一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器制造技术

一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，为十字横梁六维力传感器，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的阻值相同的三个电阻组成四分之一电桥；各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。该六维力传感器具有误差小，应用范围广等优点。

A six dimensional force sensor based on the quarter Wheatstone bridge

【技术实现步骤摘要】
一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器
本技术涉及六维力传感器
，特别是一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器。
技术介绍
随着机器人与物联网技术的发展以及工业4.0的实施，传感器作为感知信号的基础，其越来越得到重视与发展。六维力传感器能够感知三个轴向力(Fx，Fy，Fz)及三个轴向力矩(Mx，My，Mz)，从上世纪70年代起，机器人多维力传感器就成为国内外研究的热点问题。对它的研制与应用具有重要的理论和现实意义。多维力传感器在各个方向上都是对力敏感的，在传感器的某一维施加力会在其它方向上有输出，被称为耦合误差。六维力传感器各输出通道之间普遍存在比较复杂的耦合关系。如不对各通道输出数据进行解耦，将会在一定程度上影响传感器的测量精度。因此，消除维间耦合是提高六维力传感器测量精度的关键。目前六维力传感器一般采用输入与输出一一对应的方式，以电阻应变片式惠斯通全桥电路十字横梁六维力传感器为例，这种传感器带有浮动梁，如图8所示，而图9显示了其中一组惠斯通全桥的贴片位置，构成的惠斯通全桥电路如图10所示。当传感器中心质量块承受六维力/力矩时，其电阻变化如下：其中，R1、R2、R3、R4的原始电阻值为R，ΔRFx与ΔRMz均为正值，分别表示传感器在单独受到Fx和Mz作用的情况下应变片的阻值变化量。事实上，上面的等式严格来讲是不成立的，因为每个应变片的电阻值同时受到Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的作用。只不过由于浮动梁的存在，R1、R2、R3、R4各自受Fy、Fz、Mx、My的影响均甚小，几乎可以忽略不计。根据下式：这样，就可以根据惠斯通全桥的输出电压UFx得到其电阻变化值ΔRFx，进而由压阻效应原理，可以推知Fx的值。以上仅以一个惠斯通全桥为例进行说明，其余五个惠斯通全桥与它同理。为构建惠斯通全桥电路，现有方案的六维力传感器思路是建立在将较小的应力近似为零的基础之上，且适用范围较窄，仅限于带浮动梁结构的十字横梁六维力传感器。另外现有方案的六维力传感器对传感器的尺寸公差和对称度等形位误差也有较高的要求。
技术实现思路
本技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器。为实现上述目的，本技术采用以下技术方案：一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，所述六维力传感器为十字横梁六维力传感器，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的三个电阻组成一个四分之一电桥,各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；所述十字横梁六维力传感器各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。较佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的1/2倍小于梁长度的1倍的点。更佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的2/3倍小于梁长度的1倍的点。更佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的3/4倍小于梁长度的1倍的点。所述六维力传感器为带有或不带有浮动梁结构的六维力传感器。本技术具有如下有益效果：本技术提供了一种基于惠斯通四分之一电桥的十字横梁六维力传感器，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的三个电阻组成一个四分之一电桥,各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。与现有技术“输入输出一一对应的方式”不同，使用本技术十字横梁六维力传感器时，不需要对应力做近似处理，且对传感器的尺寸公差和对称度等形位误差的要求也相对较低，有利于减小维间耦合，能够改善六维力传感器复合加载时的解耦效果，并且适用范围广，而且不受限于是否带有浮动梁结构。本技术具有误差小，应用范围广等优点。附图说明图1a是本技术实施例的基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器示意图；图1b为每个梁上应变片与另外3个同阻值电阻构成1/4电桥的电路简图；图2是本技术实施例中各梁各面应力一览表中沿s向应力不一致的各种梁表面应力分布情况的放大版示意图；图3是本技术实施例中传感器承受Fz作用的示意图；图4是本技术实施例中传感器承受Fx作用的示意图；图5是本技术实施例中传感器承受Mz作用的示意图；图6是本技术实施例中传感器承受Mx作用的示意图；图7中的表格展示了本技术实施例中十字横梁六位力传感器同时受到Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz作用时，其各梁各面所受应力的情况；图8为现有的电阻应变片式惠斯通全桥电路十字横梁六维力传感器示意图；图9为图8所示六维力传感器的其中一组惠斯通全桥的贴片位置示意图；图10为图8所示六维力传感器的电阻应变片式构成的惠斯通全桥电路。具体实施方式以下对本技术的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本技术的范围及其应用。如图1a和图1b所示，一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，所述六维力传感器为十字横梁六维力传感器，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁1-4的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片P1-P4(图1a中仅示出4个应变片)，每个应变片(图1b中表示成电阻Rn)与另外设置的三个同阻值的电阻R组成一个四分之一电桥，各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；所述十字横梁六维力传感器各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。较佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的1/2倍小于梁长度的1倍的点。更佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的2/3倍小于梁长度的1倍的点。更佳地，所述指定坐标点为t值大于梁长度的3/4倍小于梁长度的1倍的点。所述六维力传感器为带有或不带有浮动梁结构的六维力传感器。图1a为梁上贴应变片的示意图。图1b为每个梁上应变片与梁面之外的3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，所述六维力传感器为十字横梁六维力传感器，其特征在于，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的三个电阻组成一个四分之一电桥,各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；所述十字横梁六维力传感器各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出的坐标点，所述指定坐标点为s值等于0的点。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于惠斯通四分之一电桥的六维力传感器，所述六维力传感器为十字横梁六维力传感器，其特征在于，在所述十字横梁六维力传感器的四根梁的共十六个面上或者其中指定的十二个面上分别贴相同的电阻应变片，每个应变片与另外设置的三个电阻组成一个四分之一电桥,各电阻的阻值与应变片不应变时的阻值相同；所述十字横梁六维力传感器各梁的全部16个面或者其中指定的12个面的指定坐标点的位置为梁上所贴应变片的中心点，其中，对于四根梁的16个表面，分别以传感器内壁与梁连接处中点为原点，以指向质量块的方向作为t轴正方向，沿外表面逆时针90°建立S轴，所述指定坐标点位于梁中心线上，以(t，s)代表测量输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旻，王清亮，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：新型
国别省市：广东;44