本發(fā)明屬于多維力測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)變式三維力傳感器。

背景技術(shù)：

三維力的測量涉及到醫(yī)療、化工、食品、制造等所有需要使用機(jī)械設(shè)備的領(lǐng)域。通過測量機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中的實(shí)際受力情況可以監(jiān)測和判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、反饋和優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，這對于保證設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、提高生產(chǎn)安全性和控制產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用。

三維力測量的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于三維力的維間耦合。所謂維間耦合是指多維力傳感器在測量x、y和z方向三個互相垂直的分力過程中，任何一個方向的測量結(jié)果不僅在該方向分力作用下產(chǎn)生輸出信號，而且在另外兩個方向分力的作用下也會產(chǎn)生不應(yīng)該有的輸出的現(xiàn)象。維間耦合是影響測量精度的重要因素，為了減小或消除維間耦合，目前多維力傳感器通常采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者通過對傳感器輸出信號進(jìn)行解耦計(jì)算來降低耦合誤差，提高測量精度。

為了滿足三維力測量在不同生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，迫切需要一種結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、便于加工和使用，并能夠?qū)崿F(xiàn)維間解耦的三維力傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)變式三維力傳感器，可以適用于不同領(lǐng)域、不同場合、不同對象等多種三維力測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、適用性強(qiáng)、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種應(yīng)變式三維力傳感器，包括彈性敏感元件2，彈性敏感元件2的一端設(shè)有受力端1，另一端設(shè)有固定端7，彈性敏感元件2的表面貼有電阻應(yīng)變片4，電阻應(yīng)變片4連接成惠斯通測量電橋，惠斯通測量電橋的輸出和信號處理電路連接；

所述的彈性敏感元件2為雙正交正八角環(huán)結(jié)構(gòu)，由兩個互相垂直的正八角環(huán)結(jié)構(gòu)交叉構(gòu)成，八角環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部處于水平位置的兩個環(huán)面上加工出至少10mm×10mm的平面區(qū)域5用來粘貼電阻應(yīng)變片4；

所述的惠斯通測量電橋的組合方式采用電補(bǔ)償原理，根據(jù)粘貼在雙正交正八角環(huán)彈性敏感元件2表面的電阻應(yīng)變片4受到的應(yīng)力大小和正負(fù)規(guī)律組合成測量電橋，三組測量電橋分別用于測量三維力分量，實(shí)現(xiàn)三維力分量的解耦測量；

所述的信號處理電路采用集成電路板，對三組測量電橋電路輸出的模擬信號進(jìn)行放大、濾波處理從而獲得標(biāo)準(zhǔn)的1～5v或者4～20ma工業(yè)信號，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可被記錄的數(shù)字信號。

所述的受力端1根據(jù)被測三維力的實(shí)際情況設(shè)計(jì)成針狀、平面狀或凹槽狀形狀，并且受力端1和彈性敏感元件2為一體化零件。

所述的電阻應(yīng)變片4采用箔式金屬電阻應(yīng)變片或者由半導(dǎo)體材料的體電阻制作成的粘貼式半導(dǎo)體應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片4中主要部分為敏感電阻3。

所述的固定端7根據(jù)實(shí)際安裝需要設(shè)計(jì)成不同形狀，在固定端7上帶有固定傳感器的螺紋孔6。

所述的固定端7、彈性敏感元件2和受力端1采用3d打印技術(shù)或鑄造技術(shù)加工成一個整體。

所述的彈性敏感元件2表面粘貼有12片具有相同電阻值的電阻應(yīng)變片r1～r12，其中r1～r8一共4對電阻應(yīng)變片粘貼在兩個八角環(huán)結(jié)構(gòu)靠近傳感器固定端7的4個45°外表面上，應(yīng)變片柵絲走向沿所在表面的長度方向，每一對電阻應(yīng)變片的柵絲或體電阻分別關(guān)于粘貼表面的長軸和短軸對稱分布，兩個應(yīng)變片柵絲或體電阻之間的距離為s；r9～r12一共4個電阻應(yīng)變片粘貼在xoz平面內(nèi)的八角環(huán)中間平面上，或粘貼于yoz平面內(nèi)八角環(huán)的中間平面上，其中r9和r10粘貼于八角環(huán)中間平面的外表面上，r11和r12粘貼于八角環(huán)中間平面的內(nèi)表面上，r9～r12一共4個電阻應(yīng)變片的柵絲或體電阻沿z方向，并且柵絲或體電阻的中心與所在粘貼平面中心重合；

上述12片電阻應(yīng)變片分別組成3組惠斯通測量電橋，其中r1～r4組成x方向分力的測量電橋，r5～r8組成y方向分力的測量電橋，r9～r12組成z方向分力的測量電橋；各個測量電橋的供電電壓為e，電橋輸出電壓分別為ux、uy、uz。

一種交叉干擾誤差補(bǔ)償方法，三維力fx、fy和fz與傳感器測量電路的輸出信號ux、uy和uz之間為線性關(guān)系，假設(shè)由于傳感器彈性體加工誤差、應(yīng)變片定位誤差的原因造成傳感器輸出信號ux、uy和uz受到三維力fx、fy和fz的影響，并且它們之間的關(guān)系表示為：

ux＝a11fx+a12fy+a13fz+b1(1)

uy＝a21fx+a22fy+a23fz+b2(2)

uz＝a31fx+a32fy+a33fz+b3(3)

公式(1)-(3)中a11，a12，…，a33以及b1，b2和b3均為該補(bǔ)償方法的常系數(shù)，通過三維力傳感器靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定上述所有常系數(shù)；采用矩陣的方法可以將以上公式(1)-(3)表示為：

則三維力fx、fy和fz與傳感器測量電路的輸出信號ux、uy和uz之間的關(guān)系可以表示為：

通過靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得公式(5)中的常系數(shù)矩陣，然后對三維力傳感器的輸出信號進(jìn)行以上交叉干擾誤差補(bǔ)償計(jì)算，就獲得更高精度的三維力測量結(jié)果。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明通過采用雙正交正八角環(huán)結(jié)構(gòu)彈性敏感元件和電補(bǔ)償法，具有出色的三維解耦能力；在三維解耦的基礎(chǔ)上引入交叉干擾誤差補(bǔ)償算法，進(jìn)一步降低由于傳感器加工誤差和應(yīng)變片定位誤差引起的交叉干擾，提高精度。

2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔靈活，便于加工和安裝，可移植性強(qiáng)，適用范圍廣。通過改變受力端、固定端的結(jié)構(gòu)以及傳感器尺寸大小，可以滿足不同場合和領(lǐng)域的安裝使用要求。

3、本發(fā)明中所述的傳感器固定端、彈性敏感元件和傳感器受力端采用3d打印技術(shù)或鑄造技術(shù)加工成一個整體，避免多零件組裝存在的裝配應(yīng)力、連接間隙、配合誤差、接觸摩擦等缺陷，使傳感器具有剛度高、重復(fù)性好、線性度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明不同設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖1(a)是受力端1為針狀、末端為帶螺紋孔6的板狀固定端7；圖1(b)是受力端1為平面狀、末端為帶螺紋孔6的板狀固定端7；圖1(c)是受力端1為帶凹槽的平面狀、末端為帶螺紋孔6的長條狀固定端7；圖1(d)為連接受力端1和固定端7的雙正交正八角環(huán)結(jié)構(gòu)2。

圖2是本發(fā)明以圖1(a)為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2(a)是三維力傳感器的結(jié)構(gòu)和尺寸要素示意圖，圖2(b)是雙正交正八角環(huán)結(jié)構(gòu)中正八角環(huán)結(jié)構(gòu)及尺寸要素示意圖。

圖3是本發(fā)明雙正交正八角環(huán)彈性敏感元件表面電阻應(yīng)變片的粘貼方案及位置示意圖，圖中y方向表示垂直于紙面向外的方向。

圖4是本發(fā)明的惠斯通測量電橋組合方案示意圖。

圖5是本發(fā)明的工作原理示意圖。

圖6是本發(fā)明彈性敏感元件表面應(yīng)力分布規(guī)律示意圖，其中圖6(a)-圖6(d)表示彈性敏感元件中處于xoz平面內(nèi)的正八角環(huán)結(jié)構(gòu)在分別受到x、y和z方向作用力情況下的表面應(yīng)力分布規(guī)律，圖6(e)-圖6(h)表示彈性敏感元件中處于yoz平面內(nèi)的正八角環(huán)結(jié)構(gòu)在分別受到x、y和z方向作用力情況下的表面應(yīng)力分布規(guī)律。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參照圖1，一種應(yīng)變式三維力傳感器，包括彈性敏感元件2，彈性敏感元件2的一端設(shè)有受力端1，另一端設(shè)有固定端7，根據(jù)應(yīng)用場合、領(lǐng)域和對象的不同，設(shè)計(jì)成如圖1(a)、(b)和(c)等多種具有不同固定端7和受力端1形狀的方案；其中圖1(d)為連接受力端1和固定端7的雙正交正八角環(huán)結(jié)構(gòu)2。

參照圖2，所述實(shí)施例為本發(fā)明中一種應(yīng)變式三維力傳感器的一種實(shí)現(xiàn)形式，對應(yīng)于圖1(a)。該三維力傳感器的前端為針狀受力端1，可用于例如微型加工、顯微手術(shù)等過程中微小結(jié)構(gòu)內(nèi)三維力的測量，上述針狀結(jié)構(gòu)高度為h，底面半徑為r；傳感器中間的雙正交正八角環(huán)結(jié)構(gòu)2為彈性敏感元件，每個八角環(huán)結(jié)構(gòu)的尺寸要素包括平均半徑r，寬度b，厚度t；在彈性敏感元件的表面粘貼有電阻應(yīng)變片4，電阻應(yīng)變片4的核心部分為敏感電阻3，也就是應(yīng)變片柵絲或體電阻；八角環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部處于水平位置的兩個環(huán)面上加工出至少10mm×10mm的平面區(qū)域5用于粘貼電阻應(yīng)變片4；傳感器后端為固定端7，該部分的長度、寬度和厚度分別為l、b、h，在固定端7的四角開有螺紋孔6，通過螺釘對三維力傳感器進(jìn)行安裝固定。

參照圖3，所述的彈性敏感元件2表面粘貼有12片具有相同電阻值的電阻應(yīng)變片r1～r12，其中r1～r8一共4對電阻應(yīng)變片粘貼在兩個八角環(huán)結(jié)構(gòu)靠近傳感器固定端7的4個45°外表面上，應(yīng)變片柵絲走向沿所在表面的長度方向，每一對電阻應(yīng)變片的柵絲或體電阻分別關(guān)于粘貼表面的長軸和短軸對稱分布，兩個應(yīng)變片柵絲或體電阻之間的距離為s；r9～r12一共4個電阻應(yīng)變片粘貼在xoz平面內(nèi)的八角環(huán)中間平面上，或粘貼于yoz平面內(nèi)八角環(huán)的中間平面上，其中r9和r10粘貼于八角環(huán)中間平面的外表面上，如圖3中c向視圖，r11和r12粘貼于八角環(huán)中間平面的內(nèi)表面上，如圖3中d向視圖，r9～r12一共4個電阻應(yīng)變片的柵絲或體電阻沿z方向，并且柵絲或體電阻的中心與所在粘貼平面中心重合。

參照圖4，上述粘貼于三維力傳感器彈性敏感元件表面的12片電阻應(yīng)變片分別組成3組惠斯通測量電橋，其中r1～r4組成x方向分力的測量電橋，r5～r8組成y方向分力的測量電橋，r9～r12組成z方向分力的測量電橋；各個測量電橋的供電電壓為e，電橋輸出電壓分別為ux、uy、uz。

參照圖5，當(dāng)外力作用于三維力傳感器的受力端1時，傳感器彈性敏感元件2表面會產(chǎn)生與之對應(yīng)的應(yīng)力，該應(yīng)力被粘貼于彈性敏感元件表面的電阻應(yīng)變片4所感知并轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片自身的電阻值變化，當(dāng)測量電橋中橋臂電阻發(fā)生變化使電橋失去平衡，測量電橋就會產(chǎn)生與施加的外力對應(yīng)的電信號，該信號經(jīng)過放大和濾波后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可被記錄的數(shù)字信號。

參照圖3和圖6，將電阻應(yīng)變片r1、r2位置處應(yīng)力大小表示為σ1，r3、r4位置處應(yīng)力大小表示為σ2，r5、r6位置處應(yīng)力大小表示為σ3，r7、r8位置處應(yīng)力大小表示為σ4，r9～r12位置處應(yīng)力大小分別表示為σ5、σ6、σ7、σ8；當(dāng)三維力fx、fy、fz作用于傳感器的受力端1時，傳感器雙正交正八角環(huán)結(jié)構(gòu)的彈性敏感元件2表面產(chǎn)生的應(yīng)力滿足以下規(guī)律：

1、在fx作用下，位于xoz平面和yoz平面的八角環(huán)表面產(chǎn)生如圖6(b)和(f)所示的應(yīng)力分布規(guī)律，其中xoz平面的八角環(huán)左、右半環(huán)上對稱位置處應(yīng)力大小相等、符號相反，同一側(cè)半環(huán)的內(nèi)外表面對應(yīng)位置處應(yīng)力大小相等，符號相反；yoz平面的八角環(huán)的每一個表面的應(yīng)力一半為正，另一半為負(fù)，中間存在應(yīng)力幾乎為零的過渡帶；簡單總結(jié)為：①σ1＝-σ2＞0；②σ3＝σ4，其中r5和r8位置處應(yīng)力符號為負(fù)，r6和r7位置處應(yīng)力符號為正；③σ5＝-σ6＝-σ7＝σ8＜0。

2、在fy作用下，位于xoz平面和yoz平面的八角環(huán)表面產(chǎn)生如圖6(c)和(g)所示的應(yīng)力分布規(guī)律，其中yoz平面的八角環(huán)左、右半環(huán)上對稱位置處應(yīng)力大小相等、符號相反，同一側(cè)半環(huán)的內(nèi)外表面對應(yīng)位置處應(yīng)力大小相等，符號相反；xoz平面的八角環(huán)的每一個表面的應(yīng)力一半為正，另一半為負(fù)，中間存在應(yīng)力幾乎為零的過渡帶；簡單總結(jié)為：①σ1＝σ2，其中r2和r3位置處應(yīng)力符號為負(fù)，r1和r4位置處應(yīng)力符號為正；②σ3＝-σ4＞0；③σ5＝σ6＝σ7＝σ8＝0。

3、在fz作用下，位于xoz平面和yoz平面的八角環(huán)表面產(chǎn)生如圖6(d)和(h)所示的應(yīng)力分布規(guī)律，八角環(huán)左、右半環(huán)上對稱位置處應(yīng)力大小相等、符號相同，同一側(cè)半環(huán)的內(nèi)外表面對應(yīng)位置處應(yīng)力大小相等，符號相反；簡單總結(jié)為：①σ1＝σ2＜0；②σ3＝σ4＜0；③σ5＝σ6＝-σ7＝-σ8＞0。

將fx、fy和fz單獨(dú)作用于三維力傳感器受力端時導(dǎo)致各個應(yīng)變片電阻值的變化大小定義為r1、r2和r3，各個電阻應(yīng)變片的初始電阻值均為r；根據(jù)以上規(guī)律，在三維力作用下各個電阻應(yīng)變片的電阻變化歸納如下表：

表1.電阻應(yīng)變計(jì)阻值在三維切削力分量作用下阻值變化表

由于fx、fy和fz對傳感器彈性敏感元件的作用都是線性的，因此當(dāng)三維力同時作用于三維力傳感器時，在傳感器彈性敏感元件上產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變可以看成是各個方向力單獨(dú)作用時的線性疊加。據(jù)此，對如圖4所示的三維力測量電路的解耦能力進(jìn)行理論計(jì)算和驗(yàn)證如下：

1、fx方向測量電路

當(dāng)只有fx方向力作用于傳感器時，x方向測量電路輸出為：

當(dāng)同時對傳感器施加fx、fy和fz時，x方向測量電路輸出為：

由于在三維外力作用下各個應(yīng)變片電阻值的變化量r1、r2和r3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于應(yīng)變片自身電阻值，因此認(rèn)為以上公式(6)和公式(7)相等，即x方向測量電路能夠獨(dú)立測量x方向的分力fx而不會受到其他方向力的干擾。

2、fy方向測量電路

當(dāng)只有fy方向力作用于傳感器時，y方向測量電路輸出為：

當(dāng)同時對傳感器施加fx、fy和fz時，y方向測量電路輸出為：

同理，由于在三維外力作用下各個應(yīng)變片電阻值的變化量r1、r2和r3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于應(yīng)變片自身電阻值，因此認(rèn)為以上公式(8)和公式(9)相等，即y方向測量電路能夠獨(dú)立測量y方向的分力fy而不會受到其他方向力的干擾。

3、fz方向測量電路

當(dāng)只有fz方向力作用于傳感器時，z方向測量電路輸出為：

當(dāng)同時對傳感器施加fx、fy和fz時，z方向測量電路輸出為：

公式(10)和公式(11)完全相等，即z方向測量電路能夠獨(dú)立測量z方向的分力fz而不會受到其他方向力的干擾。

考慮到電阻應(yīng)變片4在制造過程中難免存在電阻值差異，傳感器結(jié)構(gòu)在加工中也存在一定行位誤差，電阻應(yīng)變片在粘貼過程中也存在定位誤差等因素，為了進(jìn)一步提高三維力測量的精度，本發(fā)明提出了一種交叉干擾誤差補(bǔ)償方法。由于本發(fā)明所述三維力傳感器是一種線性傳感器，認(rèn)為三維力fx、fy和fz與傳感器測量電路的輸出信號ux、uy和uz之間為一次函數(shù)關(guān)系，假設(shè)由于傳感器彈性體加工誤差、應(yīng)變片定位誤差的原因造成傳感器輸出信號ux、uy和uz受到三維力fx、fy和fz的影響，并且它們之間的關(guān)系表示為：

ux＝a11fx+a12fy+a13fz+b1(1)

uy＝a21fx+a22fy+a23fz+b2(2)

uz＝a31fx+a32fy+a33fz+b3(3)

公式(1)-(3)中a11，a12，…，a33以及b1，b2和b3均為該補(bǔ)償方法常系數(shù)，通過三維力傳感器靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定上述所有常系數(shù)；采用矩陣的方法可以將以上公式(1)-(3)表示為：

則三維力fx、fy和fz與傳感器測量電路的輸出信號ux、uy和uz之間的關(guān)系可以表示為：

通過靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得公式(5)中的常系數(shù)矩陣，然后對三維力傳感器的輸出信號進(jìn)行以上交叉干擾誤差補(bǔ)償計(jì)算，就獲得更高精度的三維力測量結(jié)果。

由以上理論分析可知本申請的一種應(yīng)變式三維力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、便于加工和適用范圍廣的特點(diǎn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)維間解耦、滿足三維力的獨(dú)立測量。

本發(fā)明中傳感器結(jié)構(gòu)加工的尺寸精度和形位精度，應(yīng)變片的定位精度、粘貼方向誤差以及組合方式對傳感器的測量精度和解耦性能至關(guān)重要。固定端7、彈性敏感元件2和受力端1采用3d打印技術(shù)或鑄造技術(shù)等合理的技術(shù)手段加工成一個整體，避免由于多零件組裝存在的裝配應(yīng)力、連接間隙、配合誤差、接觸摩擦等缺陷對傳感器的總體剛度、測量精度、解耦能力、穩(wěn)定性、重復(fù)性、線性度以及應(yīng)力傳遞均勻性等造成的不利影響。由于測量電橋依據(jù)電補(bǔ)償原理進(jìn)行組合，電阻應(yīng)變片4內(nèi)部的柵絲或體敏感電阻3的排布越緊湊、應(yīng)變片定位以及應(yīng)變片柵絲或體電阻朝向越準(zhǔn)確，對于保證測量電橋的解耦能力和測量精度越有利。

必須指出，上述實(shí)施例只是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)三維力傳感器的一種實(shí)現(xiàn)方式，不能據(jù)此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，其他等同的結(jié)構(gòu)、應(yīng)變片和測量電路組合方法仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。所述的三維力傳感器固定端7也可以是其他棱柱狀或平面接觸狀等可以實(shí)現(xiàn)傳感器的結(jié)構(gòu)，所述的三維力傳感器受力端1也可以設(shè)計(jì)為其他能夠承受或感知外界三維力的結(jié)構(gòu)；并且選擇該種結(jié)構(gòu)的傳感器材質(zhì)和應(yīng)變片材質(zhì)不受限。