專利名稱：一種五維力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多維力傳感器，具體來說，涉及一種五維力傳感器。
背景技術(shù)：
多維力傳感器能夠測量三維空間中多個力的分量，在機器人、自動控制、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等諸多領(lǐng)域中有廣泛的用途。目前，關(guān)于多維力傳感器已經(jīng)進行了大量的研究，形成了多種專利技術(shù)，但傳感器作為一種機械量——電量轉(zhuǎn)換器件，它的實現(xiàn)方法主要是由某種對力敏感的彈性結(jié)構(gòu)將力的作用轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)的變形，在變形處粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片與會敏感元件一起發(fā)生彈性變形，同時應(yīng)變片的變形與其電阻對應(yīng)，這就實現(xiàn)了機械量——電量的轉(zhuǎn)換。可見，能敏感機械量的敏感結(jié)構(gòu)決定了多維力傳感器的基本形式，目前主要有以下三大類；(1)基于十字梁結(jié)構(gòu)的多維力傳感器，其典型結(jié)構(gòu)如公告號為CN1425903A的中國專利文件公開的傳感器，這種傳感器用整體制造的十字形應(yīng)變梁作敏感結(jié)構(gòu)，將空間力轉(zhuǎn)換成十字梁的變形；在應(yīng)變梁上粘貼應(yīng)變片用以測量十字梁的變形，同時就可以測量出不同方向的力。根據(jù)需要，粘貼不同數(shù)量的應(yīng)變片還可以設(shè)計成2 6維不同形式的多維力傳感器。(2)基于筒形結(jié)構(gòu)的多維力傳感器，典型結(jié)構(gòu)如公告號為CN201561825. U的中國專利文件公開的傳感器，這種傳感器的特點是在一個圓筒上不同位置沿圓周方向及軸向方向開槽，以增加圓筒的彈性，從而形成可以將力轉(zhuǎn)換成變形的彈性敏感結(jié)構(gòu)，粘貼應(yīng)變片就可以測量多維力；(3)各種基于并聯(lián)機構(gòu)的多維力傳感器，典形結(jié)構(gòu)如公告號為CN1013^208A 的中國專利文件公開的傳感器，它是一種基于Mewart并聯(lián)機構(gòu)的多維力傳感器。這些傳感器的共同缺點是制造都很困難，不宜推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種二維力傳感器、三維力傳感器及五維力傳感器，這些傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，適合大范圍推廣應(yīng)用。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種五維力傳感器，該五維力傳感器包括兩個二維力傳感器和一個橫梁，其中，所述的每個二維力傳感器，包括矩形截面梁，該矩形截面梁包括相對的頂面和底面，相對的第一側(cè)面和第三側(cè)面，相對的第二側(cè)面和第四側(cè)面；第一側(cè)面和第三側(cè)面上開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軸線相互平行，且位于同一豎面中；在第一通孔和第二通孔之間開有第一通槽，該第一通槽連通第一通孔和第二通孔；在第一通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個第一應(yīng)變片，該兩個第一應(yīng)變片分別粘貼在第二側(cè)面和第四側(cè)面上；在第二通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個第二應(yīng)變片，該兩個第二應(yīng)變片分別粘貼在第二側(cè)面和第四側(cè)面上；第二側(cè)面和第四側(cè)面上開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軸線相互平行，且位于同一豎面中；第三通孔的軸線和第一通孔的軸線相互垂直，在第三通孔和第四通孔之間開有第二通槽，該第二通槽連通第三通孔和第四通孔；在第三通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個第三應(yīng)變片，該兩個第三應(yīng)變片分別粘貼在第一側(cè)面和第三側(cè)面上；在第四通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個第四應(yīng)變片，該兩個第四應(yīng)變片分別粘貼在第一側(cè)面和第三側(cè)面上；所述的橫梁包括相對的頂面和底面，相對的第一側(cè)面和第三側(cè)面，相對的第二側(cè)面和第四側(cè)面；在第一側(cè)面和第三側(cè)面上開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軸線位于同一水平面中；第五通孔的軸線與第一通孔的軸線相互平行；在第五通孔和第六通孔之間開有第三通槽，該第三通槽連通第五通孔和第六通孔；在第七通孔和第八通孔之間開有第四通槽，該第四通槽連通第七通孔和第八通孔；在第五通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個第五應(yīng)變片，該兩個第五應(yīng)變片分別粘貼在橫梁的頂面和底面上；在第六通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個第六應(yīng)變片，該兩個第六應(yīng)變片分別粘貼在橫梁的頂面和底面上，在第七通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個第七應(yīng)變片，該兩個第七應(yīng)變片分別粘貼在橫梁的頂面和底面上，在第八通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個第八應(yīng)變片，該兩個第八應(yīng)變片分別粘貼在橫梁的頂面和底面上；所述的兩個二維力傳感器的第一側(cè)面和橫梁的第一側(cè)面的朝向相同，兩個二維力傳感器的第二側(cè)面的朝向相同，并且橫梁固定連接在兩個二維力傳感器的頂端之間。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明的技術(shù)方案的有益效果
1.傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，適合大范圍推廣應(yīng)用。本技術(shù)方案中的五維力傳感器結(jié)構(gòu)簡單。本五力傳感器是在矩形截面梁和橫梁上開設(shè)通孔和通槽，然后在矩形截面梁和橫梁上粘貼應(yīng)變片即可。在制作時，由于開孔和開槽的工藝簡單，因此，這些傳感器的制作也十分簡便，適合大范圍推廣應(yīng)用。2.采集數(shù)據(jù)簡單，并且測量精度高。在本技術(shù)方案中，五維力傳感器可以看做是六個一維力傳感器的線性疊加，每個一維力傳感器由兩個孔和一個槽組成。每個一維力傳感器的結(jié)構(gòu)和測試電路都具有模塊化的特點，因此，各一維力傳感器間是互相獨立的，互不影響的。雖然形式上力與力偶之間共用一組傳感器測量，但測量力取傳感器的共模信號，力偶取傳感器的差模信號，因此，也具有正交的特點，這就解決了多維力之間維間耦合問題，提高了測量精度。3.傳器信號處理過程簡單。在本技術(shù)方案中，每個一維力傳感器的輸出信號都是一一對應(yīng)的，并且成線性關(guān)系，因此具有直接輸出型多維力傳感器信號處理過程簡單的優(yōu)點。此外，由于每個一維力傳感器可以看做一個模塊，本發(fā)明所述的傳感器具模塊化的特點，模塊的結(jié)構(gòu)相似，其測量電路也相似并可獨立調(diào)試，與現(xiàn)有的多維力傳感器相比，就省去了綜合標定的步驟，大大簡化了傳感器調(diào)試的工作量，并有利于提高測量精度。4.可以當作四維力傳感器使用。在本技術(shù)方案中，五維力傳感器可以測量五維力。 如果要求測量四維力，則將五維力傳感器中的一個一維力信號置之不理，即可當作四維力傳感器使用。同樣，該五維力傳感器也可以當作三維力傳感器，或者二維力傳感器使用。


圖1為本發(fā)明的五維力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中有矩形截面梁1、第一側(cè)面11、第二側(cè)面12、第一通孔1101、第二通孔1102、 第一通槽1103、第一應(yīng)變片2、第二應(yīng)變片3、第三通孔1201、第四通孔1202、第二通槽 1203、第三應(yīng)變片4、第四應(yīng)變片5、第一一維力傳感器111、第二一維力傳感器121、橫梁6、 頂面61、第一側(cè)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、第五應(yīng)變片7、第六應(yīng)變片8、第七應(yīng)變片9、第八應(yīng)變片10、第三一維力傳感器131、第四一維力傳感器141。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細的說明。如圖1所示，本發(fā)明的一種五維力傳感器，包括兩個二維力傳感器和一個橫梁6。 每個二維力傳感器包括矩形截面梁1。矩形截面梁1包括相對的頂面和底面，相對的第一側(cè)面11和第三側(cè)面，相對的第二側(cè)面12和第四側(cè)面。第一側(cè)面11和第三側(cè)面上開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的軸線相互平行， 且位于同一豎面中。在第一通孔1101和第二通孔1102之間開有第一通槽1103。第一通槽 1103連通第一通孔1101和第二通孔1102。在第一通孔1101的兩側(cè)分別設(shè)有一個第一應(yīng)變片2。該兩個第一應(yīng)變片2分別粘貼在第二側(cè)面12和第四側(cè)面上。在第二通孔1102的兩側(cè)分別設(shè)有一個第二應(yīng)變片3。該兩個第二應(yīng)變片3分別粘貼在第二側(cè)面12和第四側(cè)面上。在第二側(cè)面12和第四側(cè)面上開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的軸線相互平行，且位于同一豎面中。第三通孔1201的軸線和第一通孔1101的軸線相互垂直。在第三通孔1201和第四通孔1202之間開有第二通槽1203。 第二通槽1203連通第三通孔1201和第四通孔1202。在第三通孔1201的兩側(cè)分別設(shè)有一個第三應(yīng)變片4。該兩個第三應(yīng)變片4分別粘貼在第一側(cè)面11和第三側(cè)面上。在第四通孔 1202的兩側(cè)分別設(shè)有一個第四應(yīng)變片5。該兩個第四應(yīng)變片5分別粘貼在第一側(cè)面11和第三側(cè)面上。橫梁6包括相對的頂面61和底面，相對的第一側(cè)面62和第三側(cè)面，相對的第二側(cè)面和第四側(cè)面。在第一側(cè)面62和第三側(cè)面上開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的軸線位于同一水平面中。第五通孔6201的軸線與第一通孔1101的軸線相互平行。在第五通孔6201和第六通孔6202之間開有第三通槽6205。第三通槽6205連通第五通孔6201和第六通孔6202。在第七通孔6203和第八通孔6204之間開有第四通槽 6206。第四通槽6206連通第七通孔6203和第八通孔6204。在第五通孔6201的兩側(cè)分別設(shè)有一個第五應(yīng)變片7。兩個第五應(yīng)變片7分別粘貼在橫梁的頂面61和底面上。在第六通孔6202的兩側(cè)分別設(shè)有一個第六應(yīng)變片8。該兩個第六應(yīng)變片8分別粘貼在橫梁的頂面61和底面上。在第七通孔6203的兩側(cè)分別設(shè)有一個第七應(yīng)變片9。該兩個第七應(yīng)變片 9分別粘貼在橫梁的頂面61和底面上。在第八通孔6204的兩側(cè)分別設(shè)有一個第八應(yīng)變片 10。該兩個第八應(yīng)變片10分別粘貼在橫梁的頂面61和底面上。兩個二維力傳感器的第一側(cè)面11和橫梁的第一側(cè)面62的朝向相同，兩個二維力傳感器的第二側(cè)面12的朝向相同， 并且橫梁6固定連接在兩個二維力傳感器的頂端之間。該結(jié)構(gòu)的三維力傳感器作用原理是當矩形截面梁1受力變形時，將同時引起應(yīng)變片電阻值的變化，該電阻值表征了受力的大小。如圖1所示，圖中標出了三維坐標X、 Y、Z，按力學(xué)的習(xí)慣約定，三個坐標軸不僅代表坐標的正方向，也代表一個正方向的作用力， 字母X、Y、Z表示坐標的名稱，而用&、Fy、！^表示與坐標軸同向的力，Mx和Mz表示與坐標軸同向的力偶。具體來說，在三維力傳感器的橫梁6上進一步加工出第三一維力傳感器131 和第四一維力傳感器141。當在矩形截面梁1上開設(shè)第一通孔1101、第二通孔1102和第一通槽1103時，在應(yīng)變梁最敏感的四個位置粘貼第一應(yīng)變片2和第二應(yīng)變片3，這樣就構(gòu)成了第一一維力傳感器111。當在矩形截面梁1上開設(shè)第三通孔1201、第四通孔1202和第二通槽1203時，在應(yīng)變梁最敏感的四個位置粘貼第三應(yīng)變片4和第四應(yīng)變片5，這樣構(gòu)成第二一維力傳感器121。當在橫梁6上開設(shè)第五通孔6201、第六通孔6202和第三通槽6205時，在應(yīng)變梁最敏感的四個位置粘貼第五應(yīng)變片7和第六應(yīng)變片8時，這樣構(gòu)成第三一維力傳感器131。當在橫梁6上開設(shè)第七通孔6203、第八通孔6204和第四通槽6206時，在應(yīng)變梁最敏感的四個位置粘貼第七應(yīng)變片9和第八應(yīng)變片10時，這樣構(gòu)成第四一維力傳感器141。 如圖1所示，假定左邊的第一一維力傳感器111的測量結(jié)果用Fll表示，右邊的第一一維力傳感器111的測量結(jié)果用F21表示，左邊的第二一維力傳感器121的測量結(jié)果用F12表示， 右邊的第二一維力傳感器121的測量結(jié)果用F22表示，第三一維力傳感器131的測量結(jié)果用F31表示，第四一維力傳感器141的測量結(jié)果用F32表示，而實際作用力用Fx、Fy、FZ、Mx 和Mz表示。兩個第一一維力傳感器111的中心距用Ll表示，第三一維力傳感器131和第四一維力傳感器141之間的距離用L2表示。對于五維力傳感器，其測量方式用下列諸式表示
Fx = F12+F22 Fy = F11+F21 Fz = F31+F32 Mz = (F12-F22) XLl Mx = (F32-F31) XL2
作用力內(nèi)的正方向與Z軸一致，而Mx的方向按右手定則確定，它的正方向一般也定義為與X軸同向。兩個第一一維力傳感器111用于敏感Y方向的力Fy。兩個第二一維力傳感器121用于敏感X方向的力!7X及Z軸方向的力偶矩Mz。第三一維力傳感器131和第四一維力傳感器141用于敏感Z方向力和X軸方向的力偶矩Mx。從以上五個式子中可看出Fx、 Fy、Fz之間是互不耦合的，而內(nèi)、Mx雖然同時使用第三一維力傳感器131和第四一維力傳感器141，但由上述第三式和最后一式可看出內(nèi)共模信號，即F31和F32的代數(shù)和與Z方向的力內(nèi)成正比，而Mz是差模信號，即F32和F31的代數(shù)差與Z方向的力偶Mz成正比，因此也具有與其它維測量信號及與&之間互不影響到的特點，即有所謂耦間解耦的特點。
權(quán)利要求
1.一種五維力傳感器，其特征在于，該五維力傳感器包括兩個二維力傳感器和一個橫梁(6)，其中，所述的每個二維力傳感器，包括矩形截面梁(1 )，該矩形截面梁(1)包括相對的頂面和底面，相對的第一側(cè)面(11)和第三側(cè)面，相對的第二側(cè)面(12)和第四側(cè)面；第一側(cè)面(11) 和第三側(cè)面上開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)的軸線相互平行，且位于同一豎面中；在第一通孔(1101)和第二通孔(1102) 之間開有第一通槽(1103)，該第一通槽(1103)連通第一通孔(1101)和第二通孔(1102);在第一通孔(1101)的兩側(cè)分別設(shè)有一個第一應(yīng)變片(2)，該兩個第一應(yīng)變片(2)分別粘貼在第二側(cè)面(12)和第四側(cè)面上；在第二通孔(1102)的兩側(cè)分別設(shè)有一個第二應(yīng)變片(3)，該兩個第二應(yīng)變片(3)分別粘貼在第二側(cè)面(12)和第四側(cè)面上；第二側(cè)面(12)和第四側(cè)面上開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) 的軸線相互平行，且位于同一豎面中；第三通孔(1201)的軸線和第一通孔(1101)的軸線相互垂直，在第三通孔(1201)和第四通孔(1202)之間開有第二通槽(1203)，該第二通槽 (1203)連通第三通孔(1201)和第四通孔(1202)；在第三通孔(1201)的兩側(cè)分別設(shè)有一個第三應(yīng)變片(4)，該兩個第三應(yīng)變片(4)分別粘貼在第一側(cè)面(11)和第三側(cè)面上；在第四通孔(1202)的兩側(cè)分別設(shè)有一個第四應(yīng)變片(5)，該兩個第四應(yīng)變片(5)分別粘貼在第一側(cè)面(11)和第三側(cè)面上；所述的橫梁(6)包括相對的頂面(61)和底面，相對的第一側(cè)面(62)和第三側(cè)面，相對的第二側(cè)面和第四側(cè)面；在第一側(cè)面(62)和第三側(cè)面上開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)的軸線位于同一水平面中；第五通孔(6201)的軸線與第一通孔(1101)的軸線相互平行；在第五通孔(6201)和第六通孔(6202)之間開有第三通槽(6205)，該第三通槽(6205)連通第五通孔(6201)和第六通孔(6202);在第七通孔(6203) 和第八通孔(6204 )之間開有第四通槽(6206 )，該第四通槽(6206 )連通第七通孔(6203 )和第八通孔(6204)；在第五通孔(6201)的兩側(cè)分別設(shè)有一個第五應(yīng)變片(7)，該兩個第五應(yīng)變片(7)分別粘貼在橫梁的頂面(61)和底面上；在第六通孔(6202)的兩側(cè)分別設(shè)有一個第六應(yīng)變片(8 )，該兩個第六應(yīng)變片(8 )分別粘貼在橫梁的頂面(61)和底面上，在第七通孔 (6203)的兩側(cè)分別設(shè)有一個第七應(yīng)變片(9)，該兩個第七應(yīng)變片(9)分別粘貼在橫梁的頂面(61)和底面上，在第八通孔(6204)的兩側(cè)分別設(shè)有一個第八應(yīng)變片(10)，該兩個第八應(yīng)變片(10)分別粘貼在橫梁的頂面(61)和底面上；所述的兩個二維力傳感器的第一側(cè)面(11)和橫梁的第一側(cè)面(62)的朝向相同，兩個二維力傳感器的第二側(cè)面(12)的朝向相同，并且橫梁(6)固定連接在兩個二維力傳感器的頂端之間。
2.按照權(quán)利要求1所述的二維力傳感器，其特征在于，所述的矩形截面梁(1)采用鋁合金材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種五維力傳感器，包括兩個二維力傳感器和一個橫梁，每個二維力傳感器包括矩形截面梁，矩形截面梁的第一側(cè)面和第三側(cè)面上開有第一通孔、第二通孔和第一通槽；第二側(cè)面和第四側(cè)面上開有第三通孔、第四通孔和第二通槽，在第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔的兩側(cè)均分別設(shè)有應(yīng)變片；橫梁上開有第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔；在第五通孔和第六通孔之間開有第三通槽，在第七通孔和第八通孔之間開有第四通槽；在第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔的兩側(cè)均分別設(shè)有應(yīng)變片；橫梁固定連接在兩個二維力傳感器的頂端之間。該結(jié)構(gòu)的五維力傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，適合大范圍推廣應(yīng)用。
文檔編號G01L1/22GK102338674SQ201110226630
公開日2012年2月1日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者宋鈺濤, 崔建偉, 王愛民 申請人:東南大學(xué)