一种应变式三维力传感器制造技术

一种应变式三维力传感器，包括弹性敏感元件，弹性敏感元件的一端设有受力端，另一端设有固定端，弹性敏感元件的表面贴有电阻应变片，电阻应变片连接成惠斯通测量电桥，惠斯通测量电桥输出和信号处理电路连接；弹性敏感元件为双正交正八角环结构，惠斯通测量电桥采用电补偿原理，根据粘贴在双正交正八角环弹性敏感元件表面的电阻应变片受到的应力大小和正负规律组合成测量电桥，三组测量电桥分别用于测量三维力分量，实现三维力分量的解耦测量；信号处理电路采用集成电路板，对三组测量电桥输出的模拟信号进行放大、滤波处理，并进一步转换为数字信号，本发明专利技术适用于不同不同场合，具有结构简单、适用性强、测量精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种应变式三维力传感器
本专利技术属于多维力测量
，具体涉及一种应变式三维力传感器。
技术介绍
三维力的测量涉及到医疗、化工、食品、制造等所有需要使用机械设备的领域。通过测量机械设备运行过程中的实际受力情况可以监测和判断设备运行状态、反馈和优化运行参数，这对于保证设备运行稳定性、提高生产安全性和控制产品质量具有重要作用。三维力测量的重点和难点在于三维力的维间耦合。所谓维间耦合是指多维力传感器在测量X、Y和Z方向三个互相垂直的分力过程中，任何一个方向的测量结果不仅在该方向分力作用下产生输出信号，而且在另外两个方向分力的作用下也会产生不应该有的输出的现象。维间耦合是影响测量精度的重要因素，为了减小或消除维间耦合，目前多维力传感器通常采用复杂的结构设计或者通过对传感器输出信号进行解耦计算来降低耦合误差，提高测量精度。为了满足三维力测量在不同生产领域的应用需求，迫切需要一种结构简单、性能可靠、便于加工和使用，并能够实现维间解耦的三维力传感器。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种应变式三维力传感器，可以适用于不同领域、不同场合、不同对象等多种三维力测量，具有结构简单、适用性强、测量精度高的优点。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种应变式三维力传感器，包括弹性敏感元件2，弹性敏感元件2的一端设有受力端1，另一端设有固定端7，弹性敏感元件2的表面贴有电阻应变片4，电阻应变片4连接成惠斯通测量电桥，惠斯通测量电桥的输出和信号处理电路连接；所述的弹性敏感元件2为双正交正八角环结构，由两个互相垂直的正八角环结构交叉构成，八角环结构内部处于水平位置的两个环面上加工出至少10mm×10mm的平面区域5用来粘贴电阻应变片4；所述的惠斯通测量电桥的组合方式采用电补偿原理，根据粘贴在双正交正八角环弹性敏感元件2表面的电阻应变片4受到的应力大小和正负规律组合成测量电桥，三组测量电桥分别用于测量三维力分量，实现三维力分量的解耦测量；所述的信号处理电路采用集成电路板，对三组测量电桥电路输出的模拟信号进行放大、滤波处理从而获得标准的1～5V或者4～20mA工业信号，并进一步转换为可被记录的数字信号。所述的受力端1根据被测三维力的实际情况设计成针状、平面状或凹槽状形状，并且受力端1和弹性敏感元件2为一体化零件。所述的电阻应变片4采用箔式金属电阻应变片或者由半导体材料的体电阻制作成的粘贴式半导体应变片，电阻应变片4中主要部分为敏感电阻3。所述的固定端7根据实际安装需要设计成不同形状，在固定端7上带有固定传感器的螺纹孔6。所述的固定端7、弹性敏感元件2和受力端1采用3D打印技术或铸造技术加工成一个整体。所述的弹性敏感元件2表面粘贴有12片具有相同电阻值的电阻应变片R1～R12，其中R1～R8一共4对电阻应变片粘贴在两个八角环结构靠近传感器固定端7的4个45°外表面上，应变片栅丝走向沿所在表面的长度方向，每一对电阻应变片的栅丝或体电阻分别关于粘贴表面的长轴和短轴对称分布，两个应变片栅丝或体电阻之间的距离为s；R9～R12一共4个电阻应变片粘贴在XOZ平面内的八角环中间平面上，或粘贴于YOZ平面内八角环的中间平面上，其中R9和R10粘贴于八角环中间平面的外表面上，R11和R12粘贴于八角环中间平面的内表面上，R9～R12一共4个电阻应变片的栅丝或体电阻沿Z方向，并且栅丝或体电阻的中心与所在粘贴平面中心重合；上述12片电阻应变片分别组成3组惠斯通测量电桥，其中R1～R4组成X方向分力的测量电桥，R5～R8组成Y方向分力的测量电桥，R9～R12组成Z方向分力的测量电桥；各个测量电桥的供电电压为E，电桥输出电压分别为UX、UY、UZ。一种交叉干扰误差补偿方法，三维力FX、FY和FZ与传感器测量电路的输出信号UX、UY和UZ之间为线性关系，假设由于传感器弹性体加工误差、应变片定位误差的原因造成传感器输出信号UX、UY和UZ受到三维力FX、FY和FZ的影响，并且它们之间的关系表示为：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均为该补偿方法的常系数，通过三维力传感器静态标定实验确定上述所有常系数；采用矩阵的方法可以将以上公式(1)-(3)表示为：则三维力FX、FY和FZ与传感器测量电路的输出信号UX、UY和UZ之间的关系可以表示为：通过静态标定实验获得公式(5)中的常系数矩阵，然后对三维力传感器的输出信号进行以上交叉干扰误差补偿计算，就获得更高精度的三维力测量结果。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术通过采用双正交正八角环结构弹性敏感元件和电补偿法，具有出色的三维解耦能力；在三维解耦的基础上引入交叉干扰误差补偿算法，进一步降低由于传感器加工误差和应变片定位误差引起的交叉干扰，提高精度。2、本专利技术结构简洁灵活，便于加工和安装，可移植性强，适用范围广。通过改变受力端、固定端的结构以及传感器尺寸大小，可以满足不同场合和领域的安装使用要求。3、本专利技术中所述的传感器固定端、弹性敏感元件和传感器受力端采用3D打印技术或铸造技术加工成一个整体，避免多零件组装存在的装配应力、连接间隙、配合误差、接触摩擦等缺陷，使传感器具有刚度高、重复性好、线性度高、稳定性强的优点。附图说明图1是本专利技术不同设计方案的结构示意图；其中图1(a)是受力端1为针状、末端为带螺纹孔6的板状固定端7；图1(b)是受力端1为平面状、末端为带螺纹孔6的板状固定端7；图1(c)是受力端1为带凹槽的平面状、末端为带螺纹孔6的长条状固定端7；图1(d)为连接受力端1和固定端7的双正交正八角环结构2。图2是本专利技术以图1(a)为实施例的结构示意图，其中图2(a)是三维力传感器的结构和尺寸要素示意图，图2(b)是双正交正八角环结构中正八角环结构及尺寸要素示意图。图3是本专利技术双正交正八角环弹性敏感元件表面电阻应变片的粘贴方案及位置示意图，图中Y方向表示垂直于纸面向外的方向。图4是本专利技术的惠斯通测量电桥组合方案示意图。图5是本专利技术的工作原理示意图。图6是本专利技术弹性敏感元件表面应力分布规律示意图，其中图6(a)-图6(d)表示弹性敏感元件中处于XOZ平面内的正八角环结构在分别受到X、Y和Z方向作用力情况下的表面应力分布规律，图6(e)-图6(h)表示弹性敏感元件中处于YOZ平面内的正八角环结构在分别受到X、Y和Z方向作用力情况下的表面应力分布规律。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。参照图1，一种应变式三维力传感器，包括弹性敏感元件2，弹性敏感元件2的一端设有受力端1，另一端设有固定端7，根据应用场合、领域和对象的不同，设计成如图1(a)、(b)和(c)等多种具有不同固定端7和受力端1形状的方案；其中图1(d)为连接受力端1和固定端7的双正交正八角环结构2。参照图2，所述实施例为本专利技术中一种应变式三维力传感器的一种实现形式，对应于图1(a)。该三维力传感器的前端为针状受力端1，可用于例如微型加工、显微手术等过程中微小结构内三维力的测量，上述针状结构高度为h，底面半径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应变式三维力传感器，包括弹性敏感元件(2)，其特征在于：弹性敏感元件(2)的一端设有受力端(1)，另一端设有固定端(7)，弹性敏感元件(2)的表面贴有电阻应变片(4)，电阻应变片(4)连接成惠斯通测量电桥，惠斯通测量电桥输出和信号处理电路连接；所述的弹性敏感元件(2)为双正交正八角环结构，由两个互相垂直的正八角环结构交叉构成，八角环结构内部处于水平位置的两个环面上加工出至少10mm×10mm的平面区域(5)用来粘贴电阻应变片(4)；所述的惠斯通测量电桥的组合方式采用电补偿原理进行组合，根据粘贴在双正交正八角环弹性敏感元件(2)表面的电阻应变片(4)受到的应力大小和正负规律组合成测量电桥，三组测量电桥分别用于测量三维力分量，实现三维力分量的解耦测量；所述的信号处理电路采用集成电路板，对三组测量电桥输出的模拟信号进行放大、滤波处理从而获得标准的1～5V或者4～20mA工业信号，并进一步转换为可被记录的数字信号。

【技术特征摘要】
1.一种应变式三维力传感器，包括弹性敏感元件(2)，其特征在于：弹性敏感元件(2)的一端设有受力端(1)，另一端设有固定端(7)，弹性敏感元件(2)的表面贴有电阻应变片(4)，电阻应变片(4)连接成惠斯通测量电桥，惠斯通测量电桥输出和信号处理电路连接；所述的弹性敏感元件(2)为双正交正八角环结构，由两个互相垂直的正八角环结构交叉构成，八角环结构内部处于水平位置的两个环面上加工出至少10mm×10mm的平面区域(5)用来粘贴电阻应变片(4)；所述的惠斯通测量电桥的组合方式采用电补偿原理进行组合，根据粘贴在双正交正八角环弹性敏感元件(2)表面的电阻应变片(4)受到的应力大小和正负规律组合成测量电桥，三组测量电桥分别用于测量三维力分量，实现三维力分量的解耦测量；所述的信号处理电路采用集成电路板，对三组测量电桥输出的模拟信号进行放大、滤波处理从而获得标准的1～5V或者4～20mA工业信号，并进一步转换为可被记录的数字信号。2.根据权利要求1所述的一种应变式三维力传感器，其特征在于：所述的受力端(1)根据被测三维力的实际情况设计成针状、平面状或凹槽状形状，并且受力端(1)和弹性敏感元件(2)为一体化零件。3.根据权利要求1所述的一种应变式三维力传感器，其特征在于：所述的电阻应变片(4)采用箔式金属电阻应变片或者由半导体材料的体电阻制作成的粘贴式半导体应变片，电阻应变片(4)中主要部分为敏感电阻(3)。4.根据权利要求1所述的一种应变式三维力传感器，其特征在于：所述的固定端(7)根据实际安装需要设计成不同形状，在固定端(7)上带有固定传感器的螺纹孔(6)。5.根据权利要求1所述的一种应变式三维力传感器，其特征在于：所述的固定端(7)、弹性敏感元件(2)和受力端(1)采用3D打印技术或铸造技术加工成一个整体。6.根据权利要求1所述的一种应变式三维力传感器，其特征在于：所述的弹性敏感元件(2)表面粘贴有12片具有相同电阻值的电阻应变片R1～R12，其中R1～R8一共4对电阻应变片粘贴在两个八角环结构靠近传感器固定端(7)的4个45°外表面上，应变片栅丝走向沿所在表面的长度方向，每一对电阻应变片的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵友，赵玉龙，李村，梁松博，秦亚飞，李波，韩超，马鑫，王磊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61