一种具有自解耦功能的应变式多维力传感器的制作方法

本发明涉及一种具有自解耦功能的应变式多维力传感器，属于负荷传感器领域。

背景技术：

传感器是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。多分量力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力和力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多分量最完整的形式是六分量力传感器。多分量尤其是六分量力传感器目前广泛应用于航空、航天及装甲车等制造和测试领域。

六分量力传感器主要分为电阻应变式、压电式、电容式六分量力传感器。其中电阻应变式六分量力传感器的优点是技术成熟、精度高、非线性及滞后误差小，蠕变小，适合静态和准静态测量。电阻应变式传感器的构造是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其他方法安装电阻应变敏感元件。当力学量作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变敏感元件的阻值随之发生变化，接着由变换电路将阻值变化变成电压变化输出，根据电压变化量即可得知力学量的大小。

在多分量力传感器的研究中，弹性元件的结构设计是力传感器的核心问题，因为弹性元件的结构决定力传感器的性能优劣。目前，最常采用的多分量力传感器结构有八正交梁结构的六分量力传感器、筒形六分量力传感器、盒式结构六分量力传感器和基于斯特沃特(STEWART)平台结构的六分量力传感器等。其中，最常用到的为筒形六分量传感器，该传感器具有良好的线性、重复性和较好的滞后性，并且对温度有补偿性，但其不具备自解耦功能，各分量间耦合大，且由于刚度较高、使用连接不便导致其不适合做小量程的传感器。通过对上述几种六分量力传感器的结构进行分析，结合航空发动机实际工作状态，本发明设计的多维力传感器采用整体加工的四柱式结构，具有外形结构简单，加工容易，刚度大、线性、重复性和滞后误差小，蠕变小、适合静态和准静态测量。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术自解耦性能差以及不适合小量程测量的问题，提供一种具有自解耦功能的应变式多维力传感器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种具有自解耦功能的应变式多维力传感器，包括一体加工成型的四柱式结构、应变片和补偿片；

补偿片包括：温度补偿片、非线性补偿片和零点补偿片；

四柱式结构为上下两圆盘中间放置四个柱体的结构，且四个柱体两两相互对称；应变片和补偿片贴于柱体上；

将制作好的装置密封于套筒中，再将套筒中的空气用惰性气体置换，保证胶层不会吸湿受潮，避免影响装置的长期稳定性；

贴片胶层的厚度为2～4μm，该厚度既可以保证应变传递效率，也能保证应变片粘贴的牢固性；

该多分量力传感器由柱式弹性体、电阻应变片、屏蔽导线构成，为保证其具有最佳技术性能和长期稳定性，本设计采用整体四柱式结构，在结构上具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力；四个方柱均匀分布在一个平面上，加工公差严格控制，贴片位置保持均匀对称，通过组桥信号分离技术，使得各分量之间具有良好的自解耦能力；考虑到各分力之间的相互干扰对六分量力传感器性能指标的影响，采用实验的方法先对传感器进行标定，然后再在实际检测中利用标定结果调整组桥方案，消除传感器相互间的干扰，如此既可降低对传感器制造工艺要求，又能获得精确的测量结果。

有益效果

由于本发明采用四柱式对称结构，配合组桥信号分离技术，使得传感器本身具有良好的自解耦性能，可以实现同时对航空发动机推力矢量即三个力值分量(推力、升力、和侧向力)和三个力矩(滚动力矩、俯仰力矩和偏航力矩)进行测量，为矢量推力发动机试车实验提供更加可靠全面的技术数据支持，使发动机的推力测量方法更为可靠，测量数据更为准确；

同时，由于本发明采用整体加工的四柱式结构，在结构上具有一定的抗偏心载荷和侧向载荷的能力，具有优良的刚度和线性，因此不仅适合大量程测量，小量程测量时依然具有优越的性能；

此外，由于应用了氩弧焊接密封，内部充氮等技术，使传感器与外界空气彻底隔离，具有了优良的长期稳定性。

综上，本发明具有良好的自解耦性能，加工容易，刚度大、线性、重复性和滞后误差小，蠕变小、适合静态和准静态测量。

附图说明

图1为实施例1的多维力传感器机构示意图及贴片简图；

图2为实施例1的多维力传感器机构透视图。

其中，1—四柱式结构、2—应变片、3—补偿片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种具有自解耦功能的应变式多维力传感器，包括一体加工成型的四柱式结构1、64片应变片2和补偿片3；

补偿片3包括：温度补偿片、非线性补偿片和零点补偿片；

四柱式结构1为上下两圆盘中间放置四个柱体的结构，且四个柱体两两相互对称；应变片2和补偿片3贴于柱体上；

将制作好的装置密封于套筒中，再将套筒中的空气用惰性气体置换，保证胶层不会吸湿受潮，避免影响装置的长期稳定性；

贴片胶层的厚度为3μm；

工作过程：实现了一种具有自解耦功能的应变式多维力传感器，在四根弹性元件上对称布置64个应变片，每根弹性元件单独形成一个传感器，组成6个恒压电桥电路，将电阻应变敏感元件的电阻变化转换成电压变化信号，从而得出三个力值分量和三个力矩分量，最后通过显示仪表将测量结果显示出来。

本实施例中的弹性体结构及贴片简图如图1所示，图中四根杆是弹性元件，固定在上、下圆盘上。传感器在每根横梁的四面皆对称布置16个应变片，共有64个应变片，组成6个电桥，共有6路输出信号。

在四杆下端距离为a处的y向两面上粘贴两个沿着轴向、两个垂直轴向的应变片。每根杆上的应变片接成一个电桥，将四个电桥并联，若四个应变片的灵敏系数都相同，可得出并联后输出电压与P_y力的关系式，即可得到P_y力的具体量值。

在四杆下端距离为a处的z法向两面上粘贴两个沿着轴向、两个垂直轴向的应变片。每根杆上的应变片接成一个电桥，将四个电桥并联，可得出并联后输出电压与P_z力的关系式，即可得到P_z力的具体量值。

在四杆下端距离为a处的杆与轴心半径相垂直的两面上粘贴两个沿着轴向、两个垂直轴向的应变片。每根杆上的应变片接成一个电桥，将四个电桥并联，可得出并联后输出电压与M_x力矩的关系式，即可得到M_x力矩的具体量值。

在四杆中间沿着z方向两面中线处分别粘贴沿着轴向，和垂直轴向的应变片，各根杆上的应变片分别组成电桥，通过各个电桥的输出电压，可得到沿各杆轴向的作用力，将四根杆上的作用力相加，即可求得作用在传感器上的P_x力。

在M_y力矩作用下，②杆拉伸、④杆压缩。在①、③两杆上的应变片是粘贴在弯曲中性层处的，M_y弯曲不产生应变，只要将②杆上四个电阻应变片组成的电桥与④杆上四个电阻应变片输出相减，即可求得作用在传感器上的M_y力矩。

在M_z力矩作用下，④杆拉伸、①杆压缩。在②、④两杆上的应变片是粘贴在弯曲中性层处的，M_z弯曲不产生应变,只要将③杆上电桥的输出与④杆上电桥的输出相减，即可求得作用在传感器上的M_z力矩。

采用20t叠加机测试与5000Nm的扭矩标准机以及标准杠杆砝码对实施例(型号规格:FC-20t-5t-5t-1000Nm-1000Nm-1000Nm以及FC-1t-200kg-200kg-50Nm-50Nm-50Nm)进行标定，计算交叉影响量。大量程测试详细数据见附表2.1～附表2.7，小量程测试详细数据见附表2.1～附表2.7。

从表中可以看出，数据的交叉影量基本控制在1％以内，个别数据在1％～2％之间，该数据充分说明本发明设计的多分量力传感器具有优越的自解耦性。可靠性高，准确性高，简化数据处理时间。

对比例

采用德国GTM Serie MKA型号传感器进行标定实验，量程范围为200kN-1t-1t-1000Nm-1000Nm-1000Nm详细数据见附表3.1～3.7，从表中数据可知，本发明设计的多维力传感器的性能技术指标(尤其是交叉影响量)远优于GTM传感器。

结论

对比数据可知，本发明中设计的应变式多维力传感器具有良好的自解耦功能，不仅适合在大量程测量时使用，在小量程测量领域也具有优越的性能，有效满足我国力学量值传递、航空航天测试、工业生产控制等领域对于高端应变式力传感器的需求，实现力值的高准确度、高稳定性测量和量值传递。

附表1.1

型号规格：FC-20t-5t-5t-1000Nm-1000Nm-1000Nm

附表1.2

附表1.3

附表1.4

附表1.5

附表1.6

附表1.7

附表2.1

型号规格：FC-1t-200kg-200kg-50Nm-50Nm-50Nm

附表2.2

附表2.3

附表2.4

附表2.5

附表2.6

附表2.7

附表3.1

型号规格：GTM Serie MKA 200kN-10kN-10kN-1000Nm-1000Nm-1000Nm

附表3.2

附表3.3

附表3.4

附表3.5

附表3.6

附表3.7