一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器

1.本发明涉及了一种力传感器，具体涉及一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器。


背景技术：

2.多维力传感器技术在人类的生产生活中都具有重要作用。例如，该技术可以提供运动机构、步态等方面的仿生力学资料，可用于自动化控制领域、机械手、机器人、自动化装配设备等场合。国内外研究人员已经开发了多种类型的多维力传感器。
3.目前研制出了的一种waston六维腕力传感器，该传感器采用了上中下3层结构，由三根竖立的应变梁和上下两个轮缘构成，三个竖梁在轮缘上按120
°
排列，该传感器结构简单，横向效果好，承载能力强，但竖向效应较差，维间耦合较大。一种平面横梁结构的六维力传感器，它采用平面十字梁结构，作用于传感器的六维力与力矩通过梁的弯曲应变获得，该传感器灵敏度高，无径向效应、易于标定，但竖直方向抗过载能力较差，动态性能难以提高。一种电容式六维力传感器，3维力和3维力矩都可以通过其电容值的变化指示出来。一种压电式六维力传感器，有8个密封的敏感元件组成，动态范围较宽。一种光学六维力传感器,采用了6横梁结构，其中三个梁装有四分型光学传感器，在梁的中心位置有3个光源分别射向3个光学传感器，通过光学传感器测量微小变形，从而测出六维力。六维力测力系统，其弹性体采用8竖梁的整体结构，结合特定的贴片方式能直接获得六维力信号，提高了弹性体的刚度并减小了滞后，实用性获得很大提高。这种传感器从原理上消除了耦合，简化了信号的后处理，有较好的实时性。
4.电阻应变式六维力传感器是目前应用最多最成熟的一种，它的基本原理是在外力作用下，弹性体机械变形，粘贴在弹性体上的应变片产生相应应变引起电阻值变化，再经过电桥将阻值的变化转换成电压或电流输出。兼具结构、量程、成本、灵敏度和动态性能。
5.现有的电阻应变式六维力传感器多基于正应变测量实现，但大多数情况下正应变在贴片区域的变化梯度较大，因此贴片位置偏差影响很大。而剪应变则可通过结构设计可以在较大范围内保持几乎均匀分布，降低了对贴片位置的依赖性。


技术实现要素：

6.为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器。
7.本发明采用的技术方案是：
8.本发明基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器包括传感器平台和十二个电阻应变计，各个电阻应变计安装在传感器平台上，传感器平台安装在固定位置处，承力板安装在传感器平台上；每两个电阻应变计串联组成惠斯通全桥，每个惠斯通全桥电连接各自的电压测量端和直流电源，各个电压测量端依次电连接放大电路、数据采集器和pc终端。
9.所述的传感器平台由工字梁、加载凸台和固定平台构成并一体成型，固定平台为
正方形板状的轴对称结构，固定平台的正方形侧面的中心开设有垂直于自身的正方形通槽，正方形通槽的四个槽面分别平行于固定平台的四个外侧面；加载凸台位于正方形通槽的中心，加载凸台为正四棱柱状，加载凸台的四个外侧面分别通过工字梁连接至正方形通槽的四个槽面，加载凸台的四个外侧面分别平行于各自正对的正方形通槽的槽面，十二个电阻应变计安装在工字梁上；加载凸台的中心开设有长度方形平行于正方形通槽的槽面的贯通的中心螺纹孔，固定平台的四个角的对称位置处开设有平行于中心螺纹孔的贯通的螺纹孔，传感器平台的一侧正方形面通过螺纹孔和四个螺栓安装在固定位置处，承力板通过中心螺纹孔和一个螺栓安装在加载凸台远离固定位置处的一侧面。
10.所述的工字梁分别位于加载凸台的四个外侧面和各自正对的固定平台的正方形通槽的槽面之间，工字梁的两个平行的两侧板垂直于各自连接的正方形通槽的槽面并平行于中心螺纹孔的长度方向，工字梁的中间板垂直于各自连接的正方形通槽的槽面并垂直于中心螺纹孔的长度方向；第一工字梁位于第一螺纹孔和第二螺纹孔之间，第二工字梁位于第二螺纹孔和第三螺纹孔之间，第三工字梁位于第三螺纹孔和第四螺纹孔之间，第四工字梁位于第一螺纹孔和第四螺纹孔之间，工字梁上分别安装有三个电阻应变计。
11.所述的加载凸台的一侧正方形面位于固定平台的正方形通槽外，加载凸台的一侧正方形面与自身靠近的加载凸台的一侧正方形面之间有间距，工字梁靠近正方形通槽的一侧槽口的端面和加载凸台的一侧正方形面平齐；加载凸台的另一侧正方形面位于加载凸台的正方形通槽外，加载凸台的另一侧正方形面与自身靠近的加载凸台的另一侧正方形面之间有间距，工字梁靠近加载凸台的另一侧正方形面的端面和加载凸台的另一侧正方形面平齐；加载凸台的一侧正方形通过中心螺纹孔和一个螺栓安装有承力板，固定平台的另一侧正方形面通过螺纹孔和四个螺栓安装在固定位置处。
12.所述的第一电阻应变计、第五电阻应变计和第十电阻应变计安装在第一工字梁上，第一电阻应变计和第五电阻应变计安装在第一工字梁的中间板的靠近承力板的一侧面上，第十电阻应变计安装在第一工字梁的两侧板的其中一侧板的靠近第一螺纹孔的一侧面上；第三电阻应变计、第八电阻应变计和第十二电阻应变计安装在第二工字梁上，第三电阻应变计安装在第二工字梁的中间板的靠近承力板的一侧面上，第八电阻应变计和第十二电阻应变计安装在第二工字梁的两侧板的其中一侧板的靠近第二螺纹孔的一侧面上；第二电阻应变计、第六电阻应变计和第九电阻应变计安装在第三工字梁上，第二电阻应变计和第六电阻应变计分别安装在第三工字梁的中间板的远离和靠近承力板的一侧面上，第九电阻应变计安装在第三工字梁的两侧板的其中一侧板的靠近第三螺纹孔的一侧面上；第四电阻应变计、第七电阻应变计和第十一电阻应变计安装在第四工字梁上，第四电阻应变计安装在第四工字梁的中间板的靠近承力板的一侧面上，第七电阻应变计安装在第四工字梁的两侧板的其中一侧板的靠近第四螺纹孔的一侧面上，第十一电阻应变计安装在第四工字梁的两侧板的另外一侧板的靠近第一螺纹孔的一侧面上。
13.第一电阻应变计和第二电阻应变计、第三电阻应变计和第四电阻应变计、第五电阻应变计和第六电阻应变计、第七电阻应变计和第八电阻应变计、第九电阻应变计和第十电阻应变计以及第十一电阻应变计和第十二电阻应变计分别串联组成惠斯通全桥。
14.所述的传感器平台以第一螺纹孔的中心和第二螺纹孔的中心的连线方向为x轴正向，以第二螺纹孔中心和第三螺纹孔中心的连线方向为y轴正向，以加载凸台的另一侧正方
形面至一侧正方形面的直线方向为z轴正向；所述的每个电阻应变计包括串联的两个应变片，两个应变片的其中一端相靠近并呈90
°
。
15.第一电阻应变计包括第一应变片r1和第二应变片r2，第五电阻应变计包括第九应变片r9和第十应变片r10，第十电阻应变计包括第十九应变片r19和第二十应变片r20，第一应变片r1、第二应变片r2、第九应变片r9和第十应变片r10贴在第一工字梁的中间板的朝向z轴正向的一侧面的中心并呈对称于x轴和y轴的十字分布；第十九应变片r19和第二十应变片r20对称于第一工字梁的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第一工字梁的两侧板的其中一侧板的中心，第十九应变片r19和第二十应变片r20的90
°
开口朝向加载凸台。
16.第三电阻应变计包括第五应变片r5和第六应变片r6，第八电阻应变计包括第十五应变片r15和第十六应变片r16，第十二电阻应变计包括第二十三应变片r23和第二十四应变片r24，第五应变片r5和第六应变片r6贴在的第二工字梁的中间板的朝向z轴正向的一侧面上并且两者间的交点位于第二工字梁的中间板的中心，第五应变片r5和第六应变片r6对称于x轴并且90
°
开口朝向加载凸台，第十五应变片r15、第十六应变片r16、第二十三应变片r23和第二十四应变片r24贴在第二工字梁的两侧板的其中一侧板的中心并呈对称于x轴和z轴的十字分布。
17.第二电阻应变计包括第三应变片r3和第四应变片r4，第六电阻应变计包括第十一应变片r11和第十二应变片r12，第九电阻应变计包括第十七应变片r17和第十八应变片r18，第十一应变片r11和第十二应变片r12贴在第三工字梁的中间板的朝向z轴正向的一侧面上并且两者间的交点位于第三工字梁的中间板的中心，第十一应变片r11和第十二应变片r12对称于y轴并且90
°
开口朝向加载凸台，第三应变片r3和第四应变片r4贴在第三工字梁的中间板的朝向z轴负向的一侧面上并且两者间的交点位于第三工字梁的中间板的中心，第二电阻应变计和第六电阻应变计对称于第三工字梁的中间板；第十七应变片r17和第十八应变片r18对称于第三工字梁的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第三工字梁的两侧板的其中一侧板的中心，第十七应变片r17和第十八应变片r18的90
°
开口朝向加载凸台。
18.第四电阻应变计包括第七应变片r7和第八应变片r8，第七电阻应变计包括第十三应变片r13和第十四应变片r14，第十一电阻应变计包括第二十一应变片r21和第二十二应变片r22，第七应变片r7和第八应变片r8贴在第四工字梁的中间板的朝向z轴负向的一侧面上并且两者间的交点位于第四工字梁的中间板的中心，第七应变片r7和第八应变片r8对称于x轴并且90
°
开口朝向加载凸台的相反方向；第十三应变片r13和第十四应变片r14对称于第四工字梁的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第四工字梁的两侧板的其中一侧板的中心，第十七应变片r17和第十八应变片r18的90
°
开口朝向加载凸台；第二十一应变片r21和第二十二应变片r22对称于第四工字梁的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第四工字梁的两侧板的另外一侧板的中心，第二十一应变片r21和第二十二应变片r22的90
°
开口朝向加载凸台。
19.所述的第一应变片r1、第二应变片r2、第三应变片r3和第四应变片r4顺序串联组成用于测量电阻应变式六维力传感器的x方向力fx的第一惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第一应变片r1和第二应变片r2之间，电压测量端ui的另一端接至第三应变片r3和第四应变片r4之间；直流电源u一端接至第一应变片r1和第四应变片r4之间，另一端接至第二
应变片r2和第三应变片r3之间。
20.第五应变片r5、第六应变片r6、第七应变片r7和第八应变片r8顺序串联组成用于测量电阻应变式六维力传感器的y方向力fy的第二惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第五应变片r5和第六应变片r6之间，电压测量端ui的另一端接至第七应变片r7和第八应变片r8之间；直流电源u一端接至第五应变片r5和第八应变片r8之间，另一端接至第六应变片r6和第七应变片r7之间。
21.第九应变片r9、第十应变片r10、第十一应变片r11和第十二应变片r12顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的z方向力矩mz的第三惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第九应变片r9和第十应变片r10之间，电压测量端ui的另一端接至第十一应变片r11和第十二应变片r12之间；直流电源u一端接至第九应变片r9和第十二应变片r12之间，另一端接至第十应变片r10和第十一应变片r11之间。
22.第十三应变片r13、第十四应变片r14、第十五应变片r15和第十六应变片r16顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的x方向力矩mx的第四惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第十三应变片r13和第十四应变片r14之间，电压测量端ui的另一端接至第十五应变片r15和第十六应变片r16之间；直流电源u一端接至第十三应变片r13和第十六应变片r16之间，另一端接至第十四应变片r14和第十五应变片r15之间。
23.第十七应变片r17、第十八应变片r18、第十九应变片r19和第二十应变片r20顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的y方向力矩my的第五惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第十七应变片r17和第十八应变片r18之间，电压测量端ui的另一端接至第十九应变片r19和第二十应变片r20之间；直流电源u一端接至第十七应变片r17和第二十应变片r20之间，另一端接至第十八应变片r18和第十九应变片r19之间。
24.第二十一应变片r21、第二十二应变片r22、第二十三应变片r23和第二十四应变片r24顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的z方向力fz的第六惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第二十一应变片r21和第二十二应变片r22之间，电压测量端ui的另一端接至第二十三应变片r23和第二十四应变片r24之间；直流电源u一端接至第二十一应变片r21和第二十四应变片r24之间，另一端接至第二十二应变片r22和第二十三应变片r23之间。
25.电阻应变式六维力传感器的检测方法包括如下步骤：
26.步骤一：在承力板上施加不同载荷的力，并通过各个电压测量端ui获得各个惠斯通全桥的阻值变化并转化为电压变化依次输出至放大电路、数据采集器和pc终端，pc终端根据各个力的载荷和各个输出电压变化之间的关系获得电压-载荷关系曲线。
27.步骤二：在承力板受到待测力时，通过pc终端获取电压变化，然后根据电压-载荷关系曲线获得待测力的载荷，最终实现力的剪应变检测。
28.本发明的有益效果是：
29.本发明传感器体积小，结构简单，自重影响小，对贴片位置敏感度低，自身灵敏度高，可以精确的测试x、y、z三个方向上的力/力矩，可用于工业测量。
附图说明
30.图1为本发明电阻应变式六维力传感器的立体结构图；
31.图2为本发明电阻应变式六维力传感器的俯视图；
32.图3为本发明电阻应变式六维力传感器的剖视图；
33.图4为本发明应变片分布的俯视图；
34.图5为本发明应变片r13-14分布图；
35.图6为本发明应变片r15-16和r21-24分布图；
36.图7为本发明应变片r19-20分布图；
37.图8为本发明应变片r17-18分布图；
38.图9为本发明应变片组成的惠斯通全桥示意图；
39.图10为本发明数据传输示意图；
40.图中：1、第一螺纹孔，2、第一工字梁，3、第二螺纹孔，4、第二工字梁，5、第三螺纹孔，6、第三工字梁，7、第四螺纹孔，8、第四工字梁，9、加载凸台，10、中心螺纹孔，11、固定平台。
具体实施方式
41.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
42.如图1、图2、图3和图10所示，本发明基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器包括传感器平台和十二个电阻应变计，各个电阻应变计安装在传感器平台上，传感器平台安装在固定位置处，承力板安装在传感器平台上；每两个电阻应变计串联组成惠斯通全桥，每个惠斯通全桥电连接各自的电压测量端和直流电源，各个电压测量端依次电连接放大电路、数据采集器和pc终端。
43.传感器平台由工字梁2、4、6、8、加载凸台9和固定平台11构成并一体成型，固定平台11为正方形板状的轴对称结构，固定平台11的正方形侧面的中心开设有垂直于自身的正方形通槽，正方形通槽的四个槽面分别平行于固定平台11的四个外侧面；加载凸台9位于正方形通槽的中心，加载凸台9为正四棱柱状，加载凸台9的四个外侧面分别通过工字梁2、4、6、8连接至正方形通槽的四个槽面，加载凸台9的四个外侧面分别平行于各自正对的正方形通槽的槽面，十二个电阻应变计安装在工字梁2、4、6、8上；加载凸台9的中心开设有长度方形平行于正方形通槽的槽面的贯通的中心螺纹孔10，固定平台11的四个角的对称位置处开设有平行于中心螺纹孔10的贯通的螺纹孔1、3、5、7，传感器平台的一侧正方形面通过螺纹孔1、3、5、7和四个螺栓安装在固定位置处，承力板通过中心螺纹孔10和一个螺栓安装在加载凸台9远离固定位置处的一侧面。
44.工字梁2、4、6、8分别位于加载凸台9的四个外侧面和各自正对的固定平台11的正方形通槽的槽面之间，工字梁2、4、6、8的两个平行的两侧板垂直于各自连接的正方形通槽的槽面并平行于中心螺纹孔10的长度方向，工字梁2、4、6、8的中间板垂直于各自连接的正方形通槽的槽面并垂直于中心螺纹孔10的长度方向；第一工字梁2位于第一螺纹孔1和第二螺纹孔3之间，第二工字梁4位于第二螺纹孔3和第三螺纹孔5之间，第三工字梁6位于第三螺纹孔5和第四螺纹孔7之间，第四工字梁8位于第一螺纹孔1和第四螺纹孔7之间，工字梁2、4、6、8上分别安装有三个电阻应变计。
45.加载凸台9的一侧正方形面位于固定平台11的正方形通槽外，加载凸台9的一侧正方形面与自身靠近的加载凸台9的一侧正方形面之间有间距，工字梁2、4、6、8靠近正方形通
槽的一侧槽口的端面和加载凸台9的一侧正方形面平齐；加载凸台9的另一侧正方形面位于加载凸台9的正方形通槽外，加载凸台9的另一侧正方形面与自身靠近的加载凸台9的另一侧正方形面之间有间距，工字梁2、4、6、8靠近加载凸台9的另一侧正方形面的端面和加载凸台9的另一侧正方形面平齐；加载凸台9的一侧正方形通过中心螺纹孔10和一个螺栓安装有承力板，固定平台11的另一侧正方形面通过螺纹孔1、3、5、7和四个螺栓安装在固定位置处。
46.第一电阻应变计、第五电阻应变计和第十电阻应变计安装在第一工字梁2上，第一电阻应变计和第五电阻应变计安装在第一工字梁2的中间板的靠近承力板的一侧面上，第十电阻应变计安装在第一工字梁2的两侧板的其中一侧板的靠近第一螺纹孔1的一侧面上；第三电阻应变计、第八电阻应变计和第十二电阻应变计安装在第二工字梁4上，第三电阻应变计安装在第二工字梁4的中间板的靠近承力板的一侧面上，第八电阻应变计和第十二电阻应变计安装在第二工字梁4的两侧板的其中一侧板的靠近第二螺纹孔3的一侧面上；第二电阻应变计、第六电阻应变计和第九电阻应变计安装在第三工字梁6上，第二电阻应变计和第六电阻应变计分别安装在第三工字梁6的中间板的远离和靠近承力板的一侧面上，第九电阻应变计安装在第三工字梁6的两侧板的其中一侧板的靠近第三螺纹孔5的一侧面上；第四电阻应变计、第七电阻应变计和第十一电阻应变计安装在第四工字梁8上，第四电阻应变计安装在第四工字梁8的中间板的靠近承力板的一侧面上，第七电阻应变计安装在第四工字梁8的两侧板的其中一侧板的靠近第四螺纹孔7的一侧面上，第十一电阻应变计安装在第四工字梁8的两侧板的另外一侧板的靠近第一螺纹孔1的一侧面上。
47.第一电阻应变计和第二电阻应变计、第三电阻应变计和第四电阻应变计、第五电阻应变计和第六电阻应变计、第七电阻应变计和第八电阻应变计、第九电阻应变计和第十电阻应变计以及第十一电阻应变计和第十二电阻应变计分别串联组成惠斯通全桥。
48.传感器平台以第一螺纹孔1的中心和第二螺纹孔3的中心的连线方向为x轴正向，以第二螺纹孔3中心和第三螺纹孔5中心的连线方向为y轴正向，以加载凸台9的另一侧正方形面至一侧正方形面的直线方向为z轴正向；所述的每个电阻应变计包括串联的两个应变片，两个应变片的其中一端相靠近并呈90
°
。
49.如图4、图5、图6、图7和图8所示，第一电阻应变计包括第一应变片r1和第二应变片r2，第五电阻应变计包括第九应变片r9和第十应变片r10，第十电阻应变计包括第十九应变片r19和第二十应变片r20，第一应变片r1、第二应变片r2、第九应变片r9和第十应变片r10贴在第一工字梁2的中间板的朝向z轴正向的一侧面的中心并呈对称于x轴和y轴的十字分布；第十九应变片r19和第二十应变片r20对称于第一工字梁2的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第一工字梁2的两侧板的其中一侧板的中心，第十九应变片r19和第二十应变片r20的90
°
开口朝向加载凸台9。
50.第三电阻应变计包括第五应变片r5和第六应变片r6，第八电阻应变计包括第十五应变片r15和第十六应变片r16，第十二电阻应变计包括第二十三应变片r23和第二十四应变片r24，第五应变片r5和第六应变片r6贴在的第二工字梁4的中间板的朝向z轴正向的一侧面上并且两者间的交点位于第二工字梁4的中间板的中心，第五应变片r5和第六应变片r6对称于x轴并且90
°
开口朝向加载凸台9，第十五应变片r15、第十六应变片r16、第二十三应变片r23和第二十四应变片r24贴在第二工字梁4的两侧板的其中一侧板的中心并呈对称于x轴和z轴的十字分布。
51.第二电阻应变计包括第三应变片r3和第四应变片r4，第六电阻应变计包括第十一应变片r11和第十二应变片r12，第九电阻应变计包括第十七应变片r17和第十八应变片r18，第十一应变片r11和第十二应变片r12贴在第三工字梁6的中间板的朝向z轴正向的一侧面上并且两者间的交点位于第三工字梁6的中间板的中心，第十一应变片r11和第十二应变片r12对称于y轴并且90
°
开口朝向加载凸台9，第三应变片r3和第四应变片r4贴在第三工字梁6的中间板的朝向z轴负向的一侧面上并且两者间的交点位于第三工字梁6的中间板的中心，第二电阻应变计和第六电阻应变计对称于第三工字梁6的中间板；第十七应变片r17和第十八应变片r18对称于第三工字梁6的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第三工字梁6的两侧板的其中一侧板的中心，第十七应变片r17和第十八应变片r18的90
°
开口朝向加载凸台9。
52.第四电阻应变计包括第七应变片r7和第八应变片r8，第七电阻应变计包括第十三应变片r13和第十四应变片r14，第十一电阻应变计包括第二十一应变片r21和第二十二应变片r22，第七应变片r7和第八应变片r8贴在第四工字梁8的中间板的朝向z轴负向的一侧面上并且两者间的交点位于第四工字梁8的中间板的中心，第七应变片r7和第八应变片r8对称于x轴并且90
°
开口朝向加载凸台9的相反方向；第十三应变片r13和第十四应变片r14对称于第四工字梁8的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第四工字梁8的两侧板的其中一侧板的中心，第十七应变片r17和第十八应变片r18的90
°
开口朝向加载凸台9；第二十一应变片r21和第二十二应变片r22对称于第四工字梁8的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第四工字梁8的两侧板的另外一侧板的中心，第二十一应变片r21和第二十二应变片r22的90
°
开口朝向加载凸台9。
53.如图9所示，第一应变片r1、第二应变片r2、第三应变片r3和第四应变片r4顺序串联组成用于测量电阻应变式六维力传感器的x方向力fx的第一惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第一应变片r1和第二应变片r2之间，电压测量端ui的另一端接至第三应变片r3和第四应变片r4之间；直流电源u一端接至第一应变片r1和第四应变片r4之间，另一端接至第二应变片r2和第三应变片r3之间。
54.第五应变片r5、第六应变片r6、第七应变片r7和第八应变片r8顺序串联组成用于测量电阻应变式六维力传感器的y方向力fy的第二惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第五应变片r5和第六应变片r6之间，电压测量端ui的另一端接至第七应变片r7和第八应变片r8之间；直流电源u一端接至第五应变片r5和第八应变片r8之间，另一端接至第六应变片r6和第七应变片r7之间。
55.第九应变片r9、第十应变片r10、第十一应变片r11和第十二应变片r12顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的z方向力矩mz的第三惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第九应变片r9和第十应变片r10之间，电压测量端ui的另一端接至第十一应变片r11和第十二应变片r12之间；直流电源u一端接至第九应变片r9和第十二应变片r12之间，另一端接至第十应变片r10和第十一应变片r11之间。
56.第十三应变片r13、第十四应变片r14、第十五应变片r15和第十六应变片r16顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的x方向力矩mx的第四惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第十三应变片r13和第十四应变片r14之间，电压测量端ui的另一端接至第十五应变片r15和第十六应变片r16之间；直流电源u一端接至第十三应变片r13和第十六应
变片r16之间，另一端接至第十四应变片r14和第十五应变片r15之间。
57.第十七应变片r17、第十八应变片r18、第十九应变片r19和第二十应变片r20顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的y方向力矩my的第五惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第十七应变片r17和第十八应变片r18之间，电压测量端ui的另一端接至第十九应变片r19和第二十应变片r20之间；直流电源u一端接至第十七应变片r17和第二十应变片r20之间，另一端接至第十八应变片r18和第十九应变片r19之间。
58.第二十一应变片r21、第二十二应变片r22、第二十三应变片r23和第二十四应变片r24顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的z方向力fz的第六惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第二十一应变片r21和第二十二应变片r22之间，电压测量端ui的另一端接至第二十三应变片r23和第二十四应变片r24之间；直流电源u一端接至第二十一应变片r21和第二十四应变片r24之间，另一端接至第二十二应变片r22和第二十三应变片r23之间。
59.本发明电阻应变式六维力传感器的检测方法包括如下步骤：
60.步骤一：在承力板上施加不同载荷的力，并通过各个电压测量端ui获得各个惠斯通全桥的阻值变化并转化为电压变化依次输出至放大电路、数据采集器和pc终端，pc终端根据各个力的载荷和各个输出电压变化之间的关系获得电压-载荷关系曲线。
61.步骤二：在承力板受到待测力时，通过pc终端获取电压变化，然后根据电压-载荷关系曲线获得待测力的载荷，最终实现力的剪应变检测。
62.如图3所示，加载凸台9的高度大于固定平台11的高度1mm以便于加载，加载凸台9与固定平台11的底面有1mm的间隙用于实现机械变形，加载凸台9与固定平台11底面的间隙还可进行调整以实现过载保护。前工字梁2、后工字梁6、左工字梁8和右工字梁4的水平放置的横板的厚度为1mm，竖直放置的翼板的厚度为1mm，使横板主要承担水平面内的剪切载荷而翼板主要承担竖直面内的剪切载荷，更有利于测量剪切应变，此外这种设计能够保证各板剪应变分布较为均匀，可有效降低测量结果对贴片位置的敏感度。前工字梁2、后工字梁6、左工字梁8和右工字梁4均设置为厚度方向的对称处，这样的布置使得在特定的变形下，腹板的剪应变分布以横板为轴上下相反。
63.当加载凸台9顶部受到x方向力时，左工字梁8和右工字梁4受到轴向力作用，竖板上不产生剪应变；前工字梁2和后工字梁6受到剪力和弯矩作用，竖板上会产生一定的剪应变，但工字梁这种构型使得竖板的剪应变极小并且在中心层的上下两侧符号相反；当加载凸台9顶部受到y方向力时，左工字梁8和右工字梁4受到剪力和弯矩作用，竖板上会产生一定的剪应变，但工字梁这种构型使得竖板的剪应变极小并且在中心层的上下两侧符号相反；前工字梁2和后工字梁6受到轴力作用，竖板上不产生剪应变；当加载凸台9受到z方向力时，前工字梁2，后工字梁6，左工字梁8和右工字梁4受到剪力和弯矩的作用，竖板上均产生一定的剪应变，前工字梁2的两个竖板的剪应变符号相同，后工字梁6的两个竖板的剪应变符号相同，左工字梁8的两个竖板的剪应变符号相同，右工字梁4的两个竖板的剪应变符号相同，但前工字梁2的两个竖板的剪应变的符号与后工字梁6的两个剪应变的符号相反，左工字梁8的两个竖板的剪应变的符号与右工字梁4的两个竖板的剪应变的符号相反；当加载凸台9顶部受到x方向力矩时，前工字梁2和后工字梁6，左工字梁8和右工字梁4受到剪力和弯矩的作用，两个竖板上均产生一定程度的剪应变，前工字梁2左右两侧的竖板的符号相
反，后工字梁6左右两侧的竖板的符号相反，左工字梁8的两个竖板的剪应变符号与右工字梁4的两个竖板上的剪应变的符号相同；当加载凸台9顶部受到y方向力矩时，前工字梁2、后工字梁6，左工字梁8和右工字梁4的两个竖板上均产生一定程度的剪应变，左工字梁8左右两侧的竖板的符号相反，右工字梁4左右两侧的竖板的符号相反，前工字梁2的两个竖板的剪应变符号与后工字梁6的两个竖板上的剪应变的符号相同；当加载凸台9顶部受到z方向力矩时，前工字梁2，后工字梁6，左工字梁4和右工字梁8仅受到弯矩的作用，竖板表面均受到的是完全正应变而不是剪应变，竖板上不会产生剪应变。因此，通过设置应变片r21、r22、r23、r24并组成惠斯通电桥可测量左工字梁8和右工字梁4竖板表面因z方向力产生的剪应变并消除了其它载荷的影响。通过设置应变片r17、r18、r19、r20并组成惠斯通电桥可测量前工字梁2和后工字梁6竖板表面仅受x方向力矩时的剪应变，消除了其他载荷的影响。通过设置应变片r13、r14、r15、r16并组成惠斯通电桥可测量左工字梁8和右工字梁4竖板表面仅受y方向力矩时的剪应变，消除了其它载荷的影响。
64.当加载凸台9受到x方向力时，前工字梁2和后工字梁6受到剪力和弯矩的作用，横板上产生剪应变，前工字梁2的横板表面产生剪应变与后工字梁6符号相反，左工字梁8和右工字梁4受到轴向力作用，不产生剪应变；当加载凸台9受到y方向力时，前工字梁2和后工字梁6受到轴向力的作用，不产生剪应变，左工字梁8和右工字梁4受到剪力和弯矩作用，横板上产生剪应变，左工字梁横板上的剪应变和右工字梁横板上的剪应变符号相反；当加载凸台9受到z方向力时，前工字梁2、后工字梁6、左工字梁8和右工字梁4的横板主要产生完全正应变而不是剪应变；当加载凸台9顶部受到x方向力矩时，前工字梁2、后工字梁6，主要受到扭转作用，前工字梁2和后工字梁6的横板上的剪应变的符号相反，左工字梁8和右工字梁4的横板主要产生弯曲正应力而不是剪应力；当加载凸台9顶部受到y方向力矩时，左工字梁8和右工字梁4横板主要产生弯曲正应力而不是剪应力，前工字梁2和后工字梁6受到扭转，前工字梁2和后工字梁6的横板上的剪应力符号相反；当加载凸台9顶部受到z方向力矩时，前工字梁2，后工字梁6，左工字梁8和右工字梁4受到剪力和弯矩作用，前工字梁2和后工子梁6横板上的剪应变的符号相同，左工字梁8和右工字梁4横板上的剪应变的符号相同，前工字梁2横板上的剪应变的符号与左工字梁8横板上剪应变的符号相反，通过设置应变片r1、r2、r3、r4并组成惠斯通电桥可测量前工字梁2和后工字梁6横板表面仅因x方向力产生的剪应变，消除了其它载荷的影响；通过设置应变片r5、r6、r7、r8并组成惠斯通电桥可测量左工字梁8和右工字梁4横板表面仅因y方向力产生的剪应变，消除了其它载荷的影响；通过设置应变片r9、r10、r11、r12并组成惠斯通电桥可测量前工字梁2和后工字梁6横板表面仅因z方向力矩产生的剪应变，消除了其他载荷的影响。
65.如图9所示，为应变片桥式电路，将小尺寸大量程六维力传感器上的应变片的阻值变化变成电压变化并输出，标定后可获得输出与载荷之间的确切关系。
66.如图10所示，使用时，将固定平台11上的螺纹孔1、3、5、7分别用螺栓固定，在此基础上，将加载凸台9与承力板相连接，测量到的电压ui经放大电路放大后进行数据采集，并将采集到的数据导入pc终端。
67.传感器的弹性体的整体尺寸优选在30mm
×
30mm
×
12mm，薄壁梁的厚度为1mm，侧梁的高度为10mm,水平梁的宽度为4mm；传感器的弹性体的优选材料为不锈钢17-4ph；电阻应变片的优选形式为串联式羽毛状应变计；电阻应变计的优选电阻为350欧；电阻应变计的优
选尺寸不超过5
×
4mm；传感器的测力量程优选fz、fx、fy为2000n，力矩mx、my、mz量程优选为40n
·
m。
68.本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的其实下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或者结构上作任何变化，凡是具有与本技术相同或者相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器，其特征在于：包括传感器平台和十二个电阻应变计，各个电阻应变计安装在传感器平台上，传感器平台安装在固定位置处，承力板安装在传感器平台上；每两个电阻应变计串联组成惠斯通全桥，每个惠斯通全桥电连接各自的电压测量端和直流电源，各个电压测量端依次电连接放大电路、数据采集器和pc终端。2.根据权利要求1所述的一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器，其特征在于：所述的传感器平台由工字梁(2、4、6、8)、加载凸台(9)和固定平台(11)构成并一体成型，固定平台(11)为正方形板状的轴对称结构，固定平台(11)的正方形侧面的中心开设有垂直于自身的正方形通槽，正方形通槽的四个槽面分别平行于固定平台(11)的四个外侧面；加载凸台(9)位于正方形通槽的中心，加载凸台(9)为正四棱柱状，加载凸台(9)的四个外侧面分别通过工字梁(2、4、6、8)连接至正方形通槽的四个槽面，加载凸台(9)的四个外侧面分别平行于各自正对的正方形通槽的槽面，十二个电阻应变计安装在工字梁(2、4、6、8)上；加载凸台(9)的中心开设有长度方形平行于正方形通槽的槽面的贯通的中心螺纹孔(10)，固定平台(11)的四个角的对称位置处开设有平行于中心螺纹孔(10)的贯通的螺纹孔(1、3、5、7)，传感器平台的一侧正方形面通过螺纹孔(1、3、5、7)和四个螺栓安装在固定位置处，承力板通过中心螺纹孔(10)和一个螺栓安装在加载凸台(9)远离固定位置处的一侧面。3.根据权利要求2所述的一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器，其特征在于：所述的工字梁(2、4、6、8)分别位于加载凸台(9)的四个外侧面和各自正对的固定平台(11)的正方形通槽的槽面之间，工字梁(2、4、6、8)的两个平行的两侧板垂直于各自连接的正方形通槽的槽面并平行于中心螺纹孔(10)的长度方向，工字梁(2、4、6、8)的中间板垂直于各自连接的正方形通槽的槽面并垂直于中心螺纹孔(10)的长度方向；第一工字梁(2)位于第一螺纹孔(1)和第二螺纹孔(3)之间，第二工字梁(4)位于第二螺纹孔(3)和第三螺纹孔(5)之间，第三工字梁(6)位于第三螺纹孔(5)和第四螺纹孔(7)之间，第四工字梁(8)位于第一螺纹孔(1)和第四螺纹孔(7)之间，工字梁(2、4、6、8)上分别安装有三个电阻应变计。4.根据权利要求2所述的一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器，其特征在于：所述的加载凸台(9)的一侧正方形面位于固定平台(11)的正方形通槽外，加载凸台(9)的一侧正方形面与自身靠近的加载凸台(9)的一侧正方形面之间有间距，工字梁(2、4、6、8)靠近正方形通槽的一侧槽口的端面和加载凸台(9)的一侧正方形面平齐；加载凸台(9)的另一侧正方形面位于加载凸台(9)的正方形通槽外，加载凸台(9)的另一侧正方形面与自身靠近的加载凸台(9)的另一侧正方形面之间有间距，工字梁(2、4、6、8)靠近加载凸台(9)的另一侧正方形面的端面和加载凸台(9)的另一侧正方形面平齐；加载凸台(9)的一侧正方形通过中心螺纹孔(10)和一个螺栓安装有承力板，固定平台(11)的另一侧正方形面通过螺纹孔(1、3、5、7)和四个螺栓安装在固定位置处。5.根据权利要求4所述的一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器，其特征在于：所述的第一电阻应变计、第五电阻应变计和第十电阻应变计安装在第一工字梁(2)上，第一电阻应变计和第五电阻应变计安装在第一工字梁(2)的中间板的靠近承力板的一侧面上，第十电阻应变计安装在第一工字梁(2)的两侧板的其中一侧板的靠近第一螺纹孔(1)的一侧面上；第三电阻应变计、第八电阻应变计和第十二电阻应变计安装在第二工字梁(4)上，第三电阻应变计安装在第二工字梁(4)的中间板的靠近承力板的一侧面上，第八电阻应
变计和第十二电阻应变计安装在第二工字梁(4)的两侧板的其中一侧板的靠近第二螺纹孔(3)的一侧面上；第二电阻应变计、第六电阻应变计和第九电阻应变计安装在第三工字梁(6)上，第二电阻应变计和第六电阻应变计分别安装在第三工字梁(6)的中间板的远离和靠近承力板的一侧面上，第九电阻应变计安装在第三工字梁(6)的两侧板的其中一侧板的靠近第三螺纹孔(5)的一侧面上；第四电阻应变计、第七电阻应变计和第十一电阻应变计安装在第四工字梁(8)上，第四电阻应变计安装在第四工字梁(8)的中间板的靠近承力板的一侧面上，第七电阻应变计安装在第四工字梁(8)的两侧板的其中一侧板的靠近第四螺纹孔(7)的一侧面上，第十一电阻应变计安装在第四工字梁(8)的两侧板的另外一侧板的靠近第一螺纹孔(1)的一侧面上；第一电阻应变计和第二电阻应变计、第三电阻应变计和第四电阻应变计、第五电阻应变计和第六电阻应变计、第七电阻应变计和第八电阻应变计、第九电阻应变计和第十电阻应变计以及第十一电阻应变计和第十二电阻应变计分别串联组成惠斯通全桥。6.根据权利要求5所述的一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器，其特征在于：所述的传感器平台以第一螺纹孔(1)的中心和第二螺纹孔(3)的中心的连线方向为x轴正向，以第二螺纹孔(3)中心和第三螺纹孔(5)中心的连线方向为y轴正向，以加载凸台(9)的另一侧正方形面至一侧正方形面的直线方向为z轴正向；所述的每个电阻应变计包括串联的两个应变片，两个应变片的其中一端相靠近并呈90
°
；第一电阻应变计包括第一应变片r1和第二应变片r2，第五电阻应变计包括第九应变片r9和第十应变片r10，第十电阻应变计包括第十九应变片r19和第二十应变片r20，第一应变片r1、第二应变片r2、第九应变片r9和第十应变片r10贴在第一工字梁(2)的中间板的朝向z轴正向的一侧面的中心并呈对称于x轴和y轴的十字分布；第十九应变片r19和第二十应变片r20对称于第一工字梁(2)的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第一工字梁(2)的两侧板的其中一侧板的中心，第十九应变片r19和第二十应变片r20的90
°
开口朝向加载凸台(9)；第三电阻应变计包括第五应变片r5和第六应变片r6，第八电阻应变计包括第十五应变片r15和第十六应变片r16，第十二电阻应变计包括第二十三应变片r23和第二十四应变片r24，第五应变片r5和第六应变片r6贴在的第二工字梁(4)的中间板的朝向z轴正向的一侧面上并且两者间的交点位于第二工字梁(4)的中间板的中心，第五应变片r5和第六应变片r6对称于x轴并且90
°
开口朝向加载凸台(9)，第十五应变片r15、第十六应变片r16、第二十三应变片r23和第二十四应变片r24贴在第二工字梁(4)的两侧板的其中一侧板的中心并呈对称于x轴和z轴的十字分布；第二电阻应变计包括第三应变片r3和第四应变片r4，第六电阻应变计包括第十一应变片r11和第十二应变片r12，第九电阻应变计包括第十七应变片r17和第十八应变片r18，第十一应变片r11和第十二应变片r12贴在第三工字梁(6)的中间板的朝向z轴正向的一侧面上并且两者间的交点位于第三工字梁(6)的中间板的中心，第十一应变片r11和第十二应变片r12对称于y轴并且90
°
开口朝向加载凸台(9)，第三应变片r3和第四应变片r4贴在第三工字梁(6)的中间板的朝向z轴负向的一侧面上并且两者间的交点位于第三工字梁(6)的中间板的中心，第二电阻应变计和第六电阻应变计对称于第三工字梁(6)的中间板；第十七应变片r17和第十八应变片r18对称于第三工字梁(6)的中间板所在的平面并且两者间的交点位
于第三工字梁(6)的两侧板的其中一侧板的中心，第十七应变片r17和第十八应变片r18的90
°
开口朝向加载凸台(9)；第四电阻应变计包括第七应变片r7和第八应变片r8，第七电阻应变计包括第十三应变片r13和第十四应变片r14，第十一电阻应变计包括第二十一应变片r21和第二十二应变片r22，第七应变片r7和第八应变片r8贴在第四工字梁(8)的中间板的朝向z轴负向的一侧面上并且两者间的交点位于第四工字梁(8)的中间板的中心，第七应变片r7和第八应变片r8对称于x轴并且90
°
开口朝向加载凸台(9)的相反方向；第十三应变片r13和第十四应变片r14对称于第四工字梁(8)的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第四工字梁(8)的两侧板的其中一侧板的中心，第十七应变片r17和第十八应变片r18的90
°
开口朝向加载凸台(9)；第二十一应变片r21和第二十二应变片r22对称于第四工字梁(8)的中间板所在的平面并且两者间的交点位于第四工字梁(8)的两侧板的另外一侧板的中心，第二十一应变片r21和第二十二应变片r22的90
°
开口朝向加载凸台(9)。7.根据权利要求6所述的一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器，其特征在于：所述的第一应变片r1、第二应变片r2、第三应变片r3和第四应变片r4顺序串联组成用于测量电阻应变式六维力传感器的x方向力fx的第一惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第一应变片r1和第二应变片r2之间，电压测量端ui的另一端接至第三应变片r3和第四应变片r4之间；直流电源u一端接至第一应变片r1和第四应变片r4之间，另一端接至第二应变片r2和第三应变片r3之间；第五应变片r5、第六应变片r6、第七应变片r7和第八应变片r8顺序串联组成用于测量电阻应变式六维力传感器的y方向力fy的第二惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第五应变片r5和第六应变片r6之间，电压测量端ui的另一端接至第七应变片r7和第八应变片r8之间；直流电源u一端接至第五应变片r5和第八应变片r8之间，另一端接至第六应变片r6和第七应变片r7之间；第九应变片r9、第十应变片r10、第十一应变片r11和第十二应变片r12顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的z方向力矩mz的第三惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第九应变片r9和第十应变片r10之间，电压测量端ui的另一端接至第十一应变片r11和第十二应变片r12之间；直流电源u一端接至第九应变片r9和第十二应变片r12之间，另一端接至第十应变片r10和第十一应变片r11之间；第十三应变片r13、第十四应变片r14、第十五应变片r15和第十六应变片r16顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的x方向力矩mx的第四惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第十三应变片r13和第十四应变片r14之间，电压测量端ui的另一端接至第十五应变片r15和第十六应变片r16之间；直流电源u一端接至第十三应变片r13和第十六应变片r16之间，另一端接至第十四应变片r14和第十五应变片r15之间；第十七应变片r17、第十八应变片r18、第十九应变片r19和第二十应变片r20顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的y方向力矩my的第五惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第十七应变片r17和第十八应变片r18之间，电压测量端ui的另一端接至第十九应变片r19和第二十应变片r20之间；直流电源u一端接至第十七应变片r17和第二十应变片r20之间，另一端接至第十八应变片r18和第十九应变片r19之间；第二十一应变片r21、第二十二应变片r22、第二十三应变片r23和第二十四应变片r24
顺序串联组成用于测量电阻应变式十维力传感器的z方向力fz的第六惠斯通全桥，电压测量端ui的一端接至第二十一应变片r21和第二十二应变片r22之间，电压测量端ui的另一端接至第二十三应变片r23和第二十四应变片r24之间；直流电源u一端接至第二十一应变片r21和第二十四应变片r24之间，另一端接至第二十二应变片r22和第二十三应变片r23之间。8.根据权利要求1-7任一所述的电阻应变式六维力传感器的检测方法，其特征在于：方法包括如下步骤：步骤一：在承力板上施加不同载荷的力，并通过各个电压测量端ui获得各个惠斯通全桥的阻值变化并转化为电压变化依次输出至放大电路、数据采集器和pc终端，pc终端根据各个力的载荷和各个输出电压变化之间的关系获得电压-载荷关系曲线；步骤二：在承力板受到待测力时，通过pc终端获取电压变化，然后根据电压-载荷关系曲线获得待测力的载荷，最终实现力的剪应变检测。

技术总结
本发明公开了一种基于剪应变检测的电阻应变式六维力传感器。传感器包括传感器平台和电阻应变计，电阻应变计安装在传感器平台上，传感器平台安装在固定位置处，承力板安装在传感器平台上；每两个电阻应变计串联组成惠斯通全桥，惠斯通全桥电连接电压测量端和直流电源，电压测量端依次电连接放大电路、数据采集器和PC终端。本发明传感器的电阻应变计可以检测各梁受载后的剪应变，将电阻应变计连接成惠斯通电桥后可实现相应的载荷检测。本发明传感器体积小，结构简单，自重影响小，对贴片位置敏感度低，自身灵敏度高，可以精确的测试X、Y、Z三个方向上的力/力矩，可用于工业测量。可用于工业测量。可用于工业测量。


技术研发人员：宋逸 钟似辉 文亚 王芳楠 吴化平
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/14