一种应变式三维力传感器的制作方法

本发明属于多维力测量技术领域，具体涉及一种应变式三维力传感器。

背景技术：

三维力的测量涉及到医疗、化工、食品、制造等所有需要使用机械设备的领域。通过测量机械设备运行过程中的实际受力情况可以监测和判断设备运行状态、反馈和优化运行参数，这对于保证设备运行稳定性、提高生产安全性和控制产品质量具有重要作用。

三维力测量的重点和难点在于三维力的维间耦合。所谓维间耦合是指多维力传感器在测量x、y和z方向三个互相垂直的分力过程中，任何一个方向的测量结果不仅在该方向分力作用下产生输出信号，而且在另外两个方向分力的作用下也会产生不应该有的输出的现象。维间耦合是影响测量精度的重要因素，为了减小或消除维间耦合，目前多维力传感器通常采用复杂的结构设计或者通过对传感器输出信号进行解耦计算来降低耦合误差，提高测量精度。

为了满足三维力测量在不同生产领域的应用需求，迫切需要一种结构简单、性能可靠、便于加工和使用，并能够实现维间解耦的三维力传感器。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应变式三维力传感器，可以适用于不同领域、不同场合、不同对象等多种三维力测量，具有结构简单、适用性强、测量精度高的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种应变式三维力传感器，包括弹性敏感元件2，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，惠斯通测量电桥的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，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，对三组测量电桥电路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。

所述的受力端1根据被测三维力的实际情况设计成针状、平面状或凹槽状形状，并且受力端1和弹性敏感元件2为一体化零件。

所述的电阻应变片4采用箔式金属电阻应变片或者由半导体材料的体电阻制作成的粘贴式半导体应变片，电阻应变片4中主要部分为敏感电阻3。

所述的固定端7根据实际安装需要设计成不同形状，在固定端7上带有固定传感器的螺纹孔6。

所述的固定端7、弹性敏感元件2和受力端1采用3d打印技术或铸造技术加工成一个整体。

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ux、uy、uz。

一种交叉干扰误差补偿方法，三维力fx、fy和fz与传感器测量电路的输出信号ux、uy和uz之间为线性关系，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ux、uy和uz受到三维力fx、fy和fz的影响，并且它们之间的关系表示为：

ux＝a11fx+a12fy+a13fz+b1(1)

uy＝a21fx+a22fy+a23fz+b2(2)

uz＝a31fx+a32fy+a33fz+b3(3)

公式(1)-(3)中a11，a12，…，a33以及b1，b2和b3均为该补偿方法的常系数，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fx、fy和fz与传感器测量电路的输出信号ux、uy和uz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。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过采用双正交正八角环结构弹性敏感元件和电补偿法，具有出色的三维解耦能力；在三维解耦的基础上引入交叉干扰误差补偿算法，进一步降低由于传感器加工误差和应变片定位误差引起的交叉干扰，提高精度。

2、本发明结构简洁灵活，便于加工和安装，可移植性强，适用范围广。通过改变受力端、固定端的结构以及传感器尺寸大小，可以满足不同场合和领域的安装使用要求。

3、本发明中所述的传感器固定端、弹性敏感元件和传感器受力端采用3d打印技术或铸造技术加工成一个整体，避免多零件组装存在的装配应力、连接间隙、配合误差、接触摩擦等缺陷，使传感器具有刚度高、重复性好、线性度高、稳定性强的优点。

附图说明

图1是本发明不同设计方案的结构示意图；其中图1(a)是受力端1为针状、末端为带螺纹孔6的板状固定端7；图1(b)是受力端1为平面状、末端为带螺纹孔6的板状固定端7；图1(c)是受力端1为带凹槽的平面状、末端为带螺纹孔6的长条状固定端7；图1(d)为连接受力端1和固定端7的双正交正八角环结构2。

图2是本发明以图1(a)为实施例的结构示意图，其中图2(a)是三维力传感器的结构和尺寸要素示意图，图2(b)是双正交正八角环结构中正八角环结构及尺寸要素示意图。

图3是本发明双正交正八角环弹性敏感元件表面电阻应变片的粘贴方案及位置示意图，图中y方向表示垂直于纸面向外的方向。

图4是本发明的惠斯通测量电桥组合方案示意图。

图5是本发明的工作原理示意图。

图6是本发明弹性敏感元件表面应力分布规律示意图，其中图6(a)-图6(d)表示弹性敏感元件中处于xoz平面内的正八角环结构在分别受到x、y和z方向作用力情况下的表面应力分布规律，图6(e)-图6(h)表示弹性敏感元件中处于yoz平面内的正八角环结构在分别受到x、y和z方向作用力情况下的表面应力分布规律。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，一种应变式三维力传感器，包括弹性敏感元件2，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，根据应用场合、领域和对象的不同，设计成如图1(a)、(b)和(c)等多种具有不同固定端7和受力端1形状的方案；其中图1(d)为连接受力端1和固定端7的双正交正八角环结构2。

参照图2，所述实施例为本发明中一种应变式三维力传感器的一种实现形式，对应于图1(a)。该三维力传感器的前端为针状受力端1，可用于例如微型加工、显微手术等过程中微小结构内三维力的测量，上述针状结构高度为h，底面半径为r；传感器中间的双正交正八角环结构2为弹性敏感元件，每个八角环结构的尺寸要素包括平均半径r，宽度b，厚度t；在弹性敏感元件的表面粘贴有电阻应变片4，电阻应变片4的核心部分为敏感电阻3，也就是应变片栅丝或体电阻；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用于粘贴电阻应变片4；传感器后端为固定端7，该部分的长度、宽度和厚度分别为l、b、h，在固定端7的四角开有螺纹孔6，通过螺钉对三维力传感器进行安装固定。

参照图3，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，如图3中c向视图，r11和r12粘贴于八角环中间平面的内表面上，如图3中d向视图，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。

参照图4，上述粘贴于三维力传感器弹性敏感元件表面的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ux、uy、uz。

参照图5，当外力作用于三维力传感器的受力端1时，传感器弹性敏感元件2表面会产生与之对应的应力，该应力被粘贴于弹性敏感元件表面的电阻应变片4所感知并转化为电阻应变片自身的电阻值变化，当测量电桥中桥臂电阻发生变化使电桥失去平衡，测量电桥就会产生与施加的外力对应的电信号，该信号经过放大和滤波后进一步转换为可被记录的数字信号。

参照图3和图6，将电阻应变片r1、r2位置处应力大小表示为σ1，r3、r4位置处应力大小表示为σ2，r5、r6位置处应力大小表示为σ3，r7、r8位置处应力大小表示为σ4，r9～r12位置处应力大小分别表示为σ5、σ6、σ7、σ8；当三维力fx、fy、fz作用于传感器的受力端1时，传感器双正交正八角环结构的弹性敏感元件2表面产生的应力满足以下规律：

1、在fx作用下，位于xoz平面和yoz平面的八角环表面产生如图6(b)和(f)所示的应力分布规律，其中xoz平面的八角环左、右半环上对称位置处应力大小相等、符号相反，同一侧半环的内外表面对应位置处应力大小相等，符号相反；yoz平面的八角环的每一个表面的应力一半为正，另一半为负，中间存在应力几乎为零的过渡带；简单总结为：①σ1＝-σ2＞0；②σ3＝σ4，其中r5和r8位置处应力符号为负，r6和r7位置处应力符号为正；③σ5＝-σ6＝-σ7＝σ8＜0。

2、在fy作用下，位于xoz平面和yoz平面的八角环表面产生如图6(c)和(g)所示的应力分布规律，其中yoz平面的八角环左、右半环上对称位置处应力大小相等、符号相反，同一侧半环的内外表面对应位置处应力大小相等，符号相反；xoz平面的八角环的每一个表面的应力一半为正，另一半为负，中间存在应力几乎为零的过渡带；简单总结为：①σ1＝σ2，其中r2和r3位置处应力符号为负，r1和r4位置处应力符号为正；②σ3＝-σ4＞0；③σ5＝σ6＝σ7＝σ8＝0。

3、在fz作用下，位于xoz平面和yoz平面的八角环表面产生如图6(d)和(h)所示的应力分布规律，八角环左、右半环上对称位置处应力大小相等、符号相同，同一侧半环的内外表面对应位置处应力大小相等，符号相反；简单总结为：①σ1＝σ2＜0；②σ3＝σ4＜0；③σ5＝σ6＝-σ7＝-σ8＞0。

将fx、fy和fz单独作用于三维力传感器受力端时导致各个应变片电阻值的变化大小定义为r1、r2和r3，各个电阻应变片的初始电阻值均为r；根据以上规律，在三维力作用下各个电阻应变片的电阻变化归纳如下表：

表1.电阻应变计阻值在三维切削力分量作用下阻值变化表

由于fx、fy和fz对传感器弹性敏感元件的作用都是线性的，因此当三维力同时作用于三维力传感器时，在传感器弹性敏感元件上产生的应力、应变可以看成是各个方向力单独作用时的线性叠加。据此，对如图4所示的三维力测量电路的解耦能力进行理论计算和验证如下：

1、fx方向测量电路

当只有fx方向力作用于传感器时，x方向测量电路输出为：

当同时对传感器施加fx、fy和fz时，x方向测量电路输出为：

由于在三维外力作用下各个应变片电阻值的变化量r1、r2和r3远远小于应变片自身电阻值，因此认为以上公式(6)和公式(7)相等，即x方向测量电路能够独立测量x方向的分力fx而不会受到其他方向力的干扰。

2、fy方向测量电路

当只有fy方向力作用于传感器时，y方向测量电路输出为：

当同时对传感器施加fx、fy和fz时，y方向测量电路输出为：

同理，由于在三维外力作用下各个应变片电阻值的变化量r1、r2和r3远远小于应变片自身电阻值，因此认为以上公式(8)和公式(9)相等，即y方向测量电路能够独立测量y方向的分力fy而不会受到其他方向力的干扰。

3、fz方向测量电路

当只有fz方向力作用于传感器时，z方向测量电路输出为：

当同时对传感器施加fx、fy和fz时，z方向测量电路输出为：

公式(10)和公式(11)完全相等，即z方向测量电路能够独立测量z方向的分力fz而不会受到其他方向力的干扰。

考虑到电阻应变片4在制造过程中难免存在电阻值差异，传感器结构在加工中也存在一定行位误差，电阻应变片在粘贴过程中也存在定位误差等因素，为了进一步提高三维力测量的精度，本发明提出了一种交叉干扰误差补偿方法。由于本发明所述三维力传感器是一种线性传感器，认为三维力fx、fy和fz与传感器测量电路的输出信号ux、uy和uz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ux、uy和uz受到三维力fx、fy和fz的影响，并且它们之间的关系表示为：

ux＝a11fx+a12fy+a13fz+b1(1)

uy＝a21fx+a22fy+a23fz+b2(2)

uz＝a31fx+a32fy+a33fz+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fx、fy和fz与传感器测量电路的输出信号ux、uy和uz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。

由以上理论分析可知本申请的一种应变式三维力传感器具有结构简单、便于加工和适用范围广的特点，并能够实现维间解耦、满足三维力的独立测量。

本发明中传感器结构加工的尺寸精度和形位精度，应变片的定位精度、粘贴方向误差以及组合方式对传感器的测量精度和解耦性能至关重要。固定端7、弹性敏感元件2和受力端1采用3d打印技术或铸造技术等合理的技术手段加工成一个整体，避免由于多零件组装存在的装配应力、连接间隙、配合误差、接触摩擦等缺陷对传感器的总体刚度、测量精度、解耦能力、稳定性、重复性、线性度以及应力传递均匀性等造成的不利影响。由于测量电桥依据电补偿原理进行组合，电阻应变片4内部的栅丝或体敏感电阻3的排布越紧凑、应变片定位以及应变片栅丝或体电阻朝向越准确，对于保证测量电桥的解耦能力和测量精度越有利。

必须指出，上述实施例只是本发明实现三维力传感器的一种实现方式，不能据此限定本发明的保护范围，其他等同的结构、应变片和测量电路组合方法仍属于本发明的保护范围。所述的三维力传感器固定端7也可以是其他棱柱状或平面接触状等可以实现传感器的结构，所述的三维力传感器受力端1也可以设计为其他能够承受或感知外界三维力的结构；并且选择该种结构的传感器材质和应变片材质不受限。