CN101319943A - 三维小量程力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种三维小量程力传感器，属于力学测试技术和传感器应用技术领域。其整体结构由“”形弹性体和固定基座组成。其中，两外侧竖直梁(1)、(2)上靠近固定基座附近开有Z向矩形通孔(5)、(6)；水平梁(3)上靠近中心竖直梁(4)开有Z向矩形通孔(7)、(8)；中心竖直梁(4)上靠近水平梁(3)开有X向矩形通孔(9)；上述两外侧竖直梁上的两个通孔薄壁外侧共贴四片应变片；上述水平梁(3)上的两个通孔薄壁外侧共贴四片应变片；上述中心竖直梁(4)上的通孔(9)两端于薄壁外侧共四片应变片。共组成三组惠斯登全桥电桥。本发明各维量程在0－5N，可以用来测试小动物爬行时足掌接触力。

Description

三维小量程力传感器
技术领域
本发明的三维小量程力传感器，属于力学测试技术和传感器应用技术领域，涉及小动物足掌接触力测试技术。
背景技术
树蛙具有在树上和竖直的墙壁上飞快、自由的、灵活的爬行的能力，深入研究树蛙足掌吸盘的吸附、脱附机理和树蛙的爬行规律，为研制仿生吸附材料、仿生爬壁机器人及工作于各种复杂环境下的其他特种机器人提供理论依据。同时研究动物运动，动物脚掌与爬行表面之间的接触力是最重要的信息之一。可以揭示动物在复杂环境下运动的规律，为设计出能适应各种工况的机器人，提供运动机构、步态等方面的仿生力学资料。
2002年，中国科学院合肥智能研究所的方立、孙怡宁、王理丽研制了一种新型的电阻应变式三维力传感器，该传感器具有灵敏度高，维间耦合小等优点，量程大决定了应用于拳击、跆拳道这样的竞技体育训练中，能准确、实时地反映运动员击打目标时力的大小和方向、时间间隔、打击部位精确与否，教练员能够根据这些数据指导运动员进行科学训练。
2003年，南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所研制的专利号为200310106299.0的倒“L”型三维微载荷测力阵列***，用于测量黄斑蠢、蜜蜂等爬壁生物脚掌与接触表面接触时的三维微接触力，测力范围为-0.01N-0.01N。
2003年，北京科技大学的徐义和山东科技学院的于岱峰、宋春宁用瑞士Kistler公司生产的92811-B三维测力平台、Kistler9861A-5电子放大器、测力数据软件分析***构建了MBFMAS(Motion Body 3-D Force-Measuring AnalyzingSystem)，可用于适用于运动生物力学教学和科研的测试分析***，由于购买国外产品，***总体成本较高。
2006年，南京南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所研制的专利号为200610041133.9的L型三维力传感器，兼顾刚度和灵敏度的情况下，可以实时测量1.5N以下的三维接触力，维间耦合小，主要用于壁虎爬行时的接触力测试。
由于树蛙体重明显大于黄斑蠢、蜜蜂，平稳爬行时单足掌接触力约为几百毫牛，而树蛙在爬行过程中突然跳跃的情况下最大接触力为3N。因此为了实时、准确的测量活体树蛙爬行时产生的三维接触力，综合考虑传感器的测力范围，维数以及成本等因素，现有的力传感器存在着种种不足。
发明内容
本发明提供一种各维量程在0-5N的三维小量程力传感器。可以用来测试小动物爬行时足掌接触力，可以精确实时的测量树蛙爬行时脚掌与接触平面的X，Y，Z方向的力，以解决现有技术的不足。
一种三维小量程力传感器，其特征在于：
整体结构由
Figure A20081012442400041
形弹性体和固定基座组成，其中弹性体包括中心竖直梁、两个外侧竖直梁，以及连接中心竖直梁和两个外侧竖直梁的水平梁，两个外侧竖直梁与固定基座相连；其中，两个外侧竖直梁靠近固定基座附近的一端各开有Z方向的矩形通孔，两通孔对称设置；其中，水平梁靠近中心竖直梁中轴线附近开有Z方向的矩形通孔，两通孔对称设置；其中，中心竖直梁靠近水平梁的一端开有X方向的方型通孔；上述两个外侧竖直梁上的两个通孔的薄壁外侧，靠近基座端贴有电阻应变片，共四片应变片组成第一组惠斯登全桥电桥；上述水平梁上的两个通孔的薄壁外侧，靠近外侧竖直梁的一端的分别贴有电阻应变片，共四片应变片组成第二组惠斯登全桥电桥；上述中心竖直梁上的通孔两端于薄壁外侧各贴有电阻应变片，共四片应变片组成第三组惠斯登全桥电桥。
有益效果
上述结构中采用弹性体梁局部开矩形通孔的方式对弹性体进行局部削弱，使弹性体梁局部应力(应变)水平明显提高，而传感器的整体刚度基本不变，这样就保证了传感器在保证刚度条件下，大大提高了灵敏度；由于矩形通孔的不同方向、贴于特定位置的电阻应变片组成相应的3组惠斯登全桥电桥，这样就使得传感器不同位置只对不同方向的力敏感，也就是施加单维力时只有一组桥路敏感，而其他两组则很不敏感，这样就保证了传感器维间耦合很小。
本发明的三维小量程力传感器结构简单，安装方便，灵敏度高，整体刚度大，维间耦合小、固有频率高等特点，量程为0-5N，分辨率为1mN。三维小量程力传感器与信号调理电路、数据采集卡，PC机以及编写的测试软件，这样就构建了三维力学测试***。传感器的中心竖直梁上端面为受力位置，在仿生研究方面，通过竖直梁上端面刚性连接一块有机玻璃来加大测试面积，用于测试大树蛙足掌接触力，还可对各种小动物或昆虫的接触力进行测量；同时还可用于测试动态的摩擦力。
附图说明
图1是三维小量程力传感器结构主视图；
图2是三维小量程力传感器结构左视图；
图3是惠斯登全桥测量电路；
图4是力学测试***构成；
图中的标号名称：1、2为外侧竖直梁，3为水平梁，4为中心竖直梁，5、6、7、8、9为矩形通孔，10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21为电阻应变片，22为固定基座，23为螺孔，24、受力面。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明设计的三维小量程力传感器的整体结构由
Figure A20081012442400051
形弹性体和
Figure A20081012442400052
形的固定基座组成，材料为硬铝合金LY12。弹性体结构是由弹性体梁1，2，3，4组成，外侧竖直梁1和2与固定基座22相连，水平梁3与外侧竖直梁1，2相连，水平梁3中心位置连有与之相垂直的中心竖直梁4，四根弹性梁组成了形结构。在外侧竖直梁1和2靠近固定基座22附近的一端对称开有Z方向的矩形通孔5和6，于10、11、12、13位置粘贴有电阻应变片，构成第一组惠斯登全桥测量电路，当垂直中心梁4顶部作用X方向的力时，第一组惠斯登全桥测量电路10、11、12、13可以检测出X方向的力的大小；水平梁3靠近中心竖直梁4中轴线附近对称开有Z方向的矩型通孔7和8，于14、15、16、17位置粘贴有电阻应变片，构成第二组惠斯登全桥测量电路，当垂直中心梁4顶部作用Y方向的力时，第二组惠斯登全桥测量电路14、15、16、17可以检测出Y方向的力的大小；中心竖直梁4靠近水平梁3的一端开有X方向的矩型通孔9，于18、19、20、21位置粘贴有电阻应变片，构成第三组惠斯登全桥测量电路，当垂直中心梁4顶部作用Z方向的力时，第二组惠斯登全桥测量电路18、19、20、21可以检测出Z方向的力的大小；最后通过固定基座22上的一系列螺孔23将弹性体固定在工作平台上。
三维小量力传感器上的电阻应变片的阻值变化转变成电压变化的输出，根据电阻应变片受拉、受压的变化，采用图3所示的应变式桥式电路。电路中R1、R2、R3、R4为应变片电阻，对应关系为R1、R4与R1、R3变化相反。

Claims (1)

1、一种三维小量程力传感器，其特征在于：
整体结构由
Figure A2008101244240002C1
形弹性体和固定基座组成，其中弹性体包括中心竖直梁(4)、两个外侧竖直梁(1)、(2)、以及连接中心竖直梁和两个外侧竖直梁的水平梁(3)，两个外侧竖直梁与固定基座相连；
其中，两个外侧竖直梁(1)、(2)靠近固定基座附近的一端各开有Z方向的矩形通孔(5)、(6)，两通孔对称设置；
其中，水平梁(3)靠近中心竖直梁(4)中轴线附近开有Z方向的矩形通孔(7)、(8)，两通孔对称设置；
其中，中心竖直梁(4)靠近水平梁(3)的一端开有X方向的矩形通孔(9)；
上述两个外侧竖直梁上的两个通孔(5)、(6)的薄壁外侧，靠近基座端贴有电阻应变片(10)、(11)、(12)、(13)，共四片应变片组成第一组惠斯登全桥电桥；
上述水平梁(3)上的两个通孔(7)、(8)的薄壁外侧，靠近外侧竖直梁(1)、(2)的一端的分别贴有电阻应变片(14)、(15)、(16)、(17)，共四片应变片组成第二组惠斯登全桥电桥；
上述中心竖直梁(4)上的通孔(9)两端于薄壁外侧各贴有电阻应变片(18)、(19)、(20)、(21)，共四片应变片组成第三组惠斯登全桥电桥。
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