可测法向力分布及切向力的测量装置的制作方法

本实用新型属于传感器技术领域，更具体地说是能够实现法向力分布的测量以及切向力的测量的测量装置。

背景技术：

现有技术中，力传感器的种类很多，主要有压阻式、电容式、压电式等。不同的力传感器具有不同的优缺点，具有代表性的是stewart六维力传感器，可以进行六维力的测量。而对于同一平面的多个不确定的力的测量，目前主要的方法是在这个平面上黏附多个微小的压力传感器来确定多个力的分布位置和大小。压力分布测量传感器的典型代表有采用电容传感技术的Xsensor压力测量系统、采用压阻传感技术的Tekscan压力分布测量系统和采用压电电阻压力传感技术的FSA(Force Sensing Array)压力测试系统，这些传感器都需要由成千个微小压力传感器组成，每个传感器单元只能测一个法向力的大小，位置精度由各个传感器单元的面积决定，而当位置精度要求越高，微小压力传感器单元的体积必须越小，成本更高，同时，这类传感器对于切向力无法进行测量。

技术实现要素：

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可测法向力分布及切向力的测量装置，以便能测量获得作用在平板上的一个或两个法向力的大小和位置，并且，可进一步测量切向力。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型可测法向力分布及切向力的测量装置的结构特点是：由平板、四个结构相同的支撑梁和端梁构成；

所述平板为矩形板件，在所述测力单元中建立三维坐标系，是以平板的底面的中心点为坐标原点，沿平板的长度方向为X向，沿平板的宽度方向为Y向，沿平板的厚度方向为Z向，支撑梁和端梁设置在平板的底面用于对平板形成Z向支撑；四个支撑梁沿X向设置，且两两对称分布在平板的四角位置上；令四个支撑梁中任一支撑梁为第一梁，与第一梁处在对角位置的为第四梁，与第一梁相邻位置上的分别是第二梁和第三梁；在各支撑梁的首端与所述支撑梁呈“T”型连接形成双端支撑的“T”型端梁，或呈“L”型连接形成悬臂式支撑的“L”型端梁，与所述第一梁、第二梁，第三梁和第四梁一一对应设置的各端梁分别是第一端梁、第二端梁、第三端梁和第四端梁；各端梁端部呈竖向与平板固定连接，各支撑梁的末端为固定端；

在所述支撑梁及端梁上分别设置应变片，以所述应变片的检测信号为测力单元输出信号。

本实用新型可测法向力分布及切向力的测量装置的结构特点也在于：在所述各支撑梁上设置一沿Y向贯通支撑梁的双通孔，所述双通孔是在不同X向位置上的两只单孔相并列且相连通，令：两只单孔中处在支撑梁首端一侧的单孔为首端孔，处在支撑梁末端一侧的单孔为末端孔。

本实用新型可测法向力分布及切向力的测量装置的结构特点也在于：

设置在支撑梁上的应变片分处在对应于首端孔和末端孔的中心线所在位置的支撑梁的下表面和上表面，并沿X轴向设置，包括：

第一梁上，对应于首端孔在第一梁的下表面和上表面分别设置应变片R11和R12；

第一梁上，对应于末端孔在第一梁的下表面和上表面分别设置应变片R13和R14；

第二梁上，对应于首端孔在第二梁的下表面和上表面分别设置应变片R21和R22；

第二梁上，对应于末端孔在第二梁的下表面和上表面分别设置应变片R23和R24；

第三梁上，对应于首端孔在第三梁的下表面和上表面分别设置应变片R31和R32；

第三梁上，对应于末端孔在第三梁的下表面和上表面分别设置应变片R33和R34；

第四梁上，对应于首端孔在第四梁的下表面和上表面分别设置应变片R41和R42；

第四梁上，对应于末端孔在第四梁的下表面和上表面分别设置应变片R43和R44。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型能够通过测量获得作用在平板上的一个或两个法向力的大小和位置；

2、本实用新型能够多个组合实用，并且通过改变平板的长宽比例应用于各种适用的场合；

3、本实用新型能够通过测量获得作用在平板上的切向力的大小和方向，并且两个互相垂直的切向力分开测量，具有很好的解耦性能；

4、本实用新型通过在梁上设置通孔，使应变集中在应变片的检测区域，能极大地提高检测灵敏度，其结构简单，易于加工。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2a为图1所示结构中下表面的应变片位置示意图；

图2b为图1所示结构中上表面的应变片位置示意图；

图3为本实用新型另一实施方式结构示意图；

图4a为图3所示结构中下表面的应变片位置示意图；

图4b为图3所示结构中上表面的应变片位置示意图；

图5为本实用新型又一实施方式结构示意图；

图6a为图5所示结构中下表面的应变片位置示意图；

图6b为图5所示结构中上表面的应变片位置示意图；

图7为本实用新型又一实施方式结构示意图；

图8a为图7所示结构中下表面的应变片位置示意图；

图8b为图7所示结构中上表面的应变片位置示意图

图中标号：1平板，2支撑梁，3双通孔，4为“T”型端梁，5端梁通孔，6末端单孔，7为“L”型端梁，1a第一梁，2a第二梁，3a第三梁，4a第四梁，1b第一端梁,2b第二端梁，3b第三端梁，4b第四端梁。

具体实施方式

参见图1、图3、图5和图7，本实施例中可测法向力分布及切向力的测量装置是由平板1、四个结构相同的支撑梁2和端梁4构成。

平板1为矩形板件，在测力单元中建立三维坐标系，是以平板1的底面的中心点为坐标原点，沿平板1的长度方向为X向，沿平板1的宽度方向为Y向，沿平板1的厚度方向为Z向，支撑梁2和端梁4设置在平板1的底面用于对平板1形成Z向支撑；四个支撑梁2沿X向设置，且两两对称分布在平板1的四角位置上；令四个支撑梁2中任一支撑梁为第一梁1a，与第一梁1a处在对角位置的为第四梁4a，与第一梁1a相邻位置上的分别是第二梁2a和第三梁3a。

具体实施中，如图1和图3所示，在各支撑梁2的首端与支撑梁2呈“T”型连接形成双端支撑的“T”型端梁4，或是如图5和图7所示，在各支撑梁2的首端与支撑梁2呈“L”型连接形成悬臂式支撑的“L”型端梁7。与第一梁1a、第二梁2a，第三梁3a和第四梁4a一一对应设置的各端梁分别是第一端梁1b、第二端梁2b、第三端梁3b和第四端梁4b；各端梁4端部呈竖向与平板1固定连接，各支撑梁2的末端为固定端；在支撑梁2及端梁4上分别设置应变片，以应变片的检测信号为测力单元输出信号。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

如图1、图3、图5和图7所示，在各支撑梁2上设置一沿Y向贯通支撑梁2的双通孔3，双通孔3是在不同X向位置上的两只单孔相并列且相连通，令：两只单孔中处在支撑梁首端一侧的单孔为首端孔，处在支撑梁末端一侧的单孔为末端孔。

如图2a、图2b、图4a、图4b、图6a、图6b、图8a以及图8b所示，设置在支撑梁2上的应变片分处在对应于首端孔和末端孔的中心线所在位置的支撑梁的下表面和上表面，并沿X轴向设置，包括：

第一梁1a上，对应于首端孔在第一梁的下表面和上表面分别设置应变片R11和R12；

第一梁1a上，对应于末端孔在第一梁的下表面和上表面分别设置应变片R13和R14；

第二梁2a上，对应于首端孔在第二梁的下表面和上表面分别设置应变片R21和R22；

第二梁2a上，对应于末端孔在第二梁的下表面和上表面分别设置应变片R23和R24；

第三梁3a上，对应于首端孔在第三梁的下表面和上表面分别设置应变片R31和R32；

第三梁3a上，对应于末端孔在第三梁的下表面和上表面分别设置应变片R33和R34；

第四梁4a上，对应于首端孔在第四梁的下表面和上表面分别设置应变片R41和R42；

第四梁4a上，对应于末端孔在第四梁的下表面和上表面分别设置应变片R43和R44；

利用应变片R11和R12、R13和R14、R21和R22、R23和R24、R31和R32、R33和R34、R41和R42、R43和R44分别组成惠斯通半桥电路，并一一对应获得检测信号：U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂；

检测信号与平板表面压力的数学模型为：C·F＝M；

系数矩阵C是3×8的常数矩阵，3×8常数矩阵C通过对所述测量装置进行标定而获得；F为等效力向量，M为检测信号向量，并有：

检测信号向量M为检测信号U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁、U₄₂中任意三个组成的向量，每个支撑梁2上最多选取一个检测信号，检测信号向量M可以是：

式(1)中：F_z1为平板1上的等效法向作用力，(x₁，y₁)为等效法向作用力F_z1在平板1上的等效作用坐标；利用数学模型C·F＝M，并根据检测信号获得等效于平板1上的一个法向力的大小F_z1和位置(x₁，y₁)。

或是：系数矩阵C是6×8的常数矩阵，6×8的常数矩阵C通过对测力单元进行标定而获得；F为等效力向量，M为检测信号向量，并有：

检测信号向量M为U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁、U₄₂中任意六个组成的向量，且每个支撑梁2上最少选取一个检测信号，检测信号向量可以是：

式(2)中，F_z1和F_z2为平板上两个不同位置上的等效法向作用力，(x₁，y₁)和(x₂，y₂)一一对应为F_z1和F_z2在平板上的等效作用坐标点；利用数学模型C·F＝M，并根据检测信号，获得等效于平板上两个法向力的大小F_z1和F_z2，以及位置：(x₁，y₁)、(x₂，y₂)。

如图1和图3所示，针对“T”型端梁4在各“T”型端梁4的两端对称设置沿Z向贯通支撑梁2的端梁通孔5，分别是内侧端梁通孔和外侧端梁通孔；端梁通孔5为圆形单孔、或椭圆形单孔、或腰型孔、或两只圆形单孔相互连通；设置在“T”型端梁4上的应变片包括：第一端梁1b上、对应于第一端梁1b上内侧端梁单通孔所在位置，并朝向第一端梁1b的中心偏离、分处在第一端梁1b的内表面和外表面的应变片R51和R52；第四端梁4b上、对应于第四端梁4b上内侧端梁单通孔所在位置，并朝向第四端梁4b的中心偏离、分处在第四端梁4b的内表面和外表面的应变片R53和R54；将应变片R51、R52、R53和R54沿Y向设置，构成一组惠斯通全桥电路，用于检测X轴方向的力F_x。

如图5和图7所示，针对“L”型端梁7，在各“L”型端梁7上设置沿Z向贯通支撑梁2的端梁通孔，端梁通孔为圆形单孔、或椭圆形单孔、或腰型孔、或两只圆形单孔相互连通；设置在“L”型端梁7上的应变片包括：第一端梁1b上、对应于第一端梁1b上端梁通孔所在位置，并朝向第一端梁1b的中心偏离、分处在第一端梁1b的内表面和外表面的应变片R51和R52；第四端梁4b上、对应于第四端梁4b上端梁通孔所在位置，并朝向第四端梁4b的中心偏离、分处在第四端梁4b的内表面和外表面的应变片R53和R54；将应变片R51、R52、R53和R54沿Y向设置，构成一组惠斯通全桥电路，用于检测X轴方向的力F_x。

为实现Y轴方向的力F_y的检测，在各支撑梁2的末端设置一沿Z向贯通支撑梁2的末端单孔6；设置在支撑梁2上的应变片也包括：第一梁1a上、对应于第一梁1a上末端单孔所在位置，并朝向远离第一梁首端的方向偏离末端通孔的中心、分处在第一梁1a的内表面和外表面的应变片R61和R62；第四梁4a上、对应于第四梁4a上末端单孔所在位置，并朝向远离第四梁首端的方向偏离末端通孔的中心、分处在第四梁4a的内表面和外表面的应变片R63和R64；应变片R61、R62、R63和R64沿X轴向设置，构成一组惠斯通全桥电路，用于检测Y轴方向的力F_y。

通过组合多个该装置，可用于测量垂直于平板的压力分布情况，并可以测量切向力的大小；也可以通过调整装置的尺寸，使其适用于不同的场合。