CN116337291A - 一种可实现溅射工艺的组合式高精度六维力传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现溅射工艺的组合式高精度六维力传感器结构，包括十字梁、双U型梁、基座、顶盖、底盖和应变片，将24个应变片溅射在主梁上，形成6组惠斯通电桥，十字梁上3组，双U型梁上3组；所述六维力传感器的测量原理在于：某一维度的输入力/力矩通过施力孔作用于十字梁中心和双U型梁中心，使得传感器产生形变，相应位置的应变片阻值发生变化，进而使得对应电桥的输出电压发生改变。

Description

一种可实现溅射工艺的组合式高精度六维力传感器结构
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种可实现溅射工艺的组合式高精度六维力传感器结构。
背景技术
多维力传感器可同时感知空间多个维度的力分量和力矩分量，从而获取复杂系统中完整的力信息，广泛应用于智能机器人、航空航天、汽车及医疗等领域。基于十字梁结构的电阻应变式多维力传感器目前应用最为广泛，通过应变片将传感器受力产生的形变转化为电压变化，实现力分量和力矩分量的测量。
由于目前研制的多维力传感器大多采用传统应变片粘贴方式，存在温度范围低、胶水挥发冷凝导致性能降低等问题，因此采用溅射工艺溅射应变片具有重要的现实意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种可实现溅射工艺的组合式高精度六维力传感器结构，具有高灵敏度和低维间耦合等优点，适用于航空航天领域的多维力测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可实现溅射工艺的组合式高精度六维力传感器结构，包括十字梁、双U型梁、基座、顶盖、底盖和应变片；
所述十字梁由中心台、第一主梁、第一浮动梁和方角组成；所述中心台为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台上有4个施力孔和4个连接孔，力和力矩通过施力孔作用于中心台上，中心台上表面通过4个连接孔与双U型梁连接；中心台的四个侧面与第一主梁相连；所述第一主梁为4根矩形横梁，其截面为正方形；第一主梁的一端与中心台相连，另一端与第一浮动梁相连；所述第一浮动梁为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；第一浮动梁内侧面中心与第一主梁相连，两端与方角相连；所述方角为4个长方体结构的柱体，其截面为正方形；方角上有4个连接孔，用以与基座的中部凸台相连；中心台在十字梁的中间位置，第一浮动梁在十字梁的外围；
所述双U型梁由上U型梁和下U型梁组成；所述上U型梁由第二主梁、第二浮动梁和第一支脚组成；所述第二主梁为中间底部带有凹槽的矩形横梁；第二主梁靠近中心位置有2个螺纹孔，第二主梁下底部凸台与十字梁螺纹连接，上表面与顶盖相连，凹槽与下U型梁相连，第二主梁两端与第二浮动梁相连；所述第二浮动梁为2根矩形薄壁梁，其截面为矩形，上端与主梁相连，下端与第一支脚相连；所述第一支脚上有2个连接孔，用于与基座的中部凸台相连；所述下U型梁由第三主梁、第三浮动梁和第二支脚组成；所述第三主梁为中间顶部带有凹槽的矩形横梁；第三主梁靠近中心位置有2个螺纹孔，第三主梁下底部凸台与十字梁螺纹连接，上表面与顶盖相连，凹槽与上U型梁相连，第三主梁两端与第三浮动梁相连；所述第三浮动梁为2根矩形薄壁梁，其截面为矩形，上端与主梁相连，下端与第二支脚相连；所述第二支脚上有2个连接孔，用于与基座的中部凸台相连；
双U型梁的上U型梁和下U型梁通过凹槽过盈配合；通过螺纹连接将双U型梁与十字梁的连接孔连接；将十字梁方角连接孔与基座的中部凸台螺纹连接，将双U型梁第一支脚、第二支脚连接孔与基座的中部凸台螺纹连接；通过螺纹连接将顶盖与十字梁的施力孔连接；底盖通过安装孔与基座相连接；
所述组合式六维力传感器的测量原理在于：将24个应变片溅射在主梁上，形成6组惠斯通电桥，十字梁上3组，双U型梁上3组。其中，第二主梁靠近中心侧壁上共4个应变片，组成测量X方向作用力Fx的电桥电路；第三主梁靠近中心侧壁上共4个应变片，组成测量Y方向作用力Fy的电桥电路；第一主梁X方向的2根横梁的上下表面靠近中心台共4个应变片，组成测量Z方向作用力Fz的电桥电路；第一主梁的Y方向的2根横梁的上下表面远离中心台共4个应变片，组成测量X方向作用力矩Mx的电桥电路；第一主梁的X方向的2根横梁的上下表面远离中心台共4个应变片，组成测量Y方向作用力矩My的电桥电路；第二主梁远离中心的侧壁上共4个应变片，组成测量Z方向作用力矩Mz的电桥电路。当某一维度的力/力矩作用于十字横梁中心时，传感器发生形变，相应位置的应变片阻值发生变化，使得对应电桥的输出电压改变，通过测量电压的变化量即可获得该维度力/力矩的数值。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所设计的可实现溅射工艺的组合式六维力传感器避免了多维力传感器采用贴片方式时稳定性低、耐温耐湿性差等问题，提高了传感器的稳定性。
(2)本发明所设计的可实现溅射工艺的组合式六维力传感器基于电阻应变原理，敏感部分采用矩形梁结构，测量灵敏度高；
(3)本发明所设计的可实现溅射工艺的组合式六维力传感器采用十字梁和双U型梁组合式结构，同时采用了主梁与浮动梁结合，有效降低了维间耦合误差，具有较好的测量精度；
(4)本发明所设计的可实现溅射工艺的组合式六维力传感器结构简单，易于加工。
附图说明
图1为本发明的十字梁的结构示意图。
图2为本发明的上U型梁的结构示意图。
图3为本发明的下U型梁的结构示意图。
图4为本发明的基座结构示意图。
图5为本发明的装配示意图1。
图6为本发明的装配示意图2。
图7为本发明的应变片贴片位置示意图。
图8为本发明中6组电桥电路示意图。
附图标识列表：
10、十字梁，11、中心台，12、第一主梁，13、第一浮动梁，14、方角，15、应变片，16-1、16-2、16-3、16-4、施力孔，20、双U型梁，30、上U型梁，31、第二主梁，32、第二浮动梁，33、第一支脚，40、下U型梁，41、第三主梁，42、第三浮动梁，43、第二支脚，51、基座，50、顶盖，52、底盖，53、中部凸台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1和图5所示，为方便描述方向，建立一个如图1所示的空间笛卡尔坐标系。本发明提出了一种可实现溅射工艺的组合式六维力传感器，包括十字梁10、双U型梁20、基座51、顶盖50、底盖52和应变片15；
如图1所示，所述十字梁10由中心台11、第一主梁12、第一浮动梁13和方角14组成；所述中心台11为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台11上有4个施力孔16-1/2/3/4和4个连接孔，力和力矩通过施力孔16-1/2/3/4作用于中心台11上，中心台11上表面通过4个连接孔与双U型梁20连接；中心台11的四个侧面与第一主梁12相连；所述第一主梁12为4根矩形横梁，其截面为正方形；第一主梁12的一端与中心台11相连，另一端与第一浮动梁13相连；所述第一浮动梁13为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；第一浮动梁13内侧面中心与第一主梁12相连，两端与方角14相连；所述方角14为4个长方体结构的柱体，其截面为正方形；方角14上有4个连接孔，用以与基座51的中部凸台53相连；中心台11在十字梁10的中间位置，第一浮动梁13在十字梁10的外围；
如图2和图3所示，所述双U型梁20由上U型梁30和下U型梁40组成；所述上U型梁30由第二主梁31、第二浮动梁32和第一支脚33组成；所述第二主梁31为中间底部带有凹槽的矩形横梁；第二主梁31靠近中心位置有2个螺纹孔，第二主梁31下底部凸台与十字梁10螺纹连接，上表面与顶盖50相连，凹槽与下U型梁40相连，第二主梁31两端与第二浮动梁32相连；所述第二浮动梁32为2根矩形薄壁梁，其截面为矩形，上端与第二主梁31相连，下端与第一支脚33相连；所述第一支脚33上有2个连接孔，用于与基座51的中部凸台53相连；所述下U型梁40由第三主梁41、第三浮动梁42和第二支脚43组成；所述第三主梁41为中间顶部带有凹槽的矩形横梁；第三主梁41靠近中心位置有2个螺纹孔，第三主梁41下底部凸台与十字梁10螺纹连接，上表面与顶盖50相连，凹槽与上U型梁30相连，第三主梁41两端与第三浮动梁42相连；所述第三浮动梁42为2根矩形薄壁梁，其截面为矩形，上端与第三主梁41相连，下端与第二支脚43相连；所述第二支脚43上有2个连接孔，用于与基座51的中部凸台53相连；
如图5所示，双U型梁20的上U型梁30和下U型梁40通过凹槽过盈配合；通过螺纹连接将双U型梁20与十字梁10的连接孔连接；将十字梁10方角14连接孔与基座51的中部凸台53螺纹连接，将双U型梁20第一支脚33、第二支脚43连接孔与基座51的中部凸台53螺纹连接；通过螺纹连接将顶盖50与十字梁10的施力孔16-1/2/3/4连接；底盖52通过安装孔与基座51相连接；
图7所示为本发明所述共24个应变片的贴片位置及对应编号R1至R24。所有应变片除编号外完全相同，即具有相同的初始阻值，在收缩时阻值减小，在延展时阻值增大。应变片溅射于各个主梁受力时应变最大的位置。应变片R1、R7溅射于第一主梁位于X负方向矩形横梁靠近中心台的上下表面，应变片R3、R9溅射于第一主梁位于X正方向矩形横梁靠近中心台的上下表面，应变片R2、R8溅射于第一主梁位于Y正方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R4、R10溅射于第一主梁位于Y负方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R5、R11溅射于第一主梁位于X正方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R6、R12溅射于第一主梁位于X负方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R13、R14溅射于第二主梁位于Y正方向矩形横梁靠近中心的左右侧壁，应变片R15、R16溅射于第二主梁位于Y负方向矩形横梁靠近中心的左右侧壁，应变片R17、R19溅射于第三主梁位于X正方向矩形横梁靠近中心的左右侧壁，应变片R21、R23溅射于第三主梁位于X负方向矩形横梁靠近中心的左右侧壁，应变片R18、R20溅射于第二主梁位于Y正方向矩形横梁远离中心的左右侧壁，应变片R22、R24溅射于第二主梁位于Y负方向矩形横梁远离中心的左右侧壁，所有应变片均溅射于各个梁受力时应变最大的位置。
图8所示为6个通道的应变片组成的6组惠斯通电桥。应变片R13、R14、R15、R16组成测量X方向作用力Fx的惠斯通电桥；应变片R17、R19、R21、R23组成测量Y方向作用力Fy的惠斯通电桥；应变片R1、R3、R7、R9组成测量Z方向作用力Fz的惠斯通电桥；应变片R2、R4、R8、R10组成测量X方向作用力矩Mx的惠斯通电桥；应变片R5、R6、R11、R12组成测量Y方向作用力矩My的惠斯通电桥；应变片R18、R20、R22、R24组成测量Z方向作用力矩Mz的惠斯通电桥。
所述六维力传感器的测量原理在于：某一维度的输入力/力矩通过施力孔作用于十字梁中心和双U型梁中心，使得传感器产生形变，相应位置的应变片阻值发生变化，进而使得对应电桥的输出电压发生改变。与此同时，由于结构的设计，其余维度的输出电压并不会明显改变，有效降低了维间耦合干扰，从而提高了传感器的测量精度。因此，在使用过程中，只需测量全部6个通道的电压变化量即可获得各个维度力/力矩的数值。设R0表示应变片的零位电阻值，ΔRFx、ΔRFy、ΔRFz、ΔRMx、ΔRMy、ΔRMz分别表示在Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz作用下应变片的阻值变化量。则各通道输出电压的变化量如下式：
Figure BDA0004159692190000051
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可实现溅射工艺的组合式高精度六维力传感器结构，其特征在于：包括十字梁（10）、双U型梁（20）、基座（51）、顶盖（50）、底盖（52）和应变片（15）；
所述十字梁（10）由中心台（11）、第一主梁（12）、第一浮动梁（13）和方角（14）组成；所述中心台（11）为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台（11）上有4个施力孔（16-1/2/3/4）和4个连接孔，力和力矩通过施力孔（16-1/2/3/4）作用于中心台（11）上，中心台（11）上表面通过4个连接孔与双U型梁（20）连接；中心台（11）的四个侧面与第一主梁（12）相连；所述第一主梁（12）为4根矩形横梁，其截面为正方形；第一主梁（12）的一端与中心台（11）相连，另一端与第一浮动梁（13）相连；所述第一浮动梁（13）为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；第一浮动梁（13）内侧面中心与第一主梁（12）相连，两端与方角（14）相连；所述方角（14）为4个长方体结构的柱体，其截面为正方形；方角（14）上有4个连接孔，用以与基座（51）的中部凸台（53）相连；中心台（11）在十字梁（10）的中间位置，第一浮动梁（13）在十字梁（10）的外围；
所述双U型梁（20）由上U型梁（30）和下U型梁（40）组成；所述上U型梁（30）由第二主梁（31）、第二浮动梁（32）和第一支脚（33）组成；所述第二主梁（31）为中间底部带有凹槽的矩形横梁；第二主梁（31）靠近中心位置有2个螺纹孔，第二主梁（31）下底部凸台与十字梁（10）螺纹连接，上表面与顶盖（50）相连，凹槽与下U型梁（40）相连，第二主梁（31）两端与第二浮动梁（32）相连；所述第二浮动梁（32）为2根矩形薄壁梁，其截面为矩形，上端与第二主梁（31）相连，下端与第一支脚（33）相连；所述第一支脚（33）上有2个连接孔，用于与基座（51）的中部凸台（53）相连；所述下U型梁（40）由第三主梁（41）、第三浮动梁（42）和第二支脚（43）组成；所述第三主梁（41）为中间顶部带有凹槽的矩形横梁；第三主梁（41）靠近中心位置有2个螺纹孔，第三主梁（41）下底部凸台与十字梁（10）螺纹连接，上表面与顶盖（50）相连，凹槽与上U型梁（30）相连，第三主梁（41）两端与第三浮动梁（42）相连；所述第三浮动梁（42）为2根矩形薄壁梁，其截面为矩形，上端与第三主梁（41）相连，下端与第二支脚（43）相连；所述第二支脚（43）上有2个连接孔，用于与基座（51）的中部凸台（53）相连；
双U型梁（20）的上U型梁（30）和下U型梁（40）通过凹槽过盈配合；通过螺纹连接将双U型梁（20）与十字梁（10）的连接孔连接；将十字梁（10）方角（14）连接孔与基座（51）的中部凸台（53）螺纹连接，将双U型梁（20）第一支脚（33）、第二支脚（43）连接孔与基座（51）的中部凸台（53）螺纹连接；通过螺纹连接将顶盖（50）与十字梁（10）的施力孔（16-1/2/3/4）连接；底盖（52）通过安装孔与基座（51）相连接；
共24个相同的应变片对应编号R1至R24，应变片溅射于各个主梁受力时应变最大的位置，应变片R1、R7溅射于第一主梁（12）位于X负方向矩形横梁靠近中心台的上下表面，应变片R3、R9溅射于第一主梁（12）位于X正方向矩形横梁靠近中心台的上下表面，应变片R2、R8溅射于第一主梁（12）位于Y正方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R4、R10溅射于第一主梁（12）位于Y负方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R5、R11溅射于第一主梁（12）位于X正方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R6、R12溅射于第一主梁（12）位于X负方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R13、R14溅射于第二主梁（31）位于Y正方向矩形横梁靠近中心的左右侧壁，应变片R15、R16溅射于第二主梁（31）位于Y负方向矩形横梁靠近中心的左右侧壁，应变片R17、R19溅射于第三主梁（41）位于X正方向矩形横梁靠近中心的左右侧壁，应变片R21、R23溅射于第三主梁（41）位于X负方向矩形横梁靠近中心的左右侧壁，应变片R18、R20溅射于第二主梁（31）位于Y正方向矩形横梁远离中心的左右侧壁，应变片R22、R24溅射于第二主梁（31）位于Y负方向矩形横梁远离中心的左右侧壁。
2.根据权利要求1所述的一种可实现溅射工艺的组合式高精度六维力传感器结构的测量原理，其特征在于：将24个应变片溅射在主梁上，形成6组惠斯通电桥，十字梁上3组，双U型梁上3组；其中，第二主梁靠近中心侧壁上共4个应变片，组成测量X方向作用力Fx的电桥电路；第三主梁靠近中心侧壁上共4个应变片，组成测量Y方向作用力Fy的电桥电路；第一主梁X方向的2根横梁的上下表面靠近中心台共4个应变片，组成测量Z方向作用力Fz的电桥电路；第一主梁的Y方向的2根横梁的上下表面远离中心台共4个应变片，组成测量X方向作用力矩Mx的电桥电路；第一主梁的X方向的2根横梁的上下表面远离中心台共4个应变片，组成测量Y方向作用力矩My的电桥电路；第二主梁远离中心的侧壁上共4个应变片，组成测量Z方向作用力矩Mz的电桥电路；当某一维度的力/力矩作用于十字横梁中心时，传感器发生形变，相应位置的应变片阻值发生变化，使得对应电桥的输出电压改变，通过测量电压的变化量即可获得该维度力/力矩的数值。
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