一种多敏感体分区灵敏力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种新多敏感体分区灵敏力传感器，传感器包括层叠式多敏感区力敏元件、三路检测电路、信号调理电路、信息解耦系统，其中的层叠式多敏感区力敏元件包括底座、三组层叠式力感元件、应变检测元件、承载平台。每个层叠式力敏元件在X、Y、Z三个坐标方向都包括多个相互独立的应变敏感单元。在每个应变敏感单元正反两面上按特定的策略布置了应变检测元件。本发明专利技术针对现有力传感器难以满足同时具备大量程及高灵敏度的要求，通过设计力传感器的多个敏感体，各个敏感体在宽量程内自动分区灵敏，最终实现传感器在整个大量程范围中实现多灵敏度测量。

A multi-sensor area sensitive force sensor

【技术实现步骤摘要】
一种多敏感体分区灵敏力传感器
本专利技术属于软件
，尤其涉及一种多敏感体分区灵敏力传感器。
技术介绍
力传感器在机器人柔顺操控与智能作业等方面承担了重要的感知作用，其检测精度的提高有助于实现更精确有效的力觉控制。基于FBG的力传感系统有极为广阔的运用前景，可用于测量高精度、高灵敏度的力、力矩信息，并将该信息作为反馈，形成自动控制系统，实现高效操控。基于FBG的力传感系统的良好特性使得其可以运用于医疗方面、机器人控制方面、恶劣环境特殊测量方面、动态测量方面等。在医疗方面，P.Puangmali等人提出了一种精密的强度调制光纤力传感器，该传感器具有三种力分量，用于微创外科触诊手术；在机器人控制方面，Melchiorri等人提出了一种基于光电元件的小型、可靠的三分量f/m传感器，用于机器人手指等系统；在恶劣环境测量方面，Tan等人为了研制一种用于连续磁共振成像的磁共振兼容力传感器，提出了一种基于光学方法的多分量力传感器。在FBG所运用到的力传感系统的各方面，基于FBG的力传感系统均表现了极为优良的性能特性。近年来各年份典型FBG传感器的性能情况如表1所示。表1典型FBG传感器的性能介绍但现有的力传感器存在着诸多问题。首先，目前任何一个力传感器的灵敏度和分辨率都是固定的，难以满足现有应用场景对大载荷高分辨率的需求。如ATI公司的Nano17型号的传感器量程为±50(N),灵敏度为1/5(V/N),分辨率为1/80(N),而Mini45型号的传感器量程为±580(N)，灵敏度为1/58(V/N),分辨率为1/2(N)。由此可见现有的力传感器难以满足同时具备大量程及高灵敏度和分辨率的要求。此外，在实际应用过程中，由于传感器弹性体精密制作等工艺的限制，传感器存在维间耦合问题，严重影响了检测精度的提高。维间解耦方法可分为两大类，第一类是结构解耦，即通过更加优良的制造工艺和采用耦合程度低的结构来从根源消除耦合。燕山大学的单俊云等人应用螺旋理论方法设计出能够实现结构解耦的弹性体构型，取得良好的检测性能。在进行结构解耦的过程中，研究者们常常会遇到较多难以解决的工艺问题与成本问题。而软件解耦相对硬件解耦更加经济实用、可行度更高。
技术实现思路
针对小样本下可靠性评估的缺陷，本专利技术公开一种多敏感体分区灵敏力传感器，本专利技术针对现有力传感器难以满足同时具备大量程及高灵敏度的要求，通过设计力传感器的多个敏感体，各个敏感体在宽量程内自动分区灵敏，最终实现传感器在整个大量程范围中实现多灵敏度测量，且通过遗传-随机森林算法代替了原有的随机森林法，提高了解耦的精度。一种多敏感体分区灵敏力传感器，包括承载平台1，所述承载平台1的外周布设有若干组层叠式力感元件，每组层叠式力感元件包括至少两个应变敏感单元，应变敏感单元上安装有应变检测单元5；同一组且相邻的应变敏感单元之间成形有第一间隙8；随对承载平台1加载力的增加，相邻应变敏感单元逐渐相互接触形成叠加阻力。进一步的改进，所述承载平台1左右两侧均安装有第一组层叠式力感元件2；所述承载平台1前后两侧均安装有第二组层叠式力感元件2-1；所述第一组层叠式力感元件2和第二组层叠式力感元件2-1均包括若干水平向应变敏感单元；所述水平向应变敏感单元包括水平圆柱体3，水平圆柱体3连接有竖向悬臂梁4，竖向悬臂梁4侧面中部正反两侧均安装有应变检测单元5；竖向悬臂梁4底部固定在底座9上；处于同一组的水平圆柱体3相互平行且处于同一水平高度上；相邻水平向应变敏感单元的水平圆柱体3之间成形有第一间隙8。进一步的改进，所述承载平台1为倒四棱台状；所述底座9内成形有与承载平台1配合的四个斜面5-1；竖向悬臂梁4底部均固定在斜面5-1上。进一步的改进，所述斜面5-1的倾斜角度为35--45度。进一步的改进，相邻水平向应变敏感单元之间的第一间隙8的大小为10μm-800μm。进一步的改进，所述承载平台1底部连接有竖向设置的竖向圆柱体6，竖向圆柱体6底部安装有第三组层叠式力感元件；所述第三组层叠式力感元件包括与竖向圆柱体6相连的上应变敏感单元7；上应变敏感单元7外周与底座9相连；竖向圆柱体6底部成形有向下凸起的上半球体凸起部6-1；上应变敏感单元7下方安装有下应变敏感单元10，下应变敏感单元10中部凸起成形有与上半球体凸起部6-1配合的、向上凸起的下半球凸起部10-1；下应变敏感单元10外周与底座9相连，且底部与底座9形成第二间隙81；上应变敏感单元7和下应变敏感单元10底面均固定有应变检测单元5；上应变敏感单元7和下应变敏感单元10之间成形有第一间隙8。进一步的改进，所述应变检测单元5为金属箔式应变片、半导体式应变片或光纤光栅式应变计。进一步的改进，所述上半球体凸起部6-1和下半球凸起部10-1之间的距离为50μm-400μm。进一步的改进，所述应变敏感单元电连接有三路检测电路，三路检测电路电连接有信号调理电路，信号调理电路电连接有信息解耦系统；所述信号调理电路用于将获取的信号的放大、滤波、整形和限幅；信息解耦系统用于实现多维力信息维间耦合的消除和补偿。进一步的改进，所述信息解耦系统采用基于遗传算法的随机森林算法进行解耦运算。附图说明图1为本专利技术的侧面剖面结构示意图；图2为本专利技术的俯视结构示意图；图3为本专利技术的信息数据流动图；图4为本专利技术的解耦步骤流程图；图5为本专利技术测量量程内的灵敏度图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术进行更为详细的说明。实施例如图1和2所示，本专利技术除承载平台外均由金属3D打印加工而成，承载平台通过螺钉固定连接在下方的竖向圆柱体上。应变检测单元可以为金属箔式应变片、半导体式应变片、光纤光栅式应变计等应变检测单元。底座固定在多自由度机器人的末端，承载平台固定在机器人末端执行器上，三组层叠式力感元件将承载平台和底座固定连接在一起。当机器人执行作业任务时，机器人末端执行器所承受的载荷经过承载平台、三组层叠式力感元件、底座最终传递到机器人的末端执行器上。第一组和第二组层叠式力感元件各由6个应变敏感单元构成，对称分布在承载平台两侧，每侧各有三个，每两个相邻的应变敏感单元上方水平布置的圆柱体之间间隔为[10um,800um]。第三组层叠式力感元件由两个应变敏感单元构成，每个应变敏感单元为处在同一个轴线上的薄圆片，两个薄圆片在相对的圆环面中心位置有一个半球体凸起部分，处于上方的薄圆片下表面中心位置有一个半球体凸起部分，处于下方的薄圆片上表面中心位置有一个半球。两个半球体凸起部分在高度方向上形成一个尺寸大小为[50um,400um]的微小间隔。承载平台上方的倒四棱台的四个侧面分别紧靠最内侧的四个力感元件，使得与承载平台相邻的四个应变敏感单元上发生50-200微应变，倒四棱台下侧通过圆柱固定连接在传感器下方的第三组层叠式力感元件的上方薄圆片上。应变检测单元固定在三组层叠式力感元件的应变敏感单元上，每个应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多敏感体分区灵敏力传感器，包括承载平台(1)，其特征在于，所述承载平台(1)的外周布设有若干组层叠式力感元件，每组层叠式力感元件包括至少两个应变敏感单元，应变敏感单元上安装有应变检测单元(5)；同一组且相邻的应变敏感单元之间成形有第一间隙(8)；随对承载平台(1)加载力的增加，相邻应变敏感单元逐渐相互接触形成叠加阻力。/n

【技术特征摘要】
1.一种多敏感体分区灵敏力传感器，包括承载平台(1)，其特征在于，所述承载平台(1)的外周布设有若干组层叠式力感元件，每组层叠式力感元件包括至少两个应变敏感单元，应变敏感单元上安装有应变检测单元(5)；同一组且相邻的应变敏感单元之间成形有第一间隙(8)；随对承载平台(1)加载力的增加，相邻应变敏感单元逐渐相互接触形成叠加阻力。


2.如权利要求1所述的多敏感体分区灵敏力传感器，其特征在于，所述承载平台(1)左右两侧均安装有第一组层叠式力感元件(2)；所述承载平台(1)前后两侧均安装有第二组层叠式力感元件(2-1)；所述第一组层叠式力感元件(2)和第二组层叠式力感元件(2-1)均包括若干水平向应变敏感单元；所述水平向应变敏感单元包括水平圆柱体(3)，水平圆柱体(3)连接有竖向悬臂梁(4)，竖向悬臂梁(4)侧面中部正反两侧均安装有应变检测单元(5)；竖向悬臂梁(4)底部固定在底座(9)上；处于同一组的水平圆柱体(3)相互平行且处于同一水平高度上；相邻水平向应变敏感单元的水平圆柱体(3)之间成形有第一间隙(8)。


3.如权利要求2所述的多敏感体分区灵敏力传感器，其特征在于，所述承载平台(1)为倒四棱台状；所述底座(9)内成形有与承载平台(1)配合的四个斜面(5-1)；竖向悬臂梁(4)底部均固定在斜面(5-1)上。


4.如权利要求3所述的多敏感体分区灵敏力传感器，其特征在于，所述斜面(5-1)的倾斜角度为35--45度。


5.如权利要求2所述的多敏感体分区灵敏力传感器，其特征在于，相邻水平向应变敏感单元之间的第一间隙(8)的大小为10μm-800μm。


6.如权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁桥康，邹坤霖，伍万能，龙建勇，孙炜，张振军，王耀南，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43