[實用新型]一種降低三維力傳感器各方向相互耦合的裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201621301986.7
• 申請日: 2016-11-30
• 公開（公告）號: CN206339325U
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高炳濤;梅紅偉;李廷元;楊曉偉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航天計量測試技術(shù)研究所;中國運載火箭技術(shù)研究院
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心11007
• 代理人: 呂巖甲

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種降低三維力傳感器各方向相互耦合的裝置，該裝置基于彎曲變形理論通過對各向電阻應(yīng)變片進行合理的空間布置，以消除分力之間的相互干擾，解決三維力傳感器存在維間耦合性的難題，提高三維力傳感器測量的準確度。

背景技術(shù)

傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和科學技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一。多分力傳感器能夠測量三維空間的全力信息，廣泛應(yīng)用于精密裝配、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)等作業(yè)中，同時在智能機器人、自動控制、航空航天、仿生運動等研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對于多分力傳感器的研究，其核心問題是彈性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與電阻應(yīng)變片的合理布置，彈性體的結(jié)構(gòu)決定著傳感器的剛度、分辨率、靈敏度和動態(tài)性能等，電阻應(yīng)變片的空間布置影響傳感器的維間耦合性及測量精度，兩者是傳感器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵所在。然而，目前在三維力傳感器的設(shè)計過程中在分辨率、測量精度、維間耦合性與動態(tài)特性之間很難到達一個平衡點。國內(nèi)三維力傳感器普遍采用筒式結(jié)構(gòu)，電阻應(yīng)變片布置于圓筒兩端部，保證了傳感器具有較高的靈敏度，卻存在維間耦合度大、動態(tài)特性差、穩(wěn)定性低等不足。近年來，一些學者探索采用立柱式結(jié)構(gòu)，比如，在公開號為CN200920276179.8的專利中公開了一種立柱式三維測力傳感器，該傳感器采樣立柱式結(jié)構(gòu)，并將電阻應(yīng)變片布置于立柱中心，此項技術(shù)改進在一定程度上提高了傳感器的穩(wěn)定性及動態(tài)性能，但是還是無法解決三維力傳感器存在維間耦合性的難題。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型的目的在于提供一種降低三維力傳感器各方向相互耦合的裝置，通過對立柱式三維力傳感器進行結(jié)構(gòu)改進，并基于彎曲變形理論對各向電阻應(yīng)變片進行合理的空間布置，解決三維力傳感器存在維間耦合性的難題，提高三維力傳感器的綜合性能。

為達到上述目的，本實用新型所采取的技術(shù)方案為：

一種降低三維力傳感器各方向相互耦合的裝置，包括上壓板、傳力柱、下壓板，上壓板通過四個均勻布置的傳力柱將其所承受的矢量力傳遞給下壓板；每個傳力柱四個表面上均布置X向電阻應(yīng)變片組、Y向電阻應(yīng)變片組與Z向電阻應(yīng)變片組，在外載荷作用下傳力柱產(chǎn)生彈性變形，X向電阻應(yīng)變片組、Y向電阻應(yīng)變片組與Z向電阻應(yīng)變片組便可感知其各自方向上的形變量。

所述的四個均勻布置的傳力柱為該三維力傳感器的彈性體，彈性體的殼體是沿殼體軸向上下對稱結(jié)構(gòu)，將殼體鏤空，分別形成上壓板、傳力柱、下壓板。

所述的X向電阻應(yīng)變片組由電阻應(yīng)變片Xa、電阻應(yīng)變片Xb、電阻應(yīng)變片Xc及電阻應(yīng)變片Xd組成，電阻應(yīng)變片Xa、電阻應(yīng)變片Xb、電阻應(yīng)變片Xc及電阻應(yīng)變片Xd以傳力柱橫向?qū)ΨQ面為中心對稱布置在其兩端，組成一組全橋電路Qx，用于完成對X方向分力Fx的測量。

所述的Y向電阻應(yīng)變片組由電阻應(yīng)變片Ya、電阻應(yīng)變片Yb、電阻應(yīng)變片Yc及電阻應(yīng)變片Yd組成，電阻應(yīng)變片Ya、電阻應(yīng)變片Yb、電阻應(yīng)變片Yc及電阻應(yīng)變片Yd以傳力柱橫向?qū)ΨQ面為中心對稱布置在其兩端，組成一組全橋電路Qy，用于完成對Y方向分力Fy的測量。

所述的Z向電阻應(yīng)變片組由電阻應(yīng)變片Za、電阻應(yīng)變片Zb、電阻應(yīng)變片Zc及電阻應(yīng)變片Zd組成，電阻應(yīng)變片Zc與電阻應(yīng)變片Zd布置于傳力柱兩相對表面上，電阻應(yīng)變片Zc與電阻應(yīng)變片Zd中心與柱橫向?qū)ΨQ面重合并以傳力柱縱向?qū)ΨQ面為中心對稱布置；電阻應(yīng)變片Za與電阻應(yīng)變片Zb位于傳力柱兩相對表面，其中心與柱橫向?qū)ΨQ面重合，電阻應(yīng)變片Za、電阻應(yīng)變片Zb、電阻應(yīng)變片Zc及電阻應(yīng)變片Zd串聯(lián)于同一支路上，組成一組全橋電路Qz，用于完成對Z方向分力Fz的測量。

所述的上壓板、下壓板采用階梯軸結(jié)構(gòu)。

本實用新型所取得的有益效果為：

本實用新型可以完成對矢量力X、Y、Z三個方向分力的測量，本實用新型以三維力傳感器立柱式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并借鑒筒式結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)點，確保了該新型三維力傳感器具有較高的靈敏度、測量精度以及動態(tài)特性，并基于彎曲變形理論通過對各向電阻應(yīng)變片進行合理的空間布置，消除三維力傳感器維間耦合性問題。

附圖說明

圖1為本實用新型三維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖I；

圖2為本實用新型三維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖II；

圖3為本實用新型三維力傳感器傳力柱電阻應(yīng)變片布置示意圖I；

圖4為本實用新型三維力傳感器傳力柱電阻應(yīng)變片布置示意圖II；

圖5為本實用新型三維力傳感器傳力柱電阻應(yīng)變片布置示意圖III；

圖6為X向全橋電路Qx；

圖7為Y向全橋電路Qy；