专利名称：气浮式多维力传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多维力测量装置。
背景技术：
用于直接测量二维以上的力大多需要采用多维力传感器，如三维力传感器、六维力传感 器等。现有的测量多维力或力矩的传感器根据力的检测方式不同可以分为测应变或应力的 应变片式；利用压电效应的压电元件式；用位移计测量负载产生的位移的差动变压器式；电 容位移式等。但是，基于以上原理的多维力传感器由于结构设计等方面的原因不可避免地都 存在维间耦合等问题，即被测量的力不仅使传感器在力的方向上有输出，而且使传感器在与 力垂直的方向上也有输出。为了提高测量精度需要消除或减少耦合对测量结果输出的影响， 即对传感器进行解耦。耦合与传感器结构设计、加工精度、装配精度、应变片的粘贴工艺以 及标定方法等诸多因数有关，不仅解耦复杂，而且迄今无法实现完全的解藕，各种解耦方法 都只能在一定精度上减少耦合的影响。耦合现象造成的误差是现有多维力传感器精度进一步 提高的主要障碍，完全不存在耦合的多维力传感器至今未有相关报导。
实用新型内容
本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种不存在维间耦合，因而 无需复杂的解耦过程，能有效提高测量精度的气浮式多维力传感器。 本实用新型解决技术问题采用如下技术方案
本实用新型气浮式多维力传感器的结构特点是设置矩形六面体浮板，对应于所述浮板的 每一个面，分别设置喷嘴，所述各喷嘴与浮板相对应的面构成喷嘴挡板式压力传感器，以各 喷嘴喷出的压力气体使矩形六面体浮板呈全悬气浮，以所述各喷嘴承压腔的压力信号为检测 输出信号。
本实用新型气浮式多维力传感器的结构特点也在于
所述喷嘴按每两只为一组相对布置在浮板的上下两侧、左右两侧和前后两侧，各喷嘴的 轴线与作为其挡板的浮板板面垂直，相对设置的两只喷嘴处在同一轴线位置上，以处在同一
轴线位置上的两个喷嘴的气腔压力差作为差动测量的检测信号。
所述各气浮喷嘴对称布置在浮板的各拐角处，上下两侧位于四个拐角位置处各有一组， 左右两侧和前后两侧位于两边各有一组。
本实用新型气浮式多维力传感器的多维力测量方法是以所述各喷嘴的喷出的压力气体使矩形六面体浮板完全浮起，通过测量各喷嘴承压腔的压力变化，获得作用在浮板上的沿坐 标轴X、 Y、 Z方向的外力或绕坐标轴X、 Y、 Z方向的外力矩。 与己有技术相比，本实用新型的有益效果体现在
本实用新型多维力传感器及多维力测量方法在测量过程中，当浮板受到外力作用时将产 生微小的位移，从而改变相应位置处喷嘴与浮板之间的间隙大小，引起对应喷嘴承压腔的压 力变化。通过测量各喷嘴承压腔内的压力，可以计算出作用在浮板上的沿坐标轴X、 Y、 Z 方向的外力和绕坐标轴X、 Y、 Z方向的外力矩。显然，与喷嘴产生的浮力垂直方向的力不 会引起该喷嘴承压腔内压力的变化，即不存在维间耦合现象，因而无须复杂的解耦过程，不 存在耦合现象引起的误差。
图1为本实用新型测量原理示意图。 图2为本实用新型立面结构示意图。 图3为本实用新型平面结构示意图。 图4为本实用新型中喷嘴档板原理示意图。 以下通过具体实施方式
，结合附图对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
图中标号l浮板、la浮板顶面、lb浮板底面、lc浮板左面、ld浮板右面、le浮板前 侧、lf浮板后侧、2a顶面喷嘴、2b底面喷嘴、2c左侧喷嘴、2d右侧喷嘴、2e前侧喷嘴、2f 后侧喷嘴、3工作台、4喷嘴支架、5进气口、 6承压腔、7测压口。
参见图1，为实现六维力的测量，本实施例中设置矩形六面体浮板1，对应于浮板1的 每一个面，分别设置喷嘴，以各喷嘴与浮板相对应的面构成喷嘴挡板式压力传感器，并且， 作为挡板的浮板1在各喷嘴气压的作用下完全悬浮，以各喷嘴的气腔压力信号为检测输出信 号。
参见图2、图3和图4，具体实施中的相应设置为
在浮板顶面la和浮板底面lb的四角位置上，各有一只喷嘴，在浮板左面lc、浮板右面 ld、浮板前侧le和浮板后侧lf的每个面上，位于两端各有一只喷嘴，即共有四只顶面喷嘴 2a、四只底面喷嘴2b、两只左侧喷嘴2c、两只右侧喷嘴2d、两只前侧喷嘴2e和两只后侧喷 嘴2f，所有各喷嘴的轴线与对应作为其挡板的浮板1的板面相垂直。
如图2和图3所示，设置浮板相对的两个面中对应位置上的两只喷嘴处在同一轴线位置
4上，以处在同一轴线位置上的两个喷嘴的气腔压力之差作为差动测量的检测信号。 测量方式如下-
通过浮板1的中心0建立坐标系如图1所示。顶面喷嘴2a和底面喷嘴2b的作用力与Z 轴平行，其它各喷嘴的作用力在XOY平面内，且分别与X轴和Y轴平行。
设作用在浮板上的外力分解为沿各坐标轴的分力Fx、 Fy、 Fz、及绕各坐标轴的力矩 Mx、 My、 Mz;浮板每个拐角处与坐标轴平行的三个喷嘴作用于浮板上的浮力交汇于一点， 四个拐角处的交汇点分别为A、 B、 C、 D;在坐标系中，A、 B、 C、 D各点的坐标分别为A (1/2,-1/2,0)、 B (1/2,1/2,0)、 C (-1/2,-1/2,0)、 D (-1/2,1/2,0);作用在浮板上的外力引起的各喷 嘴作用在浮板上的力的变化量分别为
A点Fax (X轴方向)、Fay (Y轴方向)、Faz+ (Z轴正方向)、Faz— (Z轴负方向)； B点Fbx (X轴方向)、Fby (Y轴方向)、Fbz+ (Z轴正方向)、Fbz— (Z轴负方向)； C点Fcx (X轴方向)、Fey (Y轴方向)、Fcz+ (Z轴正方向)、Fez— (Z轴负方向)； D点Fdx (X轴方向)、Fdy (Y轴方向)、Fdz+ (Z轴正方向)、Fdz— (Z轴负方向)； 则各组喷嘴浮力之差为 Fcax=Fcx — Fax Fdbx二Fdx —Fbx Faby=Fay — Fby Fcdy=Fcy — Fdy Faz二 Faz+—Faz— Pbz= Fbz+ —Fbz— Fcz= Fcz+ — Fcz— Fdz= Fdz+ —Fdz— 于是
Fx= — (Fcax + Fdbx) (1)
Fy= — (F勿+ Fcdy) (2)
Fz= _(Faz + Fbz+Fcz+Fdz) (3)
Mx=(Faz+Fcz_Fbz—Fdz) 1/2 (4)
My= (Faz+Fbz—Fcz—Fdz) 1/2 (5)
Mz= (Fdbx—Fcax+Fcdy—F勿)1/2 (6)
具体实施中，在工作台3上设置喷嘴支架4，四只底面喷嘴2b固定设置在工作台3的 台面上，其它各喷嘴均设置在喷嘴支架4上。图4所示是由喷嘴和浮板对应的板面所构成的压力传感器。工作时，恒定压力的压縮空 气通向各个喷嘴的进气口 5，浮板l被完全浮起，在喷嘴与挡板之间形成承压腔6，通过承压 腔的测压口 7可以测量出承压腔6的气体压力。如果在浮板1上作用一个外力，将会引起各 个压力传感器的承压腔压力变化，根据每个承压腔气压变化量，即可按上式计算出作用在浮 板上的沿各坐标轴的分力Fx、 Fy、 Fz、及绕各坐标轴的力矩Mx、 My、 Mz。
权利要求1、气浮式多维力传感器，其特征是设置矩形六面体浮板(1)，对应于所述浮板(1)的每一个面，分别设置喷嘴，所述各喷嘴与浮板相对应的面构成喷嘴挡板式压力传感器，以各喷嘴喷出的压力气体使矩形六面体浮板呈全悬气浮，以所述各喷嘴承压腔的压力信号为检测输出信号。
2、 根据权利要求1所述的气浮式多维力传感器，其特征是所述喷嘴按每两只为一组相 对布置在浮板(1)的上下两侧、左右两侧和前后两侧，各喷嘴的轴线与作为其挡板的浮板 板面垂直，相对设置的两只喷嘴处在同一轴线位置上，以处在同一轴线位置上的两个喷嘴的 气腔压力差作为差动测量的检测信号。
3、 根据权利要求1所述的气浮式多维力传感器，其特征是所述各气浮喷嘴对称布置在 浮板(1)的各拐角处，上下两侧位于四个拐角位置处各有一组，左右两侧和前后两侧位于 两边各有一组。
专利摘要气浮式多维力传感器，其特征是设置矩形六面体浮板，对应于浮板的每一个面，分别设置喷嘴，各喷嘴与浮板相对应的面构成喷嘴挡板式压力传感器，以各喷嘴喷出的压力气体使矩形六面体浮板呈全悬气浮，以各喷嘴承压腔的压力信号为检测输出信号。本实用新型对于多维力的测量不存在维间耦合、无需复杂的解耦过程、能有效提高测量精度。
文档编号G01L1/02GK201163224SQ20082003137
公开日2008年12月10日 申请日期2008年1月24日 优先权日2008年1月24日
发明者仇怀利, 王会生, 峰 高, 斌 黄, 英 黄 申请人:合肥工业大学