[发明专利]一种三维力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种多维力传感器，具体来说，涉及一种三维力传感器。背景技术 

多维力传感器能够测量三维空间中多个力的分量，在机器人、自动控制、虚拟现实技术等诸多领域中有广泛的用途。目前，关于多维力传感器已经进行了大量的研究，形成了多种专利技术，但传感器作为一种机械量——电量转换器件，它的实现方法主要是：由某种对力敏感的弹性结构将力的作用转换成结构的变形，在变形处粘贴应变片，应变片与会敏感元件一起发生弹性变形，同时应变片的变形与其电阻对应，这就实现了机械量——电量的转换。可见，能敏感机械量的敏感结构决定了多维力传感器的基本形式，目前主要有以下三大类；（1）基于十字梁结构的多维力传感器，其典型结构如公告号为CN1425903A的中国专利文件公开的传感器，这种传感器用整体制造的十字形应变梁作敏感结构，将空间力转换成十字梁的变形；在应变梁上粘贴应变片用以测量十字梁的变形，同时就可以测量出不同方向的力。根据需要，粘贴不同数量的应变片还可以设计成2～6维不同形式的多维力传感器。（2）基于筒形结构的多维力传感器，典型结构如公告号为CN201561825.U的中国专利文件公开的传感器，这种传感器的特点是在一个圆筒上不同位置沿圆周方向及轴向方向开槽，以增加圆筒的弹性，从而形成可以将力转换成变形的弹性敏感结构，粘贴应变片就可以测量多维力；（3）各种基于并联机构的多维力传感器，典形结构如公告号为CN101329208A的中国专利文件公开的传感器，它是一种基于Stewart并联机构的多维力传感器。这些传感器的共同缺点是制造都很困难，不宜推广应用。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种三维力传感器，该三维力传感器结构简单，制造方便，适合大范围推广应用。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 

一种三维力传感器，该三维力传感器包括两个二维力传感器和一个横梁，其中，所述的每个二维力传感器，包括矩形截面梁，该矩形截面梁包括相对的顶面和底面，相对的第一侧面和第三侧面，相对的第二侧面和第四侧面；第一侧面和第三侧面上开有上下布置的第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔的轴线相互平行，且位于同一竖面中；在第一通孔和第二通孔之间开有第一通槽，该第一通槽连通第一通孔和第二通孔；在第一通孔的两侧分别设有一个第一应变片，该两个第一应变片分别粘贴在第二侧面和第四侧面上；在第二通孔的两侧分别设有一个第二应变片，该两个第二应变片分别粘贴在第二侧面和第四侧面上；在第二侧面和第四侧面上开有上下布置的第三通孔和第四通孔，第三通孔和第四通孔的轴线相互平行，且位于同一竖面中；第三通孔的轴线和第一通孔的轴线相互垂直，在第三通孔和第四通孔之间开有第二通槽，该第二通槽连通第三通孔和第四通孔；在第三通孔的两侧分别设有一个第三应变片，该两个第三应变片分别粘贴在第一侧面和第三侧面上；在第四通孔的两侧分别设有一个第四应变片，该两个第四应变片分别粘贴在第一侧面和第三侧面上；所述的两个二维力传感器的第一侧面的朝向相同，两个二维力传感器的第二侧面的朝向相同，并且横梁固定连接在两个二维力传感器的顶端之间。

有益效果：与现有技术相比，采用本发明的技术方案的有益效果： 

1.传感器结构简单，制造方便，适合大范围推广应用。本技术方案中的三维力传感器结构简单。本三维力传感器是在矩形截面梁上开设通孔和通槽，然后在矩形截面梁上粘贴应变片即可。在制作时，由于开孔和开槽的工艺简单，因此，这些传感器的制作也十分简便，适合大范围推广应用。

2.采集数据简单，并且测量精度高。在本技术方案中，三维力传感器可以看做是四个一维力传感器的线性叠加，每个一维力传感器由两个孔和一个槽组成。每个一维力传感器的结构和测试电路都具有模块化的特点，因此，各一维力传感器间是互相独立的，互不影响的。虽然形式上力与力偶之间共用一组传感器测量，但测量力取传感器的共模信号，力偶取传感器的差模信号，因此，也具有正交的特点，这就解决了多维力之间维间耦合问题，提高了测量精度。 

3. 传器信号处理过程简单。在本技术方案中，每个一维力传感器的输出信号都是一一对应的，并且成线性关系，因此具有直接输出型多维力传感器信号处理过程简单的优点。此外，由于每个一维力传感器可以看做一个模块，本发明所述的传感器具模块化的特点，模块的结构相似，其测量电路也相似并可独立调试，与现有的多维力传感器相比，就省去了综合标定的步骤，大大简化了传感器调试的工作量，并有利于提高测量精度。 

附图说明