[发明专利]一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法

说明书

本发明公开一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法，包括：测力机构、信号激励电路和信号调理电路；测力机构包括球形外壳、在球形外壳内表面的三维正交方向上连接的传力元件以及与传力元件连接的压磁元件；压磁元件通过传力元件接收施加在球形外壳上的外力；压磁元件接收外力后，由信号激励电路传输激励信号至压磁元件，以使压磁元件将外力转换为非零的感应电压，并将感应电压传输至信号调理电路；信号调理电路对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成后，得到外力值和每个方向的分力值。可精确检测各个方向的载荷力，同时测量在同等受力变形的基础上增加磁场的偏置程度，从而满足实际应用中复杂的工况。

技术领域

本发明涉及力测量技术领域，特别是涉及一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

力传感器广泛应用于工程机械、航空航天、建筑工业、自动化等领域，其种类繁多，如电阻应变片式、半导体应变片、压阻式、压电式等。其中，压磁式力传感器相对于应变片式力传感器具有承载能力强、输出功率大、抗干扰能力好，并且能够在恶劣环境工况下保持较好工作状态的优点。

压磁式传感器是一种力与电转换传感器，基本原理是利用铁磁材料的压磁效应，铁磁材料在外力的作用下，会引起内部变形产生应力，材料磁导率的变化使传感器的输出电压产生相应变化。

而发明人发现，现有压磁传感器在测量外力时存在以下缺陷：

(1)现有的压磁传感器在工作时，励磁磁芯只能检测两个维度的受力情况，不能完全反映出实际外力的大小；

(2)在测量外力值时，现有的压磁传感器会受工作环境的影响，导致激励电压忽大忽小而造成测量误差；

(3)由于测量工况不同或施加外力大小不同等因素，导致引起的磁导率变化不同，从而输出的感应电压也不同，若采用统一的检测量程，对于较小的感应电压必然无法得到准确的数值；

(4)由于传感器结构和不同方向磁场之间相互影响等原因，使得压磁传感器在实际工作中，每一维度的压磁元件测量力的分量时，其输出信号会受到其他维度的影响，那么该维度所测量的数值并非全是外力在该维度的分量，存在多个维度之间耦合误差的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法，通过改变传感器内部结构以实现压磁传感器的三维测力，可精确检测各个方向的载荷力，同时测量在同等受力变形的基础上增加磁场的偏置程度，从而满足实际应用中复杂的工况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种球形三维测力压磁式传感器，包括：测力机构、信号激励电路和信号调理电路；所述测力机构包括球形外壳、在球形外壳内表面的三维正交方向上连接的传力元件以及与传力元件连接的压磁元件；

所述压磁元件通过传力元件接收施加在球形外壳上的外力；

所述压磁元件接收外力后，由信号激励电路传输激励信号至压磁元件，以使压磁元件将外力转换为非零的感应电压，并将感应电压传输至信号调理电路；

所述信号调理电路对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成后，得到外力值和每个方向的分力值。

第二方面，本发明提供一种球形三维测力压磁式传感器的三维力测量方法，包括：

对测力机构施加外力后，对外力进行正交分解为多个方向的分力，测力机构接收分力并接收由信号激励电路传输的激励信号，以使外力转换为非零的感应电压，并将感应电压传输至信号调理电路；

所述信号调理电路对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成后，得到外力值和每个方向的分力值。