[发明专利]一种应变式三维力传感器

权利要求书

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；

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U_X、U_Y、U_Z；

一种应变式三维力传感器的交叉干扰误差补偿方法，三维力F_X、F_Y和F_Z与传感器测量电路的输出信号U_X、U_Y和U_Z之间为一次函数关系，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U_X、U_Y和U_Z受到三维力F_X、F_Y和F_Z的影响，并且它们之间的关系表示为：

U_X＝a₁₁F_X+a₁₂F_Y+a₁₃F_Z+b₁ (1)

U_Y＝a₂₁F_X+a₂₂F_Y+a₂₃F_Z+b₂ (2)

U_Z＝a₃₁F_X+a₃₂F_Y+a₃₃F_Z+b₃ (3)

公式(1)-(3)中a₁₁，a₁₂，…，a₃₃以及b₁，b₂和b₃均为该补偿方法常系数，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F_X、F_Y和F_Z与传感器测量电路的输出信号U_X、U_Y和U_Z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。