本實(shí)用新型屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體是指力分布測量的傳感器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，力傳感器的種類很多，主要有壓阻式、電容式、壓電式等。不同的力傳感器具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，具有代表性的是stewart六維力傳感器，可以進(jìn)行六維力的測量。而對于同一平面的多個(gè)不確定的力的測量，目前主要的方法是在這個(gè)平面上黏附多個(gè)微小的壓力傳感器來確定多個(gè)力的分布位置和大小。壓力分布測量傳感器的典型代表有采用電容傳感技術(shù)的Xsensor壓力測量系統(tǒng)、采用壓阻傳感技術(shù)的Tekscan壓力分布測量系統(tǒng)和采用壓電電阻壓力傳感技術(shù)的FSA(Force Sensing Array)壓力測試系統(tǒng)，這些傳感器都需要由成千個(gè)微小壓力傳感器組成，每個(gè)傳感器單元只能測一個(gè)法向力的大小，位置精度由各個(gè)傳感器單元的面積決定，而當(dāng)位置精度要求越高，微小壓力傳感器單元的體積必須越小，成本更高，同時(shí)，這類傳感器對于切向力無法進(jìn)行測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置，以便能夠通過測量獲得作用在平板上兩個(gè)法向力的大小和位置，并能更進(jìn)一步地獲得作用在平板上的切向力的大小和方向。

本實(shí)用新型為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本實(shí)用新型可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：在所述平板的底部設(shè)置結(jié)構(gòu)相同的四個(gè)支撐梁，包括第一梁、第二梁、第三梁和第四梁；所述四個(gè)支撐梁關(guān)于平板中心呈十字對稱，支撐梁的首端呈豎向與平板固定連接，支撐梁的末端為固定端；在所述支撐梁上設(shè)有應(yīng)變片，根據(jù)應(yīng)變片的檢測信號計(jì)算獲得平板上所受兩個(gè)法向力的大小與分布。

本實(shí)用新型可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：在所述檢測裝置上建立三維坐標(biāo)系，以平板的底面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，第一梁和第二梁處在X軸向上，第三梁和第四梁處在Y軸向，沿平板的厚度方向?yàn)閆軸向；在所述第一梁和第二梁上沿Y軸向設(shè)置有雙通孔，在所述第三梁和第四梁上沿X軸向設(shè)置有雙通孔；所述雙通孔是指相互平行的兩只單通孔相連通，所述兩只單通孔分別是近支撐梁首端的首端孔和近支撐梁末端的末端孔。

本實(shí)用新型可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：

設(shè)置在支撐梁上的應(yīng)變片是分處在對應(yīng)于首端孔和末端孔的中心線所在位置的支撐梁的下表面和上表面，包括：

第一梁上，對應(yīng)于首端孔中心線位置在第一梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R11和R12；第一梁上，對應(yīng)于末端孔中心線位置在第一梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R13和R14；

第二梁上，對應(yīng)于首端孔中心線位置在第二梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R21和R22；第二梁上，對應(yīng)于末端孔中心線位置在第二梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R23和R24；

第三梁上，對應(yīng)于首端孔中心線位置在第三梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R31和R32；第三梁上，對應(yīng)于末端孔中心線位置在第三梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R33和R34；

第四梁上，對應(yīng)于首端孔中心線位置在第四梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R41和R42；第四梁上，對應(yīng)于末端孔中心線位置在第四梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R43和R44；

所述應(yīng)變片R11、R12、R13和R14，以及應(yīng)變片R21、R22、R23和R24沿X軸向粘貼；

所述應(yīng)變片R31、R32、R33和R34，以及應(yīng)變片R41、R42、R43和R44沿Y軸向粘貼；

本實(shí)用新型可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：

所述支撐梁是由徑向梁在首端與周向梁呈“T”連接組成，雙通孔設(shè)置在徑向梁上，周向梁的兩端呈豎向與平板固定連接，在所述周向梁的兩端對稱設(shè)置一對首端Z向通孔(6)，所述一對首端Z向通孔(6)分別是處在周向梁左端的左端Z向通孔和處在周向梁右端的右端Z向通孔，所述周向梁分別是：

位于第一梁的首端的第一周向梁；

位于第二梁的首端的第二周向梁；

位于第三梁的首端的第三周向梁；

位于第四梁的首端的第四周向梁；

本實(shí)用新型可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：在各徑向梁的末端設(shè)置一末端Z向通孔。

本實(shí)用新型可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：在各徑向梁的末端設(shè)置一段浮動梁，所述浮動梁與徑向梁在同一直線上，并且浮動梁的寬度小于徑向梁的寬度，形成徑向梁的細(xì)頸部。

本實(shí)用新型可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：

所述應(yīng)變片也設(shè)置在周向梁上、對應(yīng)于各周向梁上右端Z向通孔所在位置，并朝上周向梁中心偏離右端Z向通孔中心、分處在周向梁的外表面和內(nèi)表面，包括：

分處在第一周向梁的外表面和內(nèi)表面上的應(yīng)變片R51和R52；

分處在第二周向梁的外表面和內(nèi)表面上的應(yīng)變片R53和R54；

分處在第三周向梁的外表面和內(nèi)表面上的應(yīng)變片R61和R62；

分處在第四周向梁的外表面和內(nèi)表面上的應(yīng)變片R63和R64；

應(yīng)變片R51、R52、R53和R54沿Y軸向粘貼；所述應(yīng)變片R61、R62、R63和R64沿X軸向粘貼。

與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益效果體現(xiàn)在：

1、本實(shí)用新型能夠通過測量獲得作用在平板上兩個(gè)法向力的大小和位置；

2、本實(shí)用新型能夠通過測量獲得作用在平板上的切向力的大小和方向，并且是將兩個(gè)互相垂直的切向力分開測量，具有很好的解耦性能，抗干擾能力強(qiáng)；

3、本實(shí)用新型通過在梁上設(shè)置通孔，使應(yīng)變集中在應(yīng)變片的檢測區(qū)域，能極大地提高檢測靈敏度。

4、本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為圖1所示結(jié)構(gòu)的下表面應(yīng)變片分布示意圖；

圖2b為圖1所示結(jié)構(gòu)的上表面應(yīng)變片分布示意圖；

圖3為本實(shí)用新型另一結(jié)構(gòu)形式示意圖；

圖4a為圖3所示結(jié)構(gòu)的下表面應(yīng)變片分布示意圖；

圖4b為圖3所示結(jié)構(gòu)的上表面應(yīng)變片分布示意圖；

圖5為本實(shí)用新型中又有一結(jié)構(gòu)形式示意圖；

圖6a為圖5所示結(jié)構(gòu)的下表面應(yīng)變片分布示意圖；

圖6b為圖5所示結(jié)構(gòu)的上表面應(yīng)變片分布示意圖；

圖中標(biāo)號：1平板，2支撐梁，3雙通孔，4周向梁，5徑向梁，6首端Z向通孔，7末端Z向通孔，8浮動梁，1a第一梁，2a第二梁，3a第三梁，4a第四梁，1b第一周向梁,2b第二周向梁，3b第三周向梁，4b第四周向梁。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中可測兩個(gè)法向力大小及分布的檢測裝置的結(jié)構(gòu)形式是：在平板1的底部設(shè)置結(jié)構(gòu)相同的四個(gè)支撐梁2，包括第一梁1a、第二梁2a、第三梁3a和第四梁4a；四個(gè)支撐梁2關(guān)于平板1中心呈十字對稱，支撐梁2的首端呈豎向與平板1固定連接，支撐梁2的末端為固定端；在支撐梁2上設(shè)有應(yīng)變片，根據(jù)應(yīng)變片的檢測信號計(jì)算獲得平板1上所受兩個(gè)法向力的大小與分布。

如圖1所示，在檢測裝置上建立三維坐標(biāo)系，以平板1的底面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，第一梁1a和第二梁2a處在X軸向上，第三梁3a和第四梁4a處在Y軸向，沿平板1的厚度方向?yàn)閆軸向；在第一梁1a和第二梁2a上沿Y軸向設(shè)置有雙通孔3，在第三梁3a和第四梁4a上沿X軸向設(shè)置有雙通孔3；雙通孔3是指相互平行的兩只單通孔相連通，兩只單通孔分別是近支撐梁首端的首端孔和近支撐梁末端的末端孔。

參見圖2a和圖2b，本實(shí)施例中設(shè)置在支撐梁2上的應(yīng)變片是分處在對應(yīng)于首端孔和末端孔的中心線所在位置的支撐梁的下表面和上表面，包括：

第一梁1a上，對應(yīng)于首端孔中心線位置在第一梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R11和R12；第一梁1a上，對應(yīng)于末端孔中心線位置在第一梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R13和R14；

第二梁2a上，對應(yīng)于首端孔中心線位置在第二梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R21和R22；第二梁2a上，對應(yīng)于末端孔中心線位置在第二梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R23和R24；

第三梁3a上，對應(yīng)于首端孔中心線位置在第三梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R31和R32；第三梁3a上，對應(yīng)于末端孔中心線位置在第三梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R33和R34；

第四梁4a上，對應(yīng)于首端孔中心線位置在第四梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R41和R42；第四梁4a上，對應(yīng)于末端孔中心線位置在第四梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R43和R44；

應(yīng)變片R11、R12、R13和R14，以及應(yīng)變片R21、R22、R23和R24沿X軸向粘貼；

應(yīng)變片R31、R32、R33和R34，以及應(yīng)變片R41、R42、R43和R44沿Y軸向粘貼；

利用應(yīng)變片R11和R12、應(yīng)變片R13和R14、應(yīng)變片R21和R22、應(yīng)變片R23和R24、應(yīng)變片R31和R32、應(yīng)變片R33和R34、應(yīng)變片R41和R42，以及應(yīng)變片R43和R44分別組成惠斯通半橋電路，一一對應(yīng)獲得檢測信號為U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁、U₄₂；

在檢測信號向量M與平板表面所受等效力向量F之間存在有數(shù)學(xué)模型：C·F＝M；

令系數(shù)矩陣C是6×8的常數(shù)矩陣，6×8常數(shù)矩陣C是通過對所述檢測裝置進(jìn)行標(biāo)定獲得；

檢測信號向量M為檢測信號U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂中任意六個(gè)檢測信號組成的向量，且每個(gè)支撐梁2上最少選取一個(gè)檢測信號，檢測信號向量M可以是：

式(1)中：F_z1、F_z2為平板上的不同位置上的兩個(gè)等效法向作用力，(x₁，y₁)為F_z1在平板XOY坐標(biāo)系中作用力坐標(biāo)，(x₂，y₂)為F_z2在平板XOY坐標(biāo)系中作用力坐標(biāo)；利用數(shù)學(xué)模型C·F＝M，根據(jù)惠斯通半橋電路的檢測信號，獲得等效于平板1上兩個(gè)法向力的大小F_z1和F_z2，以及位置(x₁，y₁)和(x₂，y₂)。

參見圖3，本實(shí)施例中檢測裝置的另一結(jié)構(gòu)形式是：將支撐梁2設(shè)置為是由徑向梁5在首端與周向梁4呈“T”連接組成，雙通孔3位于徑向梁5上，周向梁4的兩端呈豎向與平板1固定連接，在周向梁4的兩端對稱設(shè)置一對首端Z向通孔6，一對首端Z向通孔6分別是處在周向梁左端的左端Z向通孔和處在周向梁右端的右端Z向通孔，周向梁分別是：位于第一梁1a的首端的第一周向梁1b；位于第二梁2a的首端的第二周向梁2b；位于第三梁3a的首端的第三周向梁3b；以及位于第四梁4a的首端的第四周向梁4b。

更進(jìn)一步地，如圖3所示，還可以在各徑向梁5的末端設(shè)置一末端Z向通孔7；或是在各徑向梁5的末端設(shè)置一段浮動梁8，浮動梁8與徑向梁5在同一直線上，并且浮動梁8的寬度小于徑向梁5的寬度，形成徑向梁5的細(xì)頸部。

針對圖3和圖5所示的結(jié)構(gòu)形式，本實(shí)施例中設(shè)置應(yīng)變片的分布為：

如圖4a和圖4b，以及圖6a和圖6b所示，設(shè)置在徑向梁5上、分處在對應(yīng)于首端孔和末端孔的中心線所在位置的支撐梁的下表面和上表面上應(yīng)變片采用與圖2a和圖2b相同的分布方式，包括：應(yīng)變片R11和R12、應(yīng)變片R13和R14、應(yīng)變片R21和R22、應(yīng)變片R23和R24、應(yīng)變片R31和R32、應(yīng)變片R33和R34、應(yīng)變片R41和R42以及應(yīng)變片R43和R44。同時(shí)，應(yīng)變片也設(shè)置在周向梁4上、對應(yīng)于各周向梁上右端Z向通孔所在位置，并朝上周向梁中心偏離右端Z向通孔中心、分處在周向梁4的外表面和內(nèi)表面，包括：

分處在第一周向梁1b的外表面和內(nèi)表面上的應(yīng)變片R51和R52；

分處在第二周向梁2b的外表面和內(nèi)表面上的應(yīng)變片R53和R54；

分處在第三周向梁3b的外表面和內(nèi)表面上的應(yīng)變片R61和R62；

分處在第四周向梁4b的外表面和內(nèi)表面上的應(yīng)變片R63和R64；

應(yīng)變片R51、R52、R53和R54沿Y軸向粘貼；應(yīng)變片R61、R62、R63和R64沿X軸向粘貼；由應(yīng)變片R51、R52、R53和R54組成一組惠斯通全橋電路，用于檢測X軸向的作用力F_x；由應(yīng)變片R61、R62、R63和R64組成另一組惠斯通全橋電路，用于檢測Y軸向的作用力F_y。

同樣地：利用應(yīng)變片R11和R12、應(yīng)變片R13和R14、應(yīng)變片R21和R22、應(yīng)變片R23和R24、應(yīng)變片R31和R32、應(yīng)變片R33和R34、應(yīng)變片R41和R42，以及應(yīng)變片R43和R44分別組成惠斯通半橋電路，一一對應(yīng)獲得檢測信號為U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁、U₄₂；

在檢測信號向量M與平板表面所受等效力向量F之間存在有數(shù)學(xué)模型：C·F＝M；

系數(shù)矩陣C是通過對檢測裝置進(jìn)行標(biāo)定獲得的6×8的常數(shù)矩陣；

檢測信號向量M為檢測信號U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂中任意六個(gè)檢測信號組成的向量，且每個(gè)支撐梁2上最少選取一個(gè)檢測信號，檢測信號向量M可以是：

式(2)中：F_z1、F_z2為平板上的不同位置上的兩個(gè)等效法向作用力，(x₁，y₁)為F_z1在平板XOY坐標(biāo)系中作用力坐標(biāo)，(x₂，y₂)為F_z2在平板XOY坐標(biāo)系中作用力坐標(biāo)；利用數(shù)學(xué)模型C·F＝M，根據(jù)惠斯通半橋電路所讀信號，獲得等效于平板(1)上兩個(gè)法向力的大小F_z1和F_z2，以及位置(x₁，y₁)和(x₂，y₂)。

若單獨(dú)使用，可使用于多種場合，例如可應(yīng)用于寫字板，隨時(shí)確定筆尖所在位置以及作用力的大小和方向。若將多個(gè)該檢測裝置拼裝在一起，可以得出垂直于平板表面的壓力分布情況，例如可用于醫(yī)療設(shè)備，根據(jù)垂直壓力和切向力可以確定人的受傷足部康復(fù)程度。同時(shí)可以通過改變每個(gè)檢測裝置的大小尺寸，使其適用于不同場合。