专利名称：一种三维力传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于多维力测量技术领域，具体涉及一种三维力传感器。
背景技术：
维间耦合是多维力传感器测量多维力时的一个普遍现象，维间耦合会降低测量精度；维间耦合指的是多维力传感器在测量某一个方向的作用力时，不仅在该力的方向上有信号输出，而且在与该力垂直的方向上也会产生不应有的信号输出，从而产生测量误差。目前，普遍使用的基于电阻应变片的三维力多维力传感器，需要在传感器基体上的不同方位(敏感部位)贴若干个电阻应变片，通过各个应变片测出传感器基体上应变片所在位置的变形再计算出传感器所受到的力。由于维间耦合现象的存在，三维力传感器 需要使用复杂的解耦技术，才能减小耦合误差，得到较为准确的结果。耦合是个复杂的非线性问题，而且受到传感器加工和贴片技术等因素影响，完全解耦几乎不可能做到；因此，三维力传感器一般需要很专业的技术人员去做，而且制作工艺复杂，成本较高。专利号为200810019550. 2的“气浮式多维力传感器及多维力测量方法”中公开了一种气浮式多维力测量方法，它的原理是用16个气浮喷嘴将浮板完全浮起，通过测量气浮喷嘴中特定部位的气体压力来换算出喷嘴受到的浮力，进而计算出浮板上受到的作用力。气浮测力传感器可以避免维间耦合，但结构较为复杂，成本较高。现实工作中，在某些测量精度要求不高的场合例如人体脚力的测量等，希望有一种结构简单、成本较低、制作简便的三维力传感器。
发明内容
为了解决某些测量精度要求不高的场合例如人体脚力的测量等问题，本发明提供一种结构简单、成本较低、制作简便的三维力传感器。本发明三维力传感器包括立方体的传感器本体，传感器本体顶面中部设有凹槽，凹槽内设有测力平台；传感器本体的凹槽底部均布开设有尺寸相同的四个垂直通孔，四个垂直通孔的轴线相互平行，且垂直于正方形凹槽；所述垂直通孔的下部为垂直螺纹孔，与垂直螺纹孔配合设有垂直调整螺钉，所述每只垂直调整螺钉的上部的垂直螺纹孔内依次向上设有垂直一维力传感器和垂直钢球，与每只垂直钢球对应的测力平台底面开设有底面定位盲孔，每只垂直钢球的大部分对应位于相应的底面定位盲孔内；所述凹槽的侧壁上均布开设有四个以上的水平通孔，四个以上的水平通孔的轴线在同一平面内，且与四个垂直通孔相垂直；每个水平通孔的外端为水平螺纹孔，与水平螺纹孔配合设有水平调整螺钉，所述水平调整螺钉的内端依次设有水平一维力传感器和水平钢球，与每只水平钢球对应的测力平台侧面开设有侧定位盲孔，每只水平钢球的大部分对应位于相应的侧定位盲孔内；
所述每个底面定位盲孔的直径略大于垂直钢球的直径，深度大于垂直钢球的半径，小于垂直钢球的直径；四个底面定位盲孔的直径和深度相同；
所述侧定位盲孔的直径略大于水平钢球的直径，深度大于水平钢球的半径，小于水平钢球的直径；与四个以上的水平钢球对应的侧定位盲孔的直径和深度相同。
所述传感器本体顶面中部设有正方形凹槽，正方形凹槽内设有立方形的测力平台；正方形凹槽内的每一侧壁上均布开设有二个水平通孔。所述垂直一维力传感器和水平一维力传感器相同，均为电阻式测力传感器或电感式测力传感器或电容式测力传感器或压电式测力传感器。本发明所述的三维力指的是相互垂直的三个力，即沿某个空间直角坐标系的三个坐标轴方向的力。本发明的积极效果是用12只普通的一维力传感器组合成三维力传感器，结构简单，对制造技术要求低。测量 三维力时维间耦合较�。捎谝晃Υ衅骺梢源锏胶芨呔龋蚨痉⒚髟诓饬咳κ笨苫竦媒细呔�。
图I是本发明结构示意图。图2是图I的B-B剖视图。上图中序号传感器本体I、测力平台2、正方形凹槽3、垂直调整螺钉11、垂直一维力传感器12、垂直钢球13、底面定位盲孔14、垂直通孔15、水平调整螺钉21、水平一维力传感器22、水平钢球23、侧定位盲孔24、水平通孔25。
具体实施例方式下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。实施例
参见图1，一种三维力传感器包括立方体的传感器本体1，传感器本体I顶面中部开设有正方形凹槽3，正方形凹槽3内设有测力平台2。参见图2，传感器本体I的正方形凹槽3底部均布开设有尺寸相同的四个垂直通孔15，四个垂直通孔15的轴线相互平行，且垂直于正方形凹槽3 ;垂直通孔15的下部为垂直螺纹孔，与垂直螺纹孔配合装有垂直调整螺钉11，每只垂直调整螺钉11的上部的垂直螺纹孔内依次向上设有垂直一维力传感器12和垂直钢球13，与每只垂直钢球对应的测力平台底面开设有底面定位盲孔14，每只垂直钢球13的大部分对应位于相应的底面定位盲孔14内。正方形凹槽3的每侧内壁上均布开设有二个水平通孔25，八个水平通孔25的轴线在同一平面内，且与四个垂直通孔15相垂直；每个水平通孔25的外端为水平螺纹孔，与水平螺纹孔配合装有水平调整螺钉21，水平调整螺钉21的内端依次安装有水平一维力传感器22和水平钢球23，与每只水平钢球23对应的测力平台侧面开设有侧定位盲孔24，每只水平钢球23的大部分对应位于相应的侧定位盲孔24内。侧定位盲孔24的直径略大于水平钢球23的直径，深度大于水平钢球23的半径；与八个水平钢球23对应的侧定位盲孔24的直径和深度相同。垂直一维力传感器12和水平一维力传感器22相同，均为电阻式测力传感器。也可以采用电感式测力传感器或电容式测力传感器或压电式测力传感器。工作时，将测力平台2的表面调整到水平位置，为了确保每个垂直一维力传感器和水平一维力传感器与测力平台2之间都可靠接触，可调整每个正对测力平台2侧面的水平一维力传感器使其达到某个预设的初始压紧力；调整正对测力平台2底面的4个垂直一维力传感器，使每个传感器所受的压力相等。
上述机构组成的三维力传感器中，正对测力平台2的两个相邻表面的一维力传感器测力方向相互正交，12个一维力传感器的测力方向分别沿三个相互垂直的方向，以这三个相互垂直的方向可构建一个空间直角坐标系，例如在图I和图2中，设构建的三维直角坐标系为0-X-Y-Z，其中XOY坐标面与设置在测力平台2前后左右四个侧面上的8个水平钢球23的球心所在的平面重合，X轴与测力平台2前后侧面垂直，Y轴与测力平台2左右侧面垂直，Z轴与测力平台2表面垂直并通过测力平台2表面的几何中心向上，当外力作用在测力平台2上时，根据力的分解原理，作用在测力平台2上的外力可以分解成沿三维坐标轴X、Y、Z方向的三个分力，这三个分力可以被布置在测力平台2侧面以及下面的一维力传感器测出。由于钢球与接触平面之间的滚动摩擦力很�。智虼菡沽κ保Σ亮Χ云渌较虻姆至Σ挠跋旌苄。虼宋漶詈闲。饬烤雀�。测力时，在工作台上没有外力作用时，将此时的各个一维力传感器的读数值设置 为零；当工作台上作用一个外力时，布置在测力平台2下面的四只垂直一维力传感器12的读数的代数和为工作台上外力沿Z轴方向的分力，布置在测力平台2前后面两侧的四只水平一维力传感器22的读数的代数和为工作台上外力沿X轴方向的分力，布置在测力平台2左右面两侧的四只水平一维力传感器22的读数的代数和为工作台上外力沿Y轴方向的分力。
权利要求
1.一种三维力传感器，其特征在于包括立方体的传感器本体，传感器本体顶面中部设有凹槽，凹槽内设有测力平台；传感器本体的凹槽底部均布开设有尺寸相同的四个垂直通孔，四个垂直通孔的轴线相互平行，且垂直于正方形凹槽；所述垂直通孔的下部为垂直螺纹孔，与垂直螺纹孔配合设有垂直调整螺钉，所述每只垂直调整螺钉的上部的垂直螺纹孔内依次向上设有垂直一维力传感器和垂直钢球，与每只垂直钢球对应的测力平台底面开设有底面定位盲孔，每只垂直钢球的大部分对应位于相应的底面定位盲孔内；所述凹槽的侧壁上均布开设有四个以上的水平通孔，四个以上的水平通孔的轴线在同一平面内，且与四个垂直通孔相垂直；每个水平通孔的外端为水平螺纹孔，与水平螺纹孔配合设有水平调整螺钉，所述水平调整螺钉的内端依次设有水平一维力传感器和水平钢球，与每只水平钢球对应的测力平台侧面开设有侧定位盲孔，每只水平钢球的大部分对应位于相应的侧定位盲孔内； 所述每个底面定位盲孔的直径略大于垂直钢球的直径，深度大于垂直钢球的半径，小于垂直钢球的直径；四个底面定位盲孔的直径和深度相同； 所述侧定位盲孔的直径略大于水平钢球的直径，深度大于水平钢球的半径，小于水平钢球的直径；与四个以上的水平钢球对应的侧定位盲孔的直径和深度相同。
2.根据权利要求I所述的一种三维力传感器，其特征在于所述传感器本体顶面中部设有正方形凹槽，正方形凹槽内设有立方形的测力平台；正方形凹槽内的每一侧壁上均布开设有二个水平通孔。
3.根据权利要求I所述的一种三维力传感器，其特征在于所述垂直一维力传感器和水平一维力传感器相同，均为电阻式测力传感器或电感式测力传感器或电容式测力传感器或压电式测力传感器。
全文摘要
本发明涉及一种三维力传感器。包括传感器本体，其顶面中部设有凹槽，凹槽内设有测力平台；凹槽底部均布开设有尺寸相同的四个垂直通孔；每个垂直通孔的下部配合设有垂直调整螺钉，垂直螺纹孔内还设有垂直一维力传感器和垂直钢球，与每只垂直钢球对应的测力平台底面开设有底面定位盲孔，每只垂直钢球的大部分对应位于底面定位盲孔内；所述凹槽的侧壁上均布开设有四个以上的水平通孔；每个水平通孔的外端配合设有水平调整螺钉，水平通孔内还依次设有水平一维力传感器和水平钢球，与每只水平钢球对应的测力平台侧面开设有侧定位盲孔，水平钢球的大部分对应位于侧定位盲孔内。本发明用12只普通的一维力传感器组合成三维力传感器，结构简单，对制造技术要求低。
文档编号G01L9/00GK102636297SQ20121011765
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者何嘉林, 吴谦, 张文伟, 王学琪, 谢国晖, 黄斌 申请人:合肥工业大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
