專利名稱：一種多分量力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量作用力在空間沿直角坐標系三個軸向的分量力 的裝置，特別是使用電阻應變片測量薄壁簡體在作用力下發生的彈性變 形，可通過標定換算測量得到作用力大小和方向的裝置。
技術背景多分量力傳感器指的是一種能夠同時測量兩個方向以上力及力矩分 量的力傳感器，在笛卡爾坐標系中力和力矩可以各自分解為三個分量， 因此，多分量力最完整的形式是多分量力/力矩傳感器，即能夠同時測量 三個力分量和三個力矩分量的傳感器。多分量力傳感器廣泛應用于機器人手指和腿上關節的載荷測量研究；生物力學研究；力反饋控制；剎車檢測；精密裝配、切削等；行業 覆蓋了機器人、汽車制造、自動化流水線裝配、生物力學、航空航天、 輕紡工業等領域。多分量力傳感器與單軸力傳感器比較，困難在于既要保證測量方向 上有較高的靈敏度，又要避免相互之間的分量耦合干擾。目前的多分量力傳感器主要分為應變式和壓電式，應變式傳感器具 有適用范圍廣，載荷測量范圍寬的優點。壓電式傳感器體積小，靈敏度 高，但是量程范圍小，通常用于輕型結構的載荷測量。應變式多分量力 傳感器結構形式主要有十字梁結構、STEWART平臺結構和豎梁結構等，十 字梁結構各向同性差、各方向耦合程度高，需要應變片的數量較多； STEWART平臺結構中，球鉸配合中存在摩擦和結構間隙，不利于動態測量。 豎梁結構具有橫向效應好，豎向效應差的特點，結構較為復雜。 發明內容本發明的目的是提供一種結構簡單、性能穩定可靠，適用載荷范圍 寬的多分量力傳感器。本發明的技術方案是提供一種薄壁圓簡結構的多分量力傳感器， 薄壁圓簡1兩端有法蘭盤2，法蘭盤2上開有安裝孔3以便于與其它部件 裝配，薄壁圓簡l的簡壁上粘貼有電阻應變片和溫度補償應變片，Rll、 R12 、 R21、 R22 、 R31、 R32 、 R33、 R34 、 R35、 R36 、 R37、 R38 、 R41、 R42 、 R51、 R52、 R61、 R62 、 R63、 R64為電阻應變片，R。為溫度補償應變片。應變片的貼片位置和方式是將薄壁圓簡沿徑向八等分，每一 條等分線相隔45。 ，0°等分線從上到下分別粘貼應變片R41、R61和R35,R41豎貼于薄壁圓簡沖部偏上位置，R61逆時針旋轉45°斜貼于薄壁圓簡 的中部，R35橫貼于薄壁圓簡底部偏上位置；45°等分線上是R36豎貼于 薄壁圓簡底部偏上位置；90°等分線從上到下分別粘貼應變片Rll、 R51、 R62、 R12和R36, Rll豎貼于薄壁圓簡上部偏下位置，R51豎貼于薄壁圓 簡中部偏上位置，R62順時針旋轉45°斜貼于薄壁圓簡的中部，R12豎貼 于薄壁圓簡中部偏下位置，R36橫貼于薄壁圓簡底部偏上位置；135°等 分線上是R37豎貼于薄壁圓簡底部偏上位置；180°等分線從上到下分 別粘貼應變片R21、 R42、 R63， R22和R37, R21豎貼于薄壁圓簡上部偏 下位置，R42豎貼于薄壁圓簡中部偏上位置，R63逆時針旋轉45。斜貼于 薄壁圓簡的中部，R22豎貼于薄壁圓簡中部偏下位置，R37橫貼于薄壁圓 簡底部偏上位置；225°等分線上是R34豎貼于薄壁圓簡底部偏上位置； 270°等分線從上到下分別粘貼應變片R52、 R64和R38, R52豎貼于薄壁 圓簡中部偏上位置，R64順時針旋轉45°斜貼于薄壁圓簡的中部，R38 橫貼于薄壁圓簡底部偏上位置；-45°等分線上是R31豎貼于薄壁圓簡底 部偏上位置；Rll 、 R21貼于薄壁圓簡上部偏下的同一高度，R41 、R51、 R42 、 R52貼于薄壁圓筒[1]中部偏上的同一高度，R61、 R62、 R63 、 R64 貼于薄壁圓簡中部的同一高度，R12、 R22貼于薄壁圓簡中部偏下的同一 高度，R31、 R35 、 R32、 R36、 R33、 R37 、 R34、 R38貼于薄壁圓簡底部
偏上的同一高度。對電阻應變片和溫度補償應變片進行組橋，可以測量作用在法蘭盤2 端面上的矢量力在空間三個直角坐標軸方向和繞三個坐標軸的力矩分量。測量X方向力的測量橋路由應變片Rll、 R12和兩個溫度補償應變片 R。組成；測量Y方向力的測量橋路由應變片R21、 R22和兩個溫度補償應 變片R。組成；測量Z方向力的測量橋路由應變片R31、 R32 、 R33、 R34、 R35、 R36、 R37、 R38組成；測量X方向彎矩的測量橋路由應變片R41、 R42和兩個溫度補償應變片R。組成；測量Y方向彎矩的測量橋路由應變 片R51、 R52和兩個溫度補償應變片R。組成；測量Z方向扭矩的測量橋路 由應變片R61、 R62 、 R63、 R64和四個溫度補償應變片R。組成。本發明的優點是本發明具有徑向力學性能一致，縱向穩定性好的特 點。結構簡單，重量輕，慣性小，無間隙和摩擦力，測量精度高，適用 范圍廣，既能夠用于小載荷的測量，也可以用于大型結構的大載荷測量。
圖l是本發明的結構示意圖 圖2是本發明的俯視3是圖1中薄壁圓簡1沿圓周方向展開的電阻應變片布片圖 圖4是本發明測量X方向力的應變片組橋圖 圖5是本發明測量Y方向力的應變片組橋圖 圖6是本發明測量Z方向力的應變片組橋圖 圖7是本發明測量X方向彎矩的應變片組橋圖 圖8是本發明測量Y方向彎矩的應變片組橋圖 圖9是本發明測量Z方向扭矩的應變片組橋圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。參見圖1至圖3,本發明 提供一種薄壁圓簡結構的多分量力傳感器，薄壁圓簡1兩端有法蘭盤2， 法蘭盤2與薄壁圓簡1可以是一體的，也可以通過其它方式連接。法蘭 盤2上開有安裝孔3以便于與其它部件裝配，安裝孔3可以是光孔，也 可以是螺紋孔，安裝孔3至少有四個。薄壁圓簡1的簡壁上粘貼有電阻應變片和溫度補償應變片，Rll、 R12 、 R21、 R22 、 R31、 R32 、 R33、 R34 、 R35、 R36 、 R37、 R38 、 R41、 R42 、 R51、 R52、 R61、 R62 、 R63、 R64為電阻應變片，R。為溫度補償應變片。應變片的貼片位置和方式是將薄壁圓簡沿徑向八等分，每一 條等分線相隔45。 ，0°等分線從上到下分別粘貼應變片R41、R61和R35， R41豎貼于薄壁圓簡中部偏上位置，R61逆時針旋轉45°斜貼于薄壁圓簡 的中部，R35橫貼于薄壁圓簡底部偏上位置；45°等分線上是R36豎貼于 薄壁圓簡底部偏上位置；90°等分線從上到下分別粘貼應變片Rll、 R51、 R62、 R12和R36, Rll豎貼于薄壁圓簡上部偏下位置，R51豎貼于薄壁圓 簡中部偏上位置，R62順時針旋轉45。斜貼于薄壁圓簡的中部，R12豎貼 于薄壁圓簡中部偏下位置，R36橫貼于薄壁圓簡底部偏上位置；135°等 分線上是R37豎貼于薄壁圓簡底部偏上位置；180°等分線從上到下分 別粘貼應變片R21、 R42、 R63， R22和R37, R21豎貼于薄壁圓簡上部偏 下位置，R42豎貼于薄壁圓簡中部偏上位置，R63逆時針旋轉45。斜貼于 薄壁圓簡的中部，R22豎貼于薄壁圓簡中部偏下位置，R37橫貼于薄壁圓 簡底部偏上位置；225°等分線上是R34豎貼于薄壁圓簡底部偏上位置； 270°等分線從上到下分別粘貼應變片R52、 R64和R38， R52豎貼于薄壁 圓簡中部偏上位置，R64順時針旋轉45°斜貼于薄壁圓簡的中部，R38 橫貼于薄壁圓簡底部偏上位置；-45°等分線上是R31豎貼于薄壁圓簡底 部偏上位置；Rll 、 R21貼于薄壁圓簡上部偏下的同一高度，R41 、R51、 R42 、 R52貼于薄壁圓簡[l]中部偏上的同一高度，R61、 R62、 R63 、 R64 貼于薄壁圓簡中部的同一高度，R12、 R22貼于薄壁圓簡中部偏下的同一 高度，R31、 R35 、 R32、 R36、 R33、 R37 、 R34、 R38貼于薄壁圓簡底部 偏上的同一高度。電阻應變片在薄壁圓簡1上的粘貼位置可以粘貼在薄 壁圓簡1的外壁上，也可以貼在薄壁圓簡1的內壁上。按圖4至圖9對應變片進行組橋，測量X方向力的測量橋路由應變 片Rll、 R12和兩個溫度補償應變片R。組成橋臂[11]、橋臂[12]、橋臂 [13]、橋臂[14]，橋臂[11]的一端與橋臂[14]的一端連接成一個輸入端， 橋臂[12]的一端與橋臂[13]的一端連接成另 一個輸入端，橋臂[11]的另 一端與橋臂[12]的另 一端接連成一個輸出端，橋臂[13]的另 一端與橋臂 [14]的另 一端連接成另 一個輸出端；測量Y方向力的測量橋路由應變片R21、 R22和兩個溫度補償應變片 R。組成橋臂[21]、橋臂[22]、橋臂[23]、橋臂[24]，橋臂[21]的一端 與橋臂[24]的一端連接成一個輸入端，橋臂[22]的一端與橋臂[23]的一 端連接成另 一個輸入端，橋臂[21]的另 一端與橋臂[22]的另 一端接連成 一個輸出端，橋臂[23]的另 一端與橋臂[24]的另 一端連接成另 一個輸出端；測量Z方向力的測量橋路由應變片R31、 R32 、 R33、 R34、 R35、 R36、 R37、 R38組成，R31和R32串聯組成橋臂[31]、 R33和R34串聯組成橋 臂[32] 、 R35和R36串聯組成橋臂[33] 、 R37和R38串聯組成橋臂[34], 橋臂[31]的一端與橋臂[34]的一端連接成一個輸入端，橋臂[32]的一端 與橋臂[33]的一端連接成另 一個輸入端，橋臂[31]的另 一端與橋臂[32] 的另 一端接連成一個輸出端，橋臂[33]的另 一端與橋臂[34]的另 一端連接成另一個輸出端；測量X方向彎矩的測量橋路由應變片R41、 R42和兩個溫度補償應變 片R。組成橋臂[41]、橋臂[42]、橋臂[43]、橋臂[44],橋臂[41]的一 端與橋臂[44]的一端連接成一個輸入端，橋臂[42]的一端與橋臂[43]的 一端連接成另 一個輸入端，橋臂[41]的另 一端與橋臂[42]的另 一端接連 成一個輸出端，橋臂[43]的另 一端與橋臂[44]的另 一端連接成另 一個輸 出端；測量Y方向彎矩的測量橋路由應變片R51、 R52和兩個溫度補償應變 片R。組成橋臂[51]、橋臂[52]、橋臂[53]、橋臂[54],橋臂[51]的一 端與橋臂[54]的一端連接成一個輸入端，橋臂[52]的一端與橋臂[53]的 一端連接成另 一個輸入端，橋臂[51]的另 一端與橋臂[52]的另 一端接連 成一個輸出端，橋臂[53]的另 一端與橋臂[54]的另 一端連接成另 一個輸 出端；測量Z方向扭矩的測量橋路由應變片R61、 R62 、 R63、 R64和四個 溫度補償應變片R。組成，R61和R62串聯組成橋臂[61] 、 R63和R64串 聯組成橋臂[62]、兩個R。串聯組成橋臂[63]、另兩個R。串聯組成橋臂 [64]，橋臂[61]的一端與橋臂[64]的一端連接成一個輸入端，橋臂[62] 的一端與橋臂[63]的一端連接成另 一個輸入端，橋臂[61]的另 一端與橋
臂[62]的另 一端接連成一個輸出端，橋臂[63]的另 一端與橋臂[64]的另 一端連接成另一個輸出端。測量前分別對多分量力傳感器進行各測量方向上的靈敏度系數進行 標定，標定后便可以測量作用在法蘭盤端面上的矢量力沿空間三個直角 坐標軸方向的分量力和繞三坐標軸的力矩分量。
權利要求
1、一種多分量力傳感器，包括應變片[4]和由應變片[4]組成的測量橋路，其特征在于所述傳感器是薄壁圓筒[1]結構，薄壁圓筒[1]的兩端有與其它結構對接安裝的法蘭盤[2]，法蘭盤[2]上開有安裝孔[3]，在薄壁圓筒[1]壁上粘貼有電阻應變片和溫度補償應變片。
2、 根據權利要求l所述的多分量力傳感器，其特征在于所述測量 橋路由應變片[4]組成，應變片[4]包括電阻應變片R11、R12 、R21、R22 、 R31、 R32 、 R33、 R34 、 R35、 R36 、 R37、 R38 、 R41、 R42 、 R51、 R52、 R61、 R62 、 R63、 R64和十二個溫度補償應變片R。。
3、 根據權利要求1或2所述的多分量力傳感器，其特征在于所述 測量橋路[5]的組橋方式是測量X方向力的測量橋路由應變片Rll、 R12和兩個溫度補償應變片 R。組成橋臂[11]、橋臂[12]、橋臂[13]、橋臂[14],橋臂[ll]的一端 與橋臂[14]的一端連接成一個輸入端，橋臂[12]的一端與橋臂[13]的一 端連接成另 一個輸入端，橋臂[11]的另 一端與橋臂[12]的另 一端接連成 一個輸出端，橋臂[13]的另 一端與橋臂[14]的另 一端連接成另 一個輸出端；測量Y方向力的測量橋路由應變片R21、 R22和兩個溫度補償應變片 R。組成橋臂[21]、橋臂[22]、橋臂[23]、橋臂[24]，橋臂[21]的一端 與橋臂[24]的一端連接成一個輸入端，橋臂[22]的一端與橋臂[23]的一 端連接成另 一個輸入端，橋臂[21]的另 一端與橋臂[22]的另 一端接連成 一個輸出端，橋臂[23]的另 一端與橋臂[24]的另 一端連接成另 一個輸出 端5測量Z方向力的測量橋路由應變片R31、 R32 、 R33、 R34、 R35、 R36、 R37、 R38組成，R31和R32串聯組成橋臂[31]、 R33和R34串聯組成橋 臂[32] 、R35和R36串聯組成橋臂[33]、 R37和R38串聯組成橋臂[34]， 橋臂[31]的一端與橋臂[34]的一端連接成一個輸入端，橋臂[32]的一端 與橋臂[33]的一端連接成另 一個輸入端，橋臂[31]的另 一端與橋臂[32] 的另 一端接連成一個輸出端，橋臂[33]的另 一端與橋臂[34]的另 一端連 接成另一個輸出端； 測量X方向彎矩的測量橋路由應變片R41、 R42和兩個溫度補償應變 片R。組成橋臂[41]、橋臂[42]、橋臂[43]、橋臂[44]，橋臂[41]的一 端與橋臂[44]的一端連接成一個輸入端，橋臂[42]的一端與橋臂[43]的 一端連接成另 一個輸入端，橋臂[41]的另 一端與橋臂[42]的另 一端接連 成一個輸出端，橋臂[43]的另 一端與橋臂[44]的另 一端連接成另 一個輸 出端；測量Y方向彎矩的測量橋路由應變片R51、 R52和兩個溫度補償應變 片R。組成橋臂[51]、橋臂[52]、橋臂[53]、橋臂[54]，橋臂[51]的一 端與橋臂[54]的一端連接成一個輸入端，橋臂[52]的一端與橋臂[53]的 一端連接成另 一個輸入端，橋臂[51]的另 一端與橋臂[52]的另 一端接連 成一個輸出端，橋臂[53]的另 一端與橋臂[54]的另 一端連接成另 一個輸出端；測量Z方向扭矩的測量橋路由應變片R61、 R62 、 R63、 R64和四個 溫度補償應變片R。組成，R61和R62串聯組成橋臂[61]、 R63和R64串 聯組成橋臂[62]、兩個R。串聯組成橋臂[63]、另兩個R。串聯組成橋臂 [64],橋臂[61]的一端與橋臂[64]的一端連接成一個輸入端，橋臂[62] 的一端與橋臂[63]的一端連接成另 一個輸入端，橋臂[61]的另 一端與橋 臂[62]的另 一端接連成一個輸出端，橋臂[63]的另 一端與橋臂[64]的另一端連接成另一個輸出端。
4、根據權利要求3所述的多分量力傳感器，其特征在于應變片的 貼片位置和方式是將薄壁圓簡[l]沿徑向八等分，每一條等分線相隔45 度，0°等分線從上到下分別粘貼應變片R41、 R61和R35， R41豎貼于薄 壁圓簡[l]中部偏上位置，R61逆時針旋轉45°斜貼于薄壁圓簡[l]的中 部，R35橫貼于薄壁圓簡[l]底部偏上位置；45°等分線上是R36豎貼于 薄壁圓簡[l]底部偏上位置；90°等分線從上到下分別粘貼應變片Rll、 R51、 R62、 R12和R36， Rll豎貼于薄壁圓簡[1]上部偏下位置，R51豎貼 于薄壁圓筒[l]中部偏上位置，R62順時針旋轉45。斜貼于薄壁圓簡[l] 的中部，R12豎貼于薄壁圓簡[l]中部偏下位置，R36橫貼于薄壁圓簡[1] 底部偏上位置；135°等分線上是R37豎貼于薄壁圓簡[1]底部偏上位置; 180°等分線從上到下分別粘貼應變片R21、 R42、 R63， R22和R37， R21 豎貼于薄壁圓簡[l]上部偏下位置，R42豎貼于薄壁圓簡[l]中部偏上位置，R63逆時針旋轉45。斜貼于薄壁圓簡[l]的中部，R22豎貼于薄壁圓 簡[l]中部偏下位置，R37橫貼于薄壁圓簡[l]底部偏上位置；225°等分 線上是R34豎貼于薄壁圓簡[l]底部偏上位置；270°等分線從上到下分 別粘貼應變片R52、 R64和R38， R52豎貼于薄壁圓簡[1]中部偏上位置， R64順時針旋轉45°斜貼于薄壁圓簡[1]的中部，R38橫貼于薄壁圓簡[1] 底部偏上位置；-45°等分線上是R31豎貼于薄壁圓簡[l]底部偏上位置; Rll 、 R21貼于薄壁圓簡[l]上部偏下的同一高度，R41 、 R51、 R42 、 R52貼于薄壁圓簡[l]中部偏上的同一高度，R61、 R62、 R63 、 R64貼于 薄壁圓簡[l]中部的同一高度，R12、 R22貼于薄壁圓筒[l]中部偏下的同 一高度，R31、 R35 、 R32、 R36、 R33、 R37 、 R34、 R38貼于薄壁圓簡[1] 底部偏上的同一高度。
5、 根據權利要求4所述的多分量力傳感器，其特征在于電阻應變 片[4]在薄壁圓筒[l]上的粘貼位置可以粘貼在薄壁圓簡[1]內壁上。
6、 根據權利要求1所述的多分量力傳感器，其特征在于安裝孔[3] 可以是光孔，也可以是螺紋孔。
7、 根據權利要求l所述的多分量力傳感器，其特征在于薄壁圓簡 [1]與法蘭盤[2]可以是一體的。
全文摘要
本發明提供一種薄壁圓筒結構形式的應變測力裝置，特別是同時測量空間力在六個自由度方向上的分量力的傳感器，在薄壁圓筒[1]的兩端有法蘭盤[2]，法蘭盤[2]上開有安裝孔[3]，通過在薄壁圓筒[1]壁上的規定位置和規定方式粘貼電阻應變片和溫度補償應變片，并對電阻應變片進行組橋。本發明具有徑向力學性能一致，縱向穩定性好的特點。結構簡單，重量輕，慣性小，無間隙和摩擦力，測量精度高，適用范圍廣，既能夠用于小載荷的測量，也可以用于大型結構的大載荷測量。
文檔編號G01L1/20GK101210850SQ20071019853
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月13日 優先權日2006年12月29日
發明者劉續興, 翔 趙, 昆 馬 申請人:中國直升機設計研究所