一种Y型二维力传感器的制作方法

本实用新型传感器技术领域，特别涉及一种y型二维力传感器。

背景技术：

二维力传感器能够测量一个力在二维方向上力的分量，在机器人、自动控制、虚拟现实技术、体育、医疗、飞行器姿态控制等领域中有广泛的用途。例如在机器人技术应用中，力觉感知是机器人感知的重要研究内容。为了准确获取机器人与环境交互过程中的力觉矢量信息，通常需要机器人力觉传感器同时测量多个维度的力或力矩信息，特别是机器人在抓取物件时，一方面需要保证物件不因抓取力度过大而破碎，另一方面又需要确保抓取过程中产生一定的静摩擦力，使得物件不发生掉落。因此，机器人对压力与摩擦力的感知精度，将会直接影响到这个机器人控制的准确性。在体育运动中，通过测量体操运动员作用与跳板、跳马上的垂直力与水平推力的大小，可用于研究提高运动员训练水平，取得优秀成绩。在不同工作原理的测力传感器中，电阻应变式传感器以其优越的性能价格比和抗干扰能力在不同领域得到广泛应用。电阻应变式传感器的主要实现方法是：由某种对力敏感的弹性结构将力的作用转换成结构的变形，在变形处张贴应变片，应变片与力敏感元件一起发生弹性变形，同时应变片的变形与其电阻对应，这就实现了机械量与电量的转换。目前常见的多维力传感器有十字梁型、筒型、并联结构型等。这些传感器的缺点有：

1)应变片数量多，多为力传感器体积大、安装不便，难以便利化、小型化；

2)制造要求高，推广使用有限；

3)测量量程不具有可调节特性。

技术实现要素：

本实用新型目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种结构简单，制造方便，适合推广使用的y型二维力传感器。

本实用新型的目的是这样实现的：一种y型二维力传感器，包括有应变梁受力杆，应变梁受力杆两侧对称设置有第一应变梁和第二应变梁，所述第一应变梁包括有第一水平基座和第一倾斜梁，所述第二应变梁包括有第二水平基座和第二倾斜梁，所述第一水平基座和第二水平基座上均设置有固定孔，所述第一倾斜梁与第一水平基座延长线之间的夹角和所述第二倾斜梁与第二水平基座延长线之间的夹角分别为第一倾斜梁和第二倾斜梁的倾斜角，所述第一倾斜梁和所述第二倾斜梁上表面和下表面均对称设置有多个应变片。

优选的，应变梁受力杆与第一应变梁和第二应变梁为一个整体结构。

优选的，第一应变梁和第二应变梁的大小结构相同。

优选的，第一倾斜梁和第二倾斜梁的倾斜角为0°-90°。

优选的，第一倾斜梁和第二倾斜梁的倾斜角为60°。

优选的，第一倾斜梁和第二倾斜梁的上表面和下表面均设置有两个应变片。

优选的，应变片的电阻相同。

优选的，第一倾斜梁上表面的应变片和第二倾斜梁上表面的应变片构成惠斯顿全桥电路。

优选的，第一倾斜梁下表面的应变片和第二倾斜梁下表面的应变片构成惠斯顿全桥电路。

本实用新型采用单个应变梁受力杆结构测量二维力，结构小巧、便于安装，易于实现便利化和小型化，制作要求较低，便于大面积的推广使用。传感器的量程与灵敏度可根据其特有的y型结构，对倾斜角度进行调整，能够适用于不同的应用场景。

附图说明

图1为本实用新型y型二维力传感器的整体结构示意图；

图2为本实用新型的y型二维力传感器正视图；

图3为本实用新型的第一倾斜梁上表面的应变片和第二倾斜梁上表面的应变片构成的惠斯顿全桥电路；

图4为本实用新型的第一倾斜梁下表面的应变片和第二倾斜梁下表面的应变片构成的惠斯顿全桥电路；

图5为本实用新型的y型二维力传感器垂直方向受力分析图；

图6为本实用新型的y型二维力传感器水平方向受力分析图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1和图2所示，一种y型二维力传感器，包括有应变梁受力杆3，应变梁受力杆两侧对称设置有第一应变梁1和第二应变梁2，第一应变梁1包括有第一水平基座1-1和第一倾斜梁1-2，第二应变梁2包括有第二水平基座2-1和第二倾斜梁2-2，第一水平基座1-1和第二水平基座2-1上均设置有固定孔5，固定孔便于对第一水平基座1-1和第二水平基座2-1进行固定。所述第一倾斜梁1-2与第一水平基座1-1延长线之间的夹角和所述第二倾斜梁2-2与第二水平基座2-1延长线之间的夹角分别为第一倾斜梁1-1和第二倾斜梁2-2的倾斜角，第一倾斜梁1-2和第二倾斜梁2-2上表面和下表面均对称设置有多个应变片4。

优选的，应变梁受力杆3与第一应变梁1和第二应变梁2为一个整体结构，可以通过铸造直接获得，加工简单快捷。

优选的，第一应变梁1和第二应变梁2的大小结构相同。

优选的，第一倾斜梁和所述第二倾斜梁的倾斜角为0°-90°。可以是30°、45°、60°等角度

优选的，第一倾斜梁和所述第二倾斜梁的倾斜角为60°。倾斜角优选60°能够同时保证y型二维力传感器具有较好的量程和灵敏度。

如图2所示，优选的，第一倾斜梁1-1和第二倾斜梁2-1的上表面和下表面均设置有两个应变片。第一倾斜梁1-1和第二倾斜梁2-1的上表面依次贴有应变片4-1、应变片4-2、应变片4-3、应变片4-4，第一倾斜梁1-1和第二倾斜梁2-1的下表面依次贴有应变片4-5、应变片4-6、应变片4-7、应变片4-8，应变片4-1～4-8电阻大小相同，且对称设置于第一倾斜梁1-1和第二倾斜梁2-1梁的最大应变处。

如图3所示，第一倾斜梁1-1和第二倾斜梁2-1上表面的应变片4-1、应变片4-2、应变片4-3、应变片4-4构成惠斯顿全桥电路。

如图4所示，第一倾斜梁1-1和第二倾斜梁2-1下表面的应变片4-5、应变片4-6、应变片4-7、应变片4-8构成惠斯顿全桥电路。

当y型二维力传感器受到水平方向上的力时，图3中应变片4-1、应变片4-2、应变片4-3、应变片4-4构成的惠斯顿全桥电路输出电压发生变化，而图4中应变片4-5、应变片4-6、应变片4-7、应变片4-8构成的惠斯顿全桥电路无输出电压；当y型二维力传感器受到垂直方向上的力时，图3中应变片4-1、应变片4-2、应变片4-3、应变片4-4构成的惠斯顿全桥电路输出无电压变化，而图4中应变片4-5、应变片4-6、应变片4-7、应变片4-8构成的惠斯顿全桥电路输出电压发生变化。因此，当y型二维力传感器受到水平或者垂直方向上的力时，能够同时并且独立地测量应变梁受力杆的应力情况。

y型二维力传感器量程变化理论推导如下：

如图5所示，当y型二维力传感器受到z轴方向上的力fz时：

第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1上任意一点的应力变化可以表示为：

其中w为第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1的抗弯模量；m(x)为第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1上任意一点的转矩；x表示第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1上任意一点距离b点的距离。

距离b点任意一点的转矩可以表示为：

其中l为第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1的长度；θ表示第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1的倾斜角。

第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1的抗弯模量w可以表示为：

其中b表示第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1的宽度；t表示第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1的厚度。

因此，第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1上距离b点任意一点应力则可以表示为：

如图2和图6所示，当y型二维力传感器受到x轴水平方向上的力fx时：

第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1上距离b点任意一点应力可以表示为：

其中a为y型二维力传感器应变梁受力杆的宽度，h为y型二维力传感器应变梁受力杆的高度。

第一倾斜梁1-1和第二倾斜梁2-1的倾斜角为θ。通过调整第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1的倾斜角的大小可以改变y型二维力传感器在双轴方向上的测量量程与测量灵敏度，以适应不同的应用场景。当夹角范围在0°～90°的区间，并且在材料的屈服强度之内，第一倾斜梁1-1或第二倾斜梁2-1上的最大应力会随着倾斜角角度的增大而减小，以此来扩大y型二维力传感器的测量量程。当增大倾斜角的角度时，可以同时扩大y型二维力传感器在z轴、x轴方向上的测力量程：当减小倾斜角的角度时，可以增大y型二维力传感器在z轴、x轴方向上的测力灵敏度。从而能够实现一种构造简单、能够简易地进行组装且容易小型化的y型二维力传感器。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。