CN116358752A - 一种可实现溅射工艺的六维力传感器申字梁弹性体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现溅射工艺的六维力传感器申字梁弹性体结构，包括主梁、第一浮动梁、第二浮动梁、方角和应变片；将24个应变片溅射在主梁和第一浮动梁上，形成多组惠斯通电桥，当某一维度的输入力/力矩作用于申字梁弹性体中心，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。

Description

一种可实现溅射工艺的六维力传感器申字梁弹性体结构
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六维力传感器申字梁弹性体结构。
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，广泛应用于基于力触觉的人机交互、类人机器人、航空航天、生物医学研究、医疗器械及汽车等领域。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，而采用溅射工艺可避免使用胶水，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六维力传感器申字梁弹性体结构,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六维力传感器申字梁弹性体结构，包括主梁、第一浮动梁、第二浮动梁、方角和应变片；
所述主梁为4根矩形横梁，其截面为正方形；4根矩形横梁一端互相连接，组成十字，另一端与第一浮动梁相连；力和力矩作用于十字的中心位置；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主梁相连，两端与方角相连；所述第二浮动梁为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；第二浮动梁平行于水平位置的主梁，第二浮动梁一端与主梁相连，另一端与第一浮动梁相连；第二浮动梁轴线位于水平位置的主梁与水平位置的第一浮动梁之间距离的中心位置；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，用以固定；所述主梁在中间，第一浮动梁在外围，第二浮动梁在水平位置的主梁与水平位置的第一浮动梁之间，主梁与第二浮动梁构成“丰”字。
所述六维力传感器的测量原理在于：将24个应变片溅射在主梁和第一浮动梁上，形成6组惠斯通电桥，主梁上3组，第一浮动梁上3组。其中，垂直位置的第一浮动梁靠近主梁中心外侧壁上共4个应变片，组成测量X方向作用力Fx的电桥电路；水平位置的第一浮动梁靠近主梁中心外侧壁上共4个应变片，组成测量Y方向作用力Fy的电桥电路；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；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；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；第一浮动梁靠近第二浮动梁的外侧壁上共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/力矩作用于申字梁中心时，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六维力传感器采用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六维力传感器采用一体化设计，有效地降低了装配引起的内应力误差，提高了传感器精度；
(5)本发明所设计的可实现溅射工艺的六维力传感器结构简单，易于加工。
附图说明
图1为本发明的申字梁的结构示意图。
图2为本发明的应变片贴片位置示意图。
图3为本发明中6组电桥电路示意图。
附图标识列表：
主梁11，第一浮动梁12，第二浮动梁13，方角14，应变片15。
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。
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六维力传感器申字梁弹性体结构，包括主梁11、第一浮动梁12、第二浮动梁13、方角14和应变片15；
如图1所示，所述主梁11为4根矩形横梁，其截面为正方形；4根矩形横梁一端互相连接，组成十字，另一端与第一浮动梁12相连；力和力矩作用于十字的中心位置；所述第一浮动梁12为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；第一浮动梁12内侧面中心与主梁11相连，两端与方角14相连；所述第二浮动梁13为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；第二浮动梁13平行于水平位置的主梁11，第二浮动梁13一端与主梁11相连，另一端与第一浮动梁12相连；第二浮动梁13轴线位于水平位置的主梁11与水平位置的第一浮动梁12之间距离的中心位置；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，用以固定；所述主梁11在中间，第一浮动梁12在外围，第二浮动梁13在水平位置的主梁11与水平位置的第一浮动梁12之间，主梁11与第二浮动梁13构成“丰”字；
图2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溅射于主梁位于X负方向矩形横梁靠近十字中心的上下表面，应变片R3、R9溅射于主梁位于X正方向矩形横梁靠近十字中心的上下表面，应变片R2、R8溅射于主梁位于Y正方向矩形横梁远离十字中心的上下表面，应变片R4、R10溅射于主梁位于Y负方向矩形横梁远离十字中心的上下表面，应变片R5、R11溅射于主梁位于X正方向矩形横梁远离十字中心的上下表面，应变片R6、R12溅射于主梁位于X负方向矩形横梁远离十字中心的上下表面，应变片R13、R15溅射于第一浮动梁位于X负方向矩形薄壁梁靠近主梁的外侧壁，应变片R14、R16溅射于第一浮动梁位于X正方向矩形薄壁梁靠近主梁的外侧壁，应变片R17、R21溅射于第一浮动梁位于Y负方向矩形薄壁梁靠近主梁的外侧壁，应变片R19、R23溅射于第一浮动梁位于Y正方向矩形薄壁梁靠近主梁的外侧壁，应变片R18、R20溅射于第一浮动梁位于X负方向矩形薄壁梁靠近第二浮动梁的外侧壁，应变片R22、R24溅射于第一浮动梁位于X正方向矩形薄壁梁靠近第二浮动梁的外侧壁，所有应变片均溅射于各个梁受力时应变最大的位置。
所述六维力传感器的测量原理在于：某一维度的输入力/力矩作用于申字梁弹性体中心，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 BDA0004159693100000031
Figure BDA0004159693100000032
Figure BDA0004159693100000033
Figure BDA0004159693100000041
Figure BDA0004159693100000042
Figure BDA0004159693100000043
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六维力传感器申字梁弹性体结构，其特征在于：包括主梁（11）、第一浮动梁（12）、第二浮动梁（13）、方角（14）和应变片（15）；
所述主梁（11）为4根矩形横梁，其截面为正方形；4根矩形横梁一端互相连接，组成十字，另一端与第一浮动梁（12）相连；力和力矩作用于十字的中心位置；所述第一浮动梁（12）为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；第一浮动梁（12）内侧面中心与主梁（11）相连，两端与方角（14）相连；所述第二浮动梁（13）为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；第二浮动梁（13）平行于水平位置的主梁（11），第二浮动梁（13）一端与主梁（11）相连，另一端与第一浮动梁（12）相连；第二浮动梁（13）轴线位于水平位置的主梁（11）与水平位置的第一浮动梁（12）之间距离的中心位置；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，用以固定；所述主梁（11）在中间，第一浮动梁（12）在外围，第二浮动梁（13）在水平位置的主梁（11）与水平位置的第一浮动梁（12）之间，主梁（11）与第二浮动梁（13）构成“丰”字；
共24个应变片（15）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R1、R7溅射于主梁（11）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溅射于主梁（11）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溅射于主梁（11）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溅射于主梁（11）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溅射于主梁（11）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溅射于主梁（11）位于X负方向矩形横梁远离中心台的上下表面，应变片R13、R15溅射于第一浮动梁（12）位于X负方向矩形薄壁梁靠近主梁（11）的外侧壁，应变片R14、R16溅射于第一浮动梁（12）位于X正方向矩形薄壁梁靠近主梁（11）的外侧壁，应变片R17、R21溅射于第一浮动梁（12）位于Y负方向矩形薄壁梁靠近主梁（11）的外侧壁，应变片R19、R23溅射于第一浮动梁（12）位于Y正方向矩形薄壁梁靠近主梁（11）的外侧壁，应变片R18、R20溅射于第一浮动梁（12）位于X负方向矩形薄壁梁靠近第二浮动梁（13）的外侧壁，应变片R22、R24溅射于第一浮动梁（12）位于X正方向矩形薄壁梁靠近第二浮动梁（13）的外侧壁，所有应变片均溅射于各个梁受力时应变最大的位置。
2.根据权利要求1所述的一种可实现溅射工艺的六维力传感器申字梁弹性体结构的测量原理，其特征在于：某一维度的输入力/力矩作用于申字梁弹性体中心，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。
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