[发明专利]一种惠斯通电桥及多维力传感器

说明书

本申请涉及一种惠斯通电桥及多维力传感器。该惠斯通电桥包括四个桥臂，每个桥臂均包括多个电阻，每个桥臂中多个电阻的数量相同，多个电阻的基准阻值相同，每个桥臂中多个电阻采用预设串并联结构，在预设串并联结构中，多个电阻的等效电阻与单个电阻的阻值相等，多个电阻用于均衡单个电阻的温度差异。本申请采用多个电阻按照预设串并联结构组成一个桥臂的方式代替单电阻的桥臂，在不改变电路原有的输出特性的基础上，用多个温度特性相同或相似的电阻去对冲、均衡掉个体的温度差异，从而减小温度变化带来的桥臂电阻阻值差异对惠斯通电桥差分输出信号的影响，解决惠斯通电桥的应变片阻值温度差异对差分输出信号的影响过大的技术问题。

技术领域

本申请涉及多维力传感器技术领域，尤其涉及一种惠斯通电桥及多维力传感器。

背景技术

多维力传感器因其特殊的精巧结构组合，加上软件算法的解耦，能够对空间内各个方向的力及力矩进行感知，其中采用应变片组成惠斯通电桥的检测方案因其精度及成本等综合优势成为多维力传感器设计的较多选择，被广泛应用在装配机器人、分拣机器人以及协作机器人上。然而，在焊接、打磨等高温工作环境下，采用多维力传感器的机器人会受高温作用而极大地影响多维力传感器的精度和性能，导致检测部分的输出信号不稳定，甚至造成机器人失灵。而惠斯通电桥的应变片阻值温度差异带来的阻值微弱的不同步会导致差分输出信号产生巨大变化是造成多维力传感器高温下精度急剧下降的根本原因。

目前，相关技术中，需要尽可能选取同型号、同批次生产的应变片，或者采用温度补偿传感器作为惠斯通电桥的桥臂(即应变片)，使得惠斯通电桥的其他桥臂温度变化时，温度补偿传感器的电阻变化量和其他桥臂的电阻变化量相等。但是应变片在生产过程，即便是同型号、同批次的应变片，其温度特性也无法保证完全一致，因为在生产过程中，生产厂商或生产技术只保证了应变片应变特性一致性需要，不能完全保证应变片温度特性一致，使得每个应变片由于温度差异特性的存在，在这种高精度高性能的需求下，即使很小的差异都会导致六维力传感器精度失灵。而使用温度补偿传感器作为惠斯通桥臂的方式，虽然能使得温度补偿传感器与同连一个输出端的另一个应变片的温度特性趋于一致，但应变特性又无法保持一致了，况且，一个温度补偿传感器无法与三个应变片的温度特性都保持一致，因此则需要设置多个温度补偿传感器，这样一来又会带来更多问题，如无法保持四个应变片的应变特性一致性了，那力传感器的精度和性能也就更加滑坡，这就违背了保证应变片温度特性一致性以提高力传感器精度和性能的初衷了。

针对惠斯通电桥的应变片阻值温度差异对差分输出信号的影响过大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请提供了一种惠斯通电桥及多维力传感器，以解决惠斯通电桥的应变片阻值温度差异对差分输出信号的影响过大的技术问题。

根据本申请实施例的一个方面，本申请提供了一种惠斯通电桥，包括四个桥臂，每个桥臂均包括多个电阻，每个桥臂中多个电阻的数量相同，多个电阻的基准阻值相同，每个桥臂中多个电阻采用预设串并联结构，在预设串并联结构中，多个电阻的等效电阻与单个电阻的阻值相等，多个电阻用于均衡单个电阻的温度差异。

可选地，多个电阻为温度差异系数服从1的正态分布的电阻。

可选地，每个桥臂的多个电阻的数量为n²个，其中，n为大于或等于2的自然数。

可选地，多个电阻采用的预设串并联结构包括：n组并联的单元，其中每组单元由n个电阻串联。

可选地，在n²为4的指数的情况下，多个电阻采用的预设串并联结构还包括：嵌套的多级单元，父单元由4个子单元两两串联后并联组成；在子单元存在下一级子单元的情况下，子单元的结构与父单元的结构相同，其中，叶子单元由4个电阻两两串联后并联组成，叶子单元为多级单元的最小单元。

可选地，每个桥臂的等效电阻与温度的依赖关系为：