專利名稱：一種二維力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種傳感器，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種二維力傳感器。
背景技術(shù)：
多維力傳感器能夠測(cè)量三維空間中多個(gè)力的分量，在機(jī)器人、自動(dòng)控制、虛擬現(xiàn)實(shí)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(jìn)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(jī)械量——電量轉(zhuǎn)換器件，它的實(shí)現(xiàn)方法主要是由某種對(duì)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(huì)敏感元件一起發(fā)生彈性變形，同時(shí)應(yīng)變片的變形與其電阻對(duì)應(yīng)，這就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械量——電量的轉(zhuǎn)換?？梢姡苊舾袡C(jī)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(hào)為CN1425903A的中國(guó)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(cè)量十字梁的變形，同時(shí)就可以測(cè)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(jì)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(hào)為CN201561825. U的中國(guó)專利文件公開的傳感器，這種傳感器的特點(diǎn)是在一個(gè)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(cè)量多維力；(3)各種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的多維力傳感器，典形結(jié)構(gòu)如公告號(hào)為CN101329208A 的中國(guó)專利文件公開的傳感器，它是一種基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的多維力傳感器。這些傳感器的共同缺點(diǎn)是制造都很困難，不宜推廣應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種二維力傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種二維力傳感器，包括矩形截面梁，該矩形截面梁包括相對(duì)的頂面和底面，相對(duì)的第一側(cè)面和第三側(cè)面，相對(duì)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(gè)第一應(yīng)變片，該兩個(gè)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(gè)第二應(yīng)變片， 該兩個(gè)第二應(yīng)變片分別粘貼在第二側(cè)面和第四側(cè)面上；在第二側(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(gè)第三應(yīng)變片，該兩個(gè)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(gè)第四應(yīng)變片，該兩個(gè)第四應(yīng)變片分別粘貼在第一側(cè)面和第三側(cè)面上。有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案的有益效果1.傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，適合大范圍推廣應(yīng)用。本技術(shù)方案中的二維力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本二維力傳感器是在矩形截面梁上開設(shè)通孔和通槽，然后在矩形截面梁上粘貼應(yīng)變片即可。在制作時(shí)，由于開孔和開槽的工藝簡(jiǎn)單，因此，這些傳感器的制作也十分簡(jiǎn)便，適合大范圍推廣應(yīng)用。2.采集數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，并且測(cè)量精度高。在本技術(shù)方案中，二維力傳感器可以看做是兩個(gè)一維力傳感器的線性疊加，每個(gè)一維力傳感器由兩個(gè)孔和一個(gè)槽組成。每個(gè)一維力傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)試電路都具有模塊化的特點(diǎn)，因此，各一維力傳感器間是互相獨(dú)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(cè)量，但測(cè)量力取傳感器的共模信號(hào)，力偶取傳感器的差模信號(hào)，因此，也具有正交的特點(diǎn)，這就解決了多維力之間維間耦合問(wèn)題，提高了測(cè)量精度。3.傳器信號(hào)處理過(guò)程簡(jiǎn)單。在本技術(shù)方案中，每個(gè)一維力傳感器的輸出信號(hào)都是一一對(duì)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(hào)處理過(guò)程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于每個(gè)一維力傳感器可以看做一個(gè)模塊，本實(shí)用新型所述的傳感器具模塊化的特點(diǎn)，模塊的結(jié)構(gòu)相似，其測(cè)量電路也相似并可獨(dú)立調(diào)試，與現(xiàn)有的多維力傳感器相比，就省去了綜合標(biāo)定的步驟，大大簡(jiǎn)化了傳感器調(diào)試的工作量，并有利于提高測(cè)量精度。

圖1為本實(shí)用新型的二維力傳感器的結(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。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1所示，一種二維力傳感器，包括矩形截面梁1。該矩形截面梁1可采用鋁合金材料制成。矩形截面梁1包括頂面、底面、第一側(cè)面11、第二側(cè)面12、第三側(cè)面和第四側(cè)面，其中，頂面和底面相對(duì)設(shè)置，第一側(cè)面11和第三側(cè)面相對(duì)設(shè)置，第二側(cè)面12和第四側(cè)面相對(duì)設(shè)置。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(gè)第一應(yīng)變片2。這兩個(gè)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(gè)第二應(yīng)變片3。這兩個(gè)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。同時(shí)，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(gè)第三應(yīng)變片4。這兩個(gè)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(gè)第四應(yīng)變片5。這兩個(gè)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。 該結(jié)構(gòu)的二維力傳感器作用原理是當(dāng)矩形截面梁1受力變形時(shí)，將同時(shí)引起應(yīng)變片電阻值的變化，該電阻值表征了受力的大小。具體來(lái)說(shuō)，如圖1所示，圖中標(biāo)出了三維坐標(biāo)X、Y、Z，按力學(xué)的習(xí)慣約定，三個(gè)坐標(biāo)軸不僅代表坐標(biāo)的正方向，也代表一個(gè)正方向的作用力，字母X、Y、Z表示坐標(biāo)的名稱，而用Fx、Fy、Fz表示與坐標(biāo)軸同向的力。在矩形截面梁1上開通孔和通槽后，矩形截面梁1就變成了應(yīng)變梁。應(yīng)變梁的壁厚就不一致。應(yīng)變梁壁厚最薄處是其最敏感的位置。當(dāng)開設(shè)第一通孔1101、第二通孔1102和第一通槽1103 時(shí)，在應(yīng)變梁最敏感的四個(gè)位置粘貼第一應(yīng)變片2和第二應(yīng)變片3，這樣就構(gòu)成了一個(gè)類似望元鏡結(jié)構(gòu)的敏感元件。該部分的敏感元件構(gòu)成第一一維力傳感器111，該第一一維力傳感器111能敏感Y方向的力Fy。X、Z方向的力對(duì)第一應(yīng)變片2和第二應(yīng)變片3的作用力大小相同，方向相反，進(jìn)而抵消，即X、Z方向的力不影響兩個(gè)第一應(yīng)變片2和兩個(gè)第二應(yīng)變片 3的示值(示值是指應(yīng)變片的電阻)，故第一一維力傳感器111只能敏感Y軸方向的作用力。 同樣道理，當(dāng)開設(shè)第三通孔1201、第四通孔1202和第二通槽1203時(shí)，在應(yīng)變梁最敏感的四個(gè)位置粘貼第三應(yīng)變片4和第四應(yīng)變片5，這樣也構(gòu)成了一個(gè)類似望元鏡結(jié)構(gòu)的敏感元件。 該部分的敏感元件構(gòu)成第二一維力傳感器121。第二一維力傳感器121只能敏感X方向的力Fx。Y、Z方向的力對(duì)第三應(yīng)變片4和第四應(yīng)變片5的作用力大小相同，方向相反，進(jìn)而抵消，即Υ、Ζ方向的力不影響兩個(gè)第三應(yīng)變片4和兩個(gè)第四應(yīng)變片5的示值(示值是指應(yīng)變片的電阻)，故第二一維力傳感器121只能敏感X軸方向的作用力。因此，該結(jié)構(gòu)的二維力傳感器具有結(jié)構(gòu)解耦的特點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種二維力傳感器，其特征在于，包括矩形截面梁(1 )，該矩形截面梁(1)包括相對(duì)的頂面和底面，相對(duì)的第一側(cè)面(11)和第三側(cè)面，相對(duì)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(gè)第一應(yīng)變片(2)，該兩個(gè)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(gè)第二應(yīng)變片(3)，該兩個(gè)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),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(gè)第三應(yīng)變片(4)，該兩個(gè)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(gè)第四應(yīng)變片(5)，該兩個(gè)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。
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。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種二維力傳感器，包括矩形截面梁，該矩形截面梁包括相對(duì)的頂面和底面，相對(duì)的第一側(cè)面和第三側(cè)面，相對(duì)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，在第一通孔和第二通孔之間開有第一通槽，在第一通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)第一應(yīng)變片，在第二通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)第二應(yīng)變片，在第二側(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，在第三通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)第三應(yīng)變片，在第四通孔的兩側(cè)分別設(shè)有一個(gè)第四應(yīng)變片。該結(jié)構(gòu)的二維力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，適合大范圍推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01L1/22GK202216783SQ20112028690
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者吳建鋒, 宋鈺濤, 崔建偉 申請(qǐng)人:東南大學(xué)