CN103575446B - 一种中等量程三维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中等量程三维力传感器，包括加载凸台，加载凸台外侧水平设有呈十字分布的前矩形梁、后矩形梁、左矩形梁和右矩形梁，左矩形梁和右矩形梁上、下两侧靠近加载凸台的部位分别设有应变片，左矩形梁和右矩形梁左、右两侧偏上靠近加载凸台的部位分别设有应变片，前矩形梁和后矩形梁左、右两侧偏上靠近加载凸台的部位分别设有应变片；前矩形梁、后矩形梁、左矩形梁和右矩形梁的外端均连接有固定凸台。本发明的有益效果为：体积小，结构简单，自重影响小，灵敏度高；能够消除载荷偏心影响，精度高；可以精确地测试体型较大生物（如人）运动过程中X、Y、Z三个方向上的接触力，可用于学术研究，亦可用于工业测量。
Description
技术领域
本发明涉及测力技术领域，特别是涉及一种中等量程三维力传感器。
背景技术
通过研究动物运动，动物脚掌与爬行表面之间的接触力，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。
1994年，清华大学张国华等研制双杠三维测力***。该***由安装在双杠四根支脚上的4个三维测力传感器、动态应变仪、7T17S数字信号处理机组成，可提供各种实时处理的测量数据及图形。经运动员实际测试，取得了比较满意的结果，可用于双杠运动员的实际训练中。传感器采用径向受压圆环结合圆柱受弯形式来测定三维力。应变片组全桥。竖直方向(z方向)量程2000N，水平方向（x、y方向）量程1000N，测力误差在5%以内。
2002年，合肥智能机械所孙怡宁等设计出了一种新型的三维力传感器。考虑了传统力学量传感器的动力学性能和静态标定指标等特性，对其各维灵敏度及维间耦合系数等指标予以充分考虑。结构设计时做到了对所测维的力有较好的灵敏度，而对于非所测维力尽可能不灵敏，这样使维间耦合小，同时保证整个结构有足够的刚度。三个方向的力量程均为0～3000N。
新加坡南洋科技大学机械工程学院和美国加州大学伯克利分校机械工程系的WL.Jin在1998年共同研发的三维力传感器，采用硅微制造技术将传感器的敏感元件与弹性元件通过硅衬底制作工艺和硅-金共价键技术集成在一起，传感器的元件四个膜片的每一片都与两个惠斯通电桥集成，外力作用于承载层通过敏感层的硅十字传感器传给弹性层，弹性层的位移又以剪切力和轴向力形式传递给敏感层的膜片，利用惠斯通电桥来检测。
市场上现有的中等量程的三维力传感器要么尺寸偏大，精度不高，要么价格昂贵，并不能完全的适合于科学研究和市场应用需求。因此必须研制出精度高，尺寸小，易于安装且相对便宜的三维力传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种中等量程三维力传感器，以克服现有技术存在的上述不足。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种中等量程三维力传感器，包括加载凸台，所述加载凸台的中心设有中心螺纹孔；所述加载凸台外侧水平设有呈十字分布的前矩形梁、后矩形梁、左矩形梁和右矩形梁，所述左矩形梁和右矩形梁上、下两侧靠近加载凸台的部位分别设有应变片R1和R2、应变片R4和R3，所述左矩形梁和右矩形梁左、右两侧偏上靠近加载凸台的部位分别设有应变片R5和R8、应变片R6和R7，所述前矩形梁和后矩形梁左、右两侧偏上靠近加载凸台的部位分别设有应变片R9和R12、应变片R10和R11；所述前矩形梁、后矩形梁、左矩形梁和右矩形梁的外端均连接有固定凸台，所述固定凸台的中心均设有固定孔；所述固定凸台上设有接线端子一、接线端子二和接线端子三。
进一步的，所述应变片R1、R2、R3和R4组成惠斯通全桥，并将电压测量端接至接线端子一。
进一步的，所述应变片R5、R6、R7和R8组成惠斯通全桥，并将电压测量端接至接线端子二。
进一步的，所述应变片R9、R10、R11和R12组成惠斯通全桥，并将电压测量端接至接线端子三。
进一步的，所述前矩形梁和后矩形梁同轴，所述左矩形梁和右矩形梁同轴，所述前矩形梁和左矩形梁相互垂直，所述前矩形梁、后矩形梁、左矩形梁和右矩形梁的中心线交点与加载凸台的中心重合。
进一步的，所述加载凸台的高度大于固定凸台的高度。
本发明的有益效果为：体积小，结构简单，自重影响小，灵敏度高；能够消除载荷偏心影响，精度高;可以精确地测试体型较大生物（如人）运动过程中X、Y、Z三个方向上的接触力，可用于学术研究，亦可用于工业测量。
附图说明
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述中等量程三维力传感器的结构示意图；
图2是图1的仰视图的剖面图；
图3是本发明实施例所述应变片R1、R2、R3、R4组成的惠斯通全桥电路图；
图4是本发明实施例所述应变片R5、R6、R7、R8组成的惠斯通全桥电路图；
图5是本发明实施例所述应变片R9、R10、R11、R12组成的惠斯通全桥电路图；
图6是本发明实施例所述中等量程三维力传感器的数据采集设备的结构框图。
图中：
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12：应变片；
1、固定凸台；2、前矩形梁；3、后矩形梁；4、左矩形梁；5、右矩形梁；6、加载凸台；7、固定孔；8、中心螺纹孔；U、直流电源；Ui、电压测量端；Ⅰ、接线端子一；Ⅱ、接线端子二；Ⅲ、接线端子三。
具体实施方式
如图1-6所示，本发明实施例所述的一种中等量程三维力传感器，包括加载凸台6，所述加载凸台6的中心设有中心螺纹孔8；所述加载凸台6外侧水平设有呈十字分布的前矩形梁2、后矩形梁3、左矩形梁4和右矩形梁5，所述左矩形梁4和右矩形梁5上、下两侧靠近加载凸台6的部位分别设有应变片R1和R2、应变片R4和R3，所述左矩形梁4和右矩形梁5左、右两侧偏上靠近加载凸台6的部位分别设有应变片R5和R8、应变片R6和R7，所述前矩形梁2和后矩形梁3左、右两侧偏上靠近加载凸台6的部位分别设有应变片R9和R12、应变片R10和R11；所述前矩形梁2、后矩形梁3、左矩形梁4和右矩形梁5的外端均连接有固定凸台1，所述固定凸台1的中心均设有固定孔7；所述固定凸台1上设有接线端子一Ⅰ、接线端子二Ⅱ和接线端子三Ⅲ。
所述前矩形梁2和后矩形梁3同轴，所述左矩形梁4和右矩形梁5同轴，所述前矩形梁2和左矩形梁4相互垂直，所述前矩形梁2、后矩形梁3、左矩形梁4和右矩形梁5的中心线交点与加载凸台6的中心重合。
所述加载凸台6的高度大于固定凸台1的高度。加载凸台6底面与固定凸台1底面有0.5mm的间隙用于实现机械保护，加载凸台6上表面比固定凸台1高2mm左右以便于加载。
前矩形梁2、后矩形梁3、左矩形梁4和右矩形梁5均为较薄的矩形截面梁。
如图3，所述应变片R1、R2、R3和R4组成惠斯通全桥，并将电压测量端Ui接至接线端子一Ⅰ；应变片R1、R2、R4和R3顺序串联组成惠斯通全桥，电压测量端Ui一端接至R1和R2之间，另一端接至R3和R4之间；直流电源U一端接至R1和R3之间，另一端接至R2和R4之间。该惠斯通全桥用于测量附图1或2所示的Z方向力Fz的大小。
如图4，所述应变片R5、R6、R7和R8组成惠斯通全桥，并将电压测量端Ui接至接线端子二Ⅱ；应变片R5、R6、R8和R7顺序串联组成惠斯通全桥，电压测量端Ui一端接至R5和R6之间，另一端接至R7和R8之间；直流电源U一端接至R5和R7之间，另一端接至R6和R8之间。该惠斯通全桥用于测量附图1或2所示的Y方向力Fy的大小。
如图5，所述应变片R9、R10、R11和R12组成惠斯通全桥，并将电压测量端Ui接至接线端子三Ⅲ；应变片R9、R10、R12和R11顺序串联组成惠斯通全桥，电压测量端Ui一端接至R9和R10之间，另一端接至R11和R12之间；直流电源U一端接至R9和R11之间，另一端接至R10和R12之间。该惠斯通全桥用于测量附图1或2所示的X方向力Fx的大小。
通过图3、图4、图5所示的应变片桥式电路，将中等量程三维力传感器上的应变片的阻值变化变成电压变化并输出。
使用时，将四个固定凸台1分别用螺栓固定在基础上，将加载凸台6与承力板相连接，将接线端子一Ⅰ、接线端子二Ⅱ和接线端子三Ⅲ引出的三个电压测量端Ui测量到的电压经放大电路放大后进行数据采集，并将采集到的数据导入PC终端（图6）。
当在加载凸台6顶部受到Z方向力时，水平梁受弯，两端将产生较大应变。通过第一组电桥的应变片R1、R2、R3、R4可测量水平梁上下表面应变值，即可换算得到Z方向力Fz的大小；当在加载凸台6顶部受到X方向力时，前矩形梁2和后矩形梁3同时受轴向拉压和弯曲作用，左矩形梁4和右矩形梁5同时受弯曲和扭转作用。考虑到前矩形梁2和后矩形梁3是该方向上的主要支撑，选择应变片R9、R10、R11、R12组桥可以测出X方向力Fx的大小，并能够得到较大的应变；同理，选择应变片R5、R6、R7、R8组桥可以测出Y方向力Fy的大小，并能够得到较大的应变。
传感器的整体尺寸优选在75mm×75mm×15mm范围内，矩形截面梁的尺寸优选13mm×8mm×4mm。测力量程优选Fz为2000N、Fx和Fy为1000N。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种中等量程三维力传感器，包括加载凸台（6），其特征在于：所述加载凸台（6）的中心设有中心螺纹孔（8）；所述加载凸台（6）外侧水平设有呈十字分布的前矩形梁（2）、后矩形梁（3）、左矩形梁（4）和右矩形梁（5），所述左矩形梁（4）和右矩形梁（5）上、下两侧靠近加载凸台（6）的部位分别设有应变片R1和R2、应变片R4和R3，所述左矩形梁（4）和右矩形梁（5）左、右两侧偏上靠近加载凸台（6）的部位分别设有应变片R5和R8、应变片R6和R7，所述前矩形梁（2）和后矩形梁（3）左、右两侧偏上靠近加载凸台（6）的部位分别设有应变片R9和R12、应变片R10和R11；所述前矩形梁（2）、后矩形梁（3）、左矩形梁（4）和右矩形梁（5）的外端均连接有固定凸台（1），所述固定凸台（1）的中心均设有固定孔（7）；所述固定凸台（1）上设有接线端子一（Ⅰ）、接线端子二（Ⅱ）和接线端子三（Ⅲ），其中，所述应变片R1、R2、R3和R4组成惠斯通全桥，并将电压测量端（Ui）接至接线端子一（Ⅰ）；所述应变片R5、R6、R7和R8组成惠斯通全桥，并将电压测量端（Ui）接至接线端子二（Ⅱ）；所述应变片R9、R10、R11和R12组成惠斯通全桥，并将电压测量端（Ui）接至接线端子三（Ⅲ）。
2.根据权利要求1所述的一种中等量程三维力传感器，其特征在于：所述前矩形梁（2）和后矩形梁（3）同轴，所述左矩形梁（4）和右矩形梁（5）同轴，所述前矩形梁（2）和左矩形梁（4）相互垂直，所述前矩形梁（2）、后矩形梁（3）、左矩形梁（4）和右矩形梁（5）的中心线交点与加载凸台（6）的中心重合。
3.根据权利要求2所述的一种中等量程三维力传感器，其特征在于：所述加载凸台（6）的高度大于固定凸台（1）的高度。
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