益效果是：
本发明针对骨骼二维力传感器选择合理地贴片位置和组桥方式，通过分析和实验验证了这种贴片位置和组桥方式做到了对骨骼二维力传感器的解耦。从传感器的根源解决了多维力传感器的维间耦合问题，解耦精度高，解耦方法简单。
附图说明
图1是骨骼二维力传感器示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是轴向拉压力作用时弹性体的应变图；
图4是轴向拉压力作用时弹性体半径为6mm的圆周上的应变值图；
图5是轴向拉压力作用时弹性体直径方向上的应变值图；
图6是径向剪切力作用时弹性体的应变图；
图7是径向剪切力作用时弹性体半径为6mm的圆周上的应变值图；
图8是径向剪切力作用时直径方向上的应变值图；
图9是骨骼二维力传感器的贴片位置图；
图10是图9的俯视图；
图11是骨骼二维力传感器的应变贴片和组桥方式图；
其中：图11a为二维力传感器的贴片位置示意图，图11b为电压输出U1的组桥方式图，图11c为电压输出U2的组桥方式图；
图12是否轴向拉压力作用下通道1、2的输出值图；
图13是径向剪切力作用下通道1、2的输出值图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
以骨骼二维力传感器为例，研究从传感器的设计根源上解决维间耦合的问题。骨骼二维力传感器可以实现对骨骼轴向拉压力和径向剪切力的测量，结构示意图如图1，2所示。首先，根据薄板理论推导出骨骼二维力传感器在轴向拉压力和径向剪切力作用下应变的解析解。
                        （1）
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
               （2）
式中：a为弹性体的外径，b为弹性体的内径，h为弹性体的膜厚，E为传感器的弹性模量，为传感器的泊松比，
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
为轴向拉压力，
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
为径向剪切力，
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
为径向剪切力的偏转角度，r为膜片上的任意半径值。由公式1、2可知，当传感器的尺寸和材料确定的情况下，在相同位置处，作用力和应变成线性关系，且当轴向拉压力为定值时，相同半径处的应变值相等，当径向剪切力为定值时，相同半径处的应变值按照余弦变化趋势。
在对理论分析的基础上，建立弹性体的有限元模型，分别分析弹性体在轴向拉压力和径向剪切力作用下的应变变化情况。图3为弹性体在轴向拉压力作用下的应变图，图4为轴向力作用下半径为6mm上的应变变化情况，此时相同半径处的应变相同，图5为径向剪切力作用下直径方向上的应变变化情况，此时的应变变化关于中心处成轴对称变化。图6为径向剪切力作用时弹性体的应变变化情况，图7为径向剪切力作用下半径为7mm上的应变变化情况，此时的应变变化成余弦变化趋势，图8为径向剪切力作用下直径方向的应变变化情况，此时的应变关于中心处成反轴对称变化，即直径上相同半径处的应变值为相反数。在半径为3mm处的应变值最大，由于传感器贴片工艺的影响，最终选择半径为4mm的圆周上进行贴片，同时外圈选择半径为14mm的位置处。图9，10为应变片贴片位置，图11为应变贴片组桥方式图。其中应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAA
用来实现对轴向拉压力的测量，应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAA
用来实现对径向剪切力的测量，为了实现所测量的应变变化最大，使得传感器的灵敏度最高。由以上分析可得，在全桥电路中，相邻的应变贴片的应变符号相反，相对的应变贴片的应变符号相同。由有限元和理论模型分析可得，上述的组桥方式中，在轴向压力单独作用下，应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAA
的应变值一样，代入公式得，电桥输出电压
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；由于
Figure DEST_PATH_IMAGE020
,,并且应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure DEST_PATH_IMAGE026
同号，应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure DEST_PATH_IMAGE030
同号，代入公式得：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
                                   (3)
由于
Figure DEST_PATH_IMAGE034
比大很多，同时两个应变方向相反，数值上没有正负的消减，因此，运算后的电压值最大。所以，这种组桥方式的输出电压最大。当径向剪切力作用时，由于反轴对称的变化，使得
Figure DEST_PATH_IMAGE038
,
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，按照上面的组桥方式，则电桥输出电压
Figure DEST_PATH_IMAGE042
；由于
Figure DEST_PATH_IMAGE044
,
Figure DEST_PATH_IMAGE046A
，按照上面的组桥方式可得最大的电压输出值：
Figure DEST_PATH_IMAGE048A
                           (4)
在作用力确定的情况下，
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
和的应变都是确定的，由于此时的和
Figure DEST_PATH_IMAGE052A
符号相同，没有正负的消减，所以，此时的电压值是最大的。
由以上分析可得，图11的组桥方式实现了对二维力的解耦，使得输出的电压最大，提高了传感器的灵敏度。为了验证此种贴片和组桥方式有没有实现对轴向拉压力和径向剪切力的解耦，进行骨骼二维力传感器的标定实验。图12为轴向拉压力标定时的两个全桥输出的电压值，通道1为应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAAA
所组成的桥路的输出，通道2为应变贴片
Figure DEST_PATH_IMAGE016AAAAA
所组成的桥路的输出值，从图12中可以看出，通道1的输出值在逐渐增加，由于应变贴片本身的电阻误差和信号波动造成通道2有输出值，而通道2的输出值几乎接近于零。图13为径向剪切力作用时的通道1、2输出电压值。综上所述，本发明所设计的贴片方式实现了对骨骼二维力传感器的轴向拉压力和径向剪切力的静态解耦，解耦精度高。

Claims (1)

1.一种多维力传感器的贴片及组桥方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）首先根据弹性体的力学模型，建立多维力传感器弹性体的应变数学模型，并根据数学模型，求解多维力传感器弹性体所产生的应变与作用力的解析解，其骨骼二维力传感器在轴向拉压力和径向剪切力作用下应变的解析解表达式为：
Figure 2011101615156100001DEST_PATH_IMAGE002
                （1）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
    （2）
式中：a为弹性体的外径，b为弹性体的内径，h为弹性体的膜厚，E为传感器的弹性模量，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为传感器的泊松比，F1为轴向拉压力，F2为径向剪切力，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为径向剪切力的偏转角度，r为膜片上的任意半径值；
2）建立多维力传感器弹性体的三维模型；
3）根据多维力传感器传感器的工况分别施加作用力和约束，并进行有限元的求解；
4）寻找多维力传感器传感器弹性体的最大应变变化位置
分析多维力传感器传感器弹性体圆周上和直径方向上的应变变化趋势，并根据有限元求解的结果，观察在弹性体在圆周和直径方向上大的应变变化趋势，寻找最大应变变化位置；
5）选择应变贴片位置和组桥方式
根据多维力传感器传感器弹性体的应变变化趋势，应变贴片位置选择在应变变化最大处；根据弹性体的应变特性，以及传感器所测力的个数组成相对应的组桥方式；当所述的多维力传感器传感器弹性体为骨骼二维力传感器弹性体时，根据骨骼二维力传感器弹性体在轴向拉压力作用时的轴对称特性和径向剪切力作用时的反轴对称特性，应变贴片R1、R2、R3、R4贴在直径方向上，应变贴片R5、R6、R7、R8贴在圆周方向上，应变贴片R1、R2、R3、R4用来实现对轴向拉压力的测量，应变贴片R5、R6、R7、R8用来实现对径向剪切力的测量，当轴向拉压力作单独用时，只有应变贴片R1、R2、R3、R4有输出电压，而当径向剪切力作用时，只有应变贴片R5、R6、R7、R8所组成的全桥有电压输出，从设计根源上做到骨骼二维力传感器的静态解耦；
6）结合多维力传感器的三维模型和有限元模型，分析上述组桥方式下的应变输出，判断是否从弹性体设计的根源上做到对多维传感器的静态解耦。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104776947A (zh) * 2015-04-03 2015-07-15 袁川来 一种机器人腕力传感器温度漂移的补偿方法
CN105424239A (zh) * 2015-12-16 2016-03-23 浙江海洋学院 一种π型二分力传感器
EP3236226B1 (en) * 2016-04-20 2019-07-24 Sensata Technologies, Inc. Method of manufacturing a pressure sensor
CN105953953A (zh) * 2016-04-28 2016-09-21 辽宁科技学院 一种用于锥形摩擦副接触压力销钉嵌入式测量方法
CN105938027A (zh) * 2016-06-14 2016-09-14 广东精铟海洋工程股份有限公司 一种基于环形槽的高灵敏度齿条载荷测量装置
CN106066221A (zh) * 2016-06-14 2016-11-02 广东精铟海洋工程股份有限公司 一种基于轴向布线槽的齿条载荷测量装置
CN108082534B (zh) * 2017-12-03 2021-03-30 中国直升机设计研究所 一种直升机旋翼复合载荷测试光纤布置和组桥方法
DE102018125079B4 (de) * 2018-10-10 2023-12-28 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Spannungswellengetriebe und Übertragungselement hierfür sowie Roboterarm und Verfahren zum Messen eines Drehmomentes
CN109696262A (zh) * 2019-01-28 2019-04-30 黑龙江华安精益计量技术研究院有限公司 一种超薄型应变式力传感器
CN113510726B (zh) * 2021-07-13 2022-07-29 吉林大学 一种基于仿生刚柔耦合多维力感知的智能机械手

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4012829A1 (de) * 1990-04-23 1991-10-24 Walter Rieger Vorrichtung zur mehrdimensionalen kraftmessung und daraus abgeleiteten groessen durch messwertaufnahme mittels elektrischer sensoren, z. b. dehnungsmessstreifen
CN1068191A (zh) * 1991-06-21 1993-01-20 南京航空学院 应变式多维力传感器的解耦方法
CN2650092Y (zh) * 2003-11-13 2004-10-20 东南大学 汽车车轮多维力测量传感器
CN101210850A (zh) * 2006-12-29 2008-07-02 中国直升机设计研究所 一种多分量力传感器
CN101832837A (zh) * 2010-05-11 2010-09-15 东南大学 基于耦合误差建模的多维力传感器解耦方法
JP5215627B2 (ja) * 2007-10-03 2013-06-19 株式会社ダスキン 両面接着型ｉｃタグ付設マット

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05215627A (ja) * 1992-02-04 1993-08-24 Kazuhiro Okada 多次元方向に関する力・加速度・磁気の検出装置
JPH07209113A (ja) * 1994-01-13 1995-08-11 Matsushita Electric Ind Co Ltd 力検出装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4012829A1 (de) * 1990-04-23 1991-10-24 Walter Rieger Vorrichtung zur mehrdimensionalen kraftmessung und daraus abgeleiteten groessen durch messwertaufnahme mittels elektrischer sensoren, z. b. dehnungsmessstreifen
CN1068191A (zh) * 1991-06-21 1993-01-20 南京航空学院 应变式多维力传感器的解耦方法
CN2650092Y (zh) * 2003-11-13 2004-10-20 东南大学 汽车车轮多维力测量传感器
CN101210850A (zh) * 2006-12-29 2008-07-02 中国直升机设计研究所 一种多分量力传感器
JP5215627B2 (ja) * 2007-10-03 2013-06-19 株式会社ダスキン 両面接着型ｉｃタグ付設マット
CN101832837A (zh) * 2010-05-11 2010-09-15 东南大学 基于耦合误差建模的多维力传感器解耦方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
姜里，刘宏，蔡鹤皋.多维力/力矩传感器静态解耦的研究.《仪器仪表学报》.2004,第25卷(第3期),284-287. *

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