本发明涉及测力传感器技术领域，具体涉及一种基于电磁感应的三维测力传感器，该传感器主要应用于需要进行三维力检测的场合，如：应用在工业领域中接触状态检测、三维力接触力测量，或者应用于医疗器械中的三维接触力与操作力检测等领域。
背景技术：
目前常用的三维力检测是采用悬臂梁粘贴应变片的方式进行检测，这种检测方法结构简单、成本较低，在测量精度要求不高、检测传感部件尺寸不受限制条件下具有较好的应用价值。但若要求检测精度高、检测传感部件尺寸受到限制的条件下，常规的贴应变片检测方法就难以实现。
技术实现要素：
为了克服目前采用贴应变片进行三维力检测方法中存在的检测精度不高，传感器尺寸较大，无法应用到尺寸受限条件下微小三维力检测的问题，本发明提供一种基于电磁感应的三维测力传感器，该传感器是基于多线圈电磁感应原理检测弹性受力部件的微小形变进行三维力检测的传感器，可以在不改变现有部件外观尺寸的条件下进行三维力的精确力的检测。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于电磁感应的三维测力传感器，该三维测力传感器包括一个弹性结构体、一个发射线圈和四个接收线圈；其中：所述弹性结构体在外力作用下能够发生位移变化，其为两端开口的圆筒状结构；所述发射线圈与四个接收线圈通过所述弹性结构体相连接；所述发射线圈能够发射电磁信号，所述接收线圈通过电磁感应接收电磁信号，当弹性结构体受力发生弹性形变时，发射线圈与接收线圈相对位置发生变化，使得接收线圈中的电磁感应信号发生变化，通过检测接收线圈的电磁感应变化即能获得作用在弹性结构体上的三维力特征(大小和方向)。
所述弹性结构体包括两端的柱状圆筒以及设于两柱状圆筒之间的弹簧(可受力变形)，当弹性结构体一端受力时，其位置相对于另一端会发生变化。
所述发射线圈与接收线圈均采用带有漆包线的铜丝绕制而成，其中：发射线圈外径与弹簧结构体内径相同，放置于弹性结构体一端的柱状圆筒内；四个接收线圈采用固定支撑装置进行固定，使四个接收线圈沿固定支撑装置中心的周向90°均匀分布，接收线圈固定后放置于弹性结构体另一端的柱状圆筒内。
所述发射线圈中接通交流电信号，用于发射电磁信号；所述发射线圈中接通的交流电信号优选为幅值3.3v的低压单频正弦波信号。
检测接收信号电磁感应变化的具体方法为：将接收线圈产生的电磁感应信号依次经过低噪放大和可变增益放大处理后，作为锁相放大电路的输入信号，以发射线圈接通的交流电信号作为参考信号，提取接收线圈产生的电磁感应信号中与参考信号同频率的信号，再进行放大处理后最终获得目标信号。本发明上述三维测力传感器整体直径小于2mm，长度小于8mm。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明所提出基于电磁感应的三维力检测方法能够实现微小尺寸下的高精度三维力检测，同时采用四接收线圈的布置方式，可以有效的降低三维检测力的耦合度，简化计算过程，提高测量精度。
附图说明
图1为电磁感应三维测力传感器结构示意图；图中：(a)传感器立体图；(b)传感器透射平面图；(c)传感器中的固定支撑装置。
图2为电磁感应三维测力传感器电路处理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明为基于电磁感应的三维测力传感器，包括一个发射线圈和四个接收线圈，通过弹性结构体将发射线圈与接收线圈相连。其基本检测原理是，发射线圈可以发射电磁信号，接收线圈通过电磁感应接收电磁信号，当弹性结构体受力时发生弹性形变，发射线圈与四个接收线圈相对位置与轴线方向发生变化，四个接收线圈中的电磁感应信号发生变化，通过检测四个接收线圈的电磁感应变化情况，即可获得弹性体受力发生弹性形变的大小和方向，再通过弹性体受力特性即可获得作用在弹簧上的三维力。
图1为本发明较优的一种三维测力传感器结构示意图。一根中间具有弹性(中间设置弹簧)、两端为柱状圆筒的弹性结构体，将发射线圈(tx线圈)固定在弹簧结构体的一端圆筒内，将四个接收线圈(rx线圈)通过图1(c)中的固定支撑装置进行固定，使四个接收线圈沿固定支撑装置中心的周向90°均匀分布，接收线圈固定好后整体置入弹簧结构体另一端圆筒内，从而形成三维测力传感器，传感器的立体图与透射平面图分别如图1(a)和图1(b)。待测外力作用在发射线圈端，导致弹性结构体中间的弹簧发生弹性形变，使得发射线圈与接收线圈间的相对位置与轴线角度发生变化，通过信号分析与标定解算即可获得待测三维力大小，当局部空间受到限制时，本发明三维测力传感器整体直径可小于2mm，长度小于8mm，完全可以应用于各种尺寸受限的特殊场合。
本发明传感器的发射线圈中需要接通交流电信号，以使接收线圈接收到发射线圈发射的电磁信号，为了便于信号检测与处理及线圈尺寸与线径限制，优选采用幅值3.3v的低压单频正弦波信号作为发射线圈接通的交流电信号。在接收线圈端，由于交流电信号采用了低压单频信号，接收信号容易受到外界干扰，本发明检测接收信号电磁感应变化的具体方法为：将接收线圈产生的电磁感应信号依次经过低噪放大和可变增益放大处理后，作为锁相放大电路的输入信号，以发射线圈接通的交流电信号作为参考信号，提取接收线圈产生的电磁感应信号中与参考信号同频率的信号，再进行放大处理后最终获得目标信号；即，采用锁相放大滤波的方式对接收端线圈信号进行处理，所有线圈均进行阻抗匹配处理，使得在工作频率处的阻抗最小，具体电路原理图如图2所示。由信号发生装置产生的方波信号，通过低通滤波器(lpf)、带通滤波器(bpf)形成正弦信号，分成两组信号，信号t1作为发射线圈的输入，信号t2作为接收信号处理中的锁相放大器参考。接收端电路由四部分相同电路组成，每一部分均从接收线圈输出信号rx(x＝1,2,3,4)开始，通过低噪放大器(lna)、可变增益放大器(vga)处理后作为锁相放大器(lia)的输入，锁相放大器根据参考信号(信号t2)对输入信号(信号t1)进行锁相放大，提取目标频率的信号，再通过低通滤波器(lpf)与低噪放大器(lna)处理后形成数据采集卡可以采集的目标信号，最终，通过数据采集卡采集的信号进行力学解算即可得到线圈三维受力大小。