本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域,更具體地說(shuō)是能夠?qū)崿F(xiàn)法向力分布的測(cè)量以及切向力的測(cè)量的測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
背景技術(shù):
現(xiàn)有技術(shù)中,力傳感器的種類(lèi)很多,主要有壓阻式、電容式、壓電式等。不同的力傳感器具有不同的優(yōu)缺點(diǎn),具有代表性的是stewart六維力傳感器,可以進(jìn)行六維力的測(cè)量。而對(duì)于同一平面的多個(gè)不確定的力的測(cè)量,目前主要的方法是在這個(gè)平面上黏附多個(gè)微小的壓力傳感器來(lái)確定多個(gè)力的分布位置和大小。壓力分布測(cè)量傳感器的典型代表有采用電容傳感技術(shù)的Xsensor壓力測(cè)量系統(tǒng)、采用壓阻傳感技術(shù)的Tekscan壓力分布測(cè)量系統(tǒng)和采用壓電電阻壓力傳感技術(shù)的FSA(Force Sensing Array)壓力測(cè)試系統(tǒng),這些傳感器都需要由成千個(gè)微小壓力傳感器組成,每個(gè)傳感器單元只能測(cè)一個(gè)法向力的大小,位置精度由各個(gè)傳感器單元的面積決定,而當(dāng)位置精度要求越高,微小壓力傳感器單元的體積必須越小,成本更高,同時(shí),這類(lèi)傳感器對(duì)于切向力無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處,提供一種可測(cè)法向力分布及切向力的測(cè)量裝置,以便能測(cè)量獲得作用在平板上的一個(gè)或兩個(gè)法向力的大小和位置,并且,可進(jìn)一步測(cè)量切向力。
本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明可測(cè)法向力分布及切向力的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:由平板、四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的支撐梁和端梁構(gòu)成;
所述平板為矩形板件,在所述測(cè)力單元中建立三維坐標(biāo)系,是以平板的底面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),沿平板的長(zhǎng)度方向?yàn)閄向,沿平板的寬度方向?yàn)閅向,沿平板的厚度方向?yàn)閆向,支撐梁和端梁設(shè)置在平板的底面用于對(duì)平板形成Z向支撐;四個(gè)支撐梁沿X向設(shè)置,且兩兩對(duì)稱(chēng)分布在平板的四角位置上;令四個(gè)支撐梁中任一支撐梁為第一梁,與第一梁處在對(duì)角位置的為第四梁,與第一梁相鄰位置上的分別是第二梁和第三梁;在各支撐梁的首端與所述支撐梁呈“T”型連接形成雙端支撐的“T”型端梁,或呈“L”型連接形成懸臂式支撐的“L”型端梁,與所述第一梁、第二梁,第三梁和第四梁一一對(duì)應(yīng)設(shè)置的各端梁分別是第一端梁、第二端梁、第三端梁和第四端梁;各端梁端部呈豎向與平板固定連接,各支撐梁的末端為固定端;
在所述支撐梁及端梁上分別設(shè)置應(yīng)變片,以所述應(yīng)變片的檢測(cè)信號(hào)為測(cè)力單元輸出信號(hào)。
本發(fā)明可測(cè)法向力分布及切向力的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于:在所述各支撐梁上設(shè)置一沿Y向貫通支撐梁的雙通孔,所述雙通孔是在不同X向位置上的兩只單孔相并列且相連通,令:兩只單孔中處在支撐梁首端一側(cè)的單孔為首端孔,處在支撐梁末端一側(cè)的單孔為末端孔。
本發(fā)明可測(cè)法向力分布及切向力的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于:
設(shè)置在支撐梁上的應(yīng)變片分處在對(duì)應(yīng)于首端孔和末端孔的中心線所在位置的支撐梁的下表面和上表面,并沿X軸向設(shè)置,包括:
第一梁上,對(duì)應(yīng)于首端孔在第一梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R11和R12;
第一梁上,對(duì)應(yīng)于末端孔在第一梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R13和R14;
第二梁上,對(duì)應(yīng)于首端孔在第二梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R21和R22;
第二梁上,對(duì)應(yīng)于末端孔在第二梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R23和R24;
第三梁上,對(duì)應(yīng)于首端孔在第三梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R31和R32;
第三梁上,對(duì)應(yīng)于末端孔在第三梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R33和R34;
第四梁上,對(duì)應(yīng)于首端孔在第四梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R41和R42;
第四梁上,對(duì)應(yīng)于末端孔在第四梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R43和R44;
本發(fā)明可測(cè)法向力分布及切向力的測(cè)量裝置的測(cè)量方法的特點(diǎn)是:
利用應(yīng)變片R11和R12、R13和R14、R21和R22、R23和R24、R31和R32、R33和R34、R41和R42、R43和R44分別組成惠斯通半橋電路,并一一對(duì)應(yīng)獲得檢測(cè)信號(hào):U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41和U42;
所述檢測(cè)信號(hào)與平板表面壓力的數(shù)學(xué)模型為:C·F=M;
系數(shù)矩陣C是3×8的常數(shù)矩陣,3×8常數(shù)矩陣C通過(guò)對(duì)所述測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定而獲得;F為等效力向量,M為檢測(cè)信號(hào)向量,并有:
所述檢測(cè)信號(hào)向量M為檢測(cè)信號(hào)U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中任意三個(gè)組成的向量,每個(gè)支撐梁上最多選取一個(gè)檢測(cè)信號(hào),所述檢測(cè)信號(hào)向量M可以是:
式(1)中:Fz1為平板上的等效法向作用力,(x1,y1)為等效法向作用力Fz1在平板上的等效作用坐標(biāo);利用數(shù)學(xué)模型C·F=M,并根據(jù)所述檢測(cè)信號(hào)獲得等效于平板上的一個(gè)法向力的大小Fz1和位置(x1,y1);
或:
系數(shù)矩陣C是6×8的常數(shù)矩陣,6×8的常數(shù)矩陣C通過(guò)對(duì)所述測(cè)力單元進(jìn)行標(biāo)定而獲得;F為等效力向量,M為檢測(cè)信號(hào)向量,并有:
所述檢測(cè)信號(hào)向量M為U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中任意六個(gè)組成的向量,且每個(gè)支撐梁上最少選取一個(gè)檢測(cè)信號(hào),所述檢測(cè)信號(hào)向量可以是:
式(2)中,F(xiàn)z1和Fz2為平板上兩個(gè)不同位置上的等效法向作用力,(x1,y1)和(x2,y2)一一對(duì)應(yīng)為Fz1和Fz2在平板上的等效作用坐標(biāo)點(diǎn);
利用數(shù)學(xué)模型C·F=M,并根據(jù)檢測(cè)信號(hào),獲得等效于平板上兩個(gè)法向力的大小Fz1和Fz2,以及位置:(x1,y1)、(x2,y2)。
本發(fā)明測(cè)量方法的特點(diǎn)也在于:
針對(duì)“T”型端梁在各“T”型端梁的兩端對(duì)稱(chēng)設(shè)置沿Z向貫通支撐梁的端梁通孔,分別是內(nèi)側(cè)端梁通孔和外側(cè)端梁通孔;所述端梁通孔為圓形單孔、或橢圓形單孔、或腰型孔、或兩只圓形單孔相互連通;設(shè)置在“T”型端梁上的應(yīng)變片包括:第一端梁上、對(duì)應(yīng)于第一端梁上內(nèi)側(cè)端梁?jiǎn)瓮姿谖恢茫⒊虻谝欢肆旱闹行钠x、分處在第一端梁的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R51和R52;第四端梁上、對(duì)應(yīng)于第四端梁上內(nèi)側(cè)端梁?jiǎn)瓮姿谖恢茫⒊虻谒亩肆旱闹行钠x、分處在第四端梁的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R53和R54;所述應(yīng)變片R51、R52、R53和R54沿Y向設(shè)置,構(gòu)成一組惠斯通全橋電路,用于檢測(cè)X軸方向的力Fx;
針對(duì)“L”型端梁,在各“L”型端梁上設(shè)置沿Z向貫通支撐梁的端梁通孔,所述端梁通孔為圓形單孔、或橢圓形單孔、或腰型孔、或兩只圓形單孔相互連通;設(shè)置在“L”型端梁上的應(yīng)變片包括:第一端梁上、對(duì)應(yīng)于第一端梁上端梁通孔所在位置,并朝向第一端梁的中心偏離、分處在第一端梁的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R51和R52;第四端梁上、對(duì)應(yīng)于第四端梁上端梁通孔所在位置,并朝向第四端梁的中心偏離、分處在第四端梁的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R53和R54;
所述應(yīng)變片R51、R52、R53和R54沿Y向設(shè)置,構(gòu)成一組惠斯通全橋電路,用于檢測(cè)X軸方向的力Fx。
本發(fā)明測(cè)量方法的特點(diǎn)也在于:在所述各支撐梁的末端設(shè)置一沿Z向貫通支撐梁的末端單孔;設(shè)置在支撐梁上的應(yīng)變片也包括:第一梁上、對(duì)應(yīng)于第一梁上末端單孔所在位置,并朝向遠(yuǎn)離第一梁首端的方向偏離末端通孔的中心、分處在第一梁的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R61和R62;第四梁上、對(duì)應(yīng)于第四梁上末端單孔所在位置,并朝向遠(yuǎn)離第四梁首端的方向偏離末端通孔的中心、分處在第四梁的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R63和R64;所述應(yīng)變片R61、R62、R63和R64沿X軸向設(shè)置,構(gòu)成一組惠斯通全橋電路,用于檢測(cè)Y軸方向的力Fy。
與已有技術(shù)相比,本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
1、本發(fā)明能夠通過(guò)測(cè)量獲得作用在平板上的一個(gè)或兩個(gè)法向力的大小和位置;
2、本發(fā)明能夠多個(gè)組合實(shí)用,并且通過(guò)改變平板的長(zhǎng)寬比例應(yīng)用于各種適用的場(chǎng)合;
3、本發(fā)明能夠通過(guò)測(cè)量獲得作用在平板上的切向力的大小和方向,并且兩個(gè)互相垂直的切向力分開(kāi)測(cè)量,具有很好的解耦性能;
4、本發(fā)明通過(guò)在梁上設(shè)置通孔,使應(yīng)變集中在應(yīng)變片的檢測(cè)區(qū)域,能極大地提高檢測(cè)靈敏度,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于加工。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2a為圖1所示結(jié)構(gòu)中下表面的應(yīng)變片位置示意圖;
圖2b為圖1所示結(jié)構(gòu)中上表面的應(yīng)變片位置示意圖;
圖3為本發(fā)明另一實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4a為圖3所示結(jié)構(gòu)中下表面的應(yīng)變片位置示意圖;
圖4b為圖3所示結(jié)構(gòu)中上表面的應(yīng)變片位置示意圖;
圖5為本發(fā)明又一實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6a為圖5所示結(jié)構(gòu)中下表面的應(yīng)變片位置示意圖;
圖6b為圖5所示結(jié)構(gòu)中上表面的應(yīng)變片位置示意圖;
圖7為本發(fā)明又一實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8a為圖7所示結(jié)構(gòu)中下表面的應(yīng)變片位置示意圖;
圖8b為圖7所示結(jié)構(gòu)中上表面的應(yīng)變片位置示意圖
圖中標(biāo)號(hào):1平板,2支撐梁,3雙通孔,4為“T”型端梁,5端梁通孔,6末端單孔,7為“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。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1、圖3、圖5和圖7,本實(shí)施例中可測(cè)法向力分布及切向力的測(cè)量裝置是由平板1、四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的支撐梁2和端梁4構(gòu)成。
平板1為矩形板件,在測(cè)力單元中建立三維坐標(biāo)系,是以平板1的底面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),沿平板1的長(zhǎng)度方向?yàn)閄向,沿平板1的寬度方向?yàn)閅向,沿平板1的厚度方向?yàn)閆向,支撐梁2和端梁4設(shè)置在平板1的底面用于對(duì)平板1形成Z向支撐;四個(gè)支撐梁2沿X向設(shè)置,且兩兩對(duì)稱(chēng)分布在平板1的四角位置上;令四個(gè)支撐梁2中任一支撐梁為第一梁1a,與第一梁1a處在對(duì)角位置的為第四梁4a,與第一梁1a相鄰位置上的分別是第二梁2a和第三梁3a。
具體實(shí)施中,如圖1和圖3所示,在各支撐梁2的首端與支撐梁2呈“T”型連接形成雙端支撐的“T”型端梁4,或是如圖5和圖7所示,在各支撐梁2的首端與支撐梁2呈“L”型連接形成懸臂式支撐的“L”型端梁7。與第一梁1a、第二梁2a,第三梁3a和第四梁4a一一對(duì)應(yīng)設(shè)置的各端梁分別是第一端梁1b、第二端梁2b、第三端梁3b和第四端梁4b;各端梁4端部呈豎向與平板1固定連接,各支撐梁2的末端為固定端;在支撐梁2及端梁4上分別設(shè)置應(yīng)變片,以應(yīng)變片的檢測(cè)信號(hào)為測(cè)力單元輸出信號(hào)。
具體實(shí)施中,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也包括:
如圖1、圖3、圖5和圖7所示,在各支撐梁2上設(shè)置一沿Y向貫通支撐梁2的雙通孔3,雙通孔3是在不同X向位置上的兩只單孔相并列且相連通,令:兩只單孔中處在支撐梁首端一側(cè)的單孔為首端孔,處在支撐梁末端一側(cè)的單孔為末端孔。
如圖2a、圖2b、圖4a、圖4b、圖6a、圖6b、圖8a以及圖8b所示,設(shè)置在支撐梁2上的應(yīng)變片分處在對(duì)應(yīng)于首端孔和末端孔的中心線所在位置的支撐梁的下表面和上表面,并沿X軸向設(shè)置,包括:
第一梁1a上,對(duì)應(yīng)于首端孔在第一梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R11和R12;
第一梁1a上,對(duì)應(yīng)于末端孔在第一梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R13和R14;
第二梁2a上,對(duì)應(yīng)于首端孔在第二梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R21和R22;
第二梁2a上,對(duì)應(yīng)于末端孔在第二梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R23和R24;
第三梁3a上,對(duì)應(yīng)于首端孔在第三梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R31和R32;
第三梁3a上,對(duì)應(yīng)于末端孔在第三梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R33和R34;
第四梁4a上,對(duì)應(yīng)于首端孔在第四梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R41和R42;
第四梁4a上,對(duì)應(yīng)于末端孔在第四梁的下表面和上表面分別設(shè)置應(yīng)變片R43和R44;
利用應(yīng)變片R11和R12、R13和R14、R21和R22、R23和R24、R31和R32、R33和R34、R41和R42、R43和R44分別組成惠斯通半橋電路,并一一對(duì)應(yīng)獲得檢測(cè)信號(hào):U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41和U42;
檢測(cè)信號(hào)與平板表面壓力的數(shù)學(xué)模型為:C·F=M;
系數(shù)矩陣C是3×8的常數(shù)矩陣,3×8常數(shù)矩陣C通過(guò)對(duì)所述測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定而獲得;F為等效力向量,M為檢測(cè)信號(hào)向量,并有:
檢測(cè)信號(hào)向量M為檢測(cè)信號(hào)U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中任意三個(gè)組成的向量,每個(gè)支撐梁2上最多選取一個(gè)檢測(cè)信號(hào),檢測(cè)信號(hào)向量M可以是:
式(1)中:Fz1為平板1上的等效法向作用力,(x1,y1)為等效法向作用力Fz1在平板1上的等效作用坐標(biāo);利用數(shù)學(xué)模型C·F=M,并根據(jù)檢測(cè)信號(hào)獲得等效于平板1上的一個(gè)法向力的大小Fz1和位置(x1,y1)。
或是:系數(shù)矩陣C是6×8的常數(shù)矩陣,6×8的常數(shù)矩陣C通過(guò)對(duì)測(cè)力單元進(jìn)行標(biāo)定而獲得;F為等效力向量,M為檢測(cè)信號(hào)向量,并有:
檢測(cè)信號(hào)向量M為U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41、U42中任意六個(gè)組成的向量,且每個(gè)支撐梁2上最少選取一個(gè)檢測(cè)信號(hào),檢測(cè)信號(hào)向量可以是:
式(2)中,F(xiàn)z1和Fz2為平板上兩個(gè)不同位置上的等效法向作用力,(x1,y1)和(x2,y2)一一對(duì)應(yīng)為Fz1和Fz2在平板上的等效作用坐標(biāo)點(diǎn);利用數(shù)學(xué)模型C·F=M,并根據(jù)檢測(cè)信號(hào),獲得等效于平板上兩個(gè)法向力的大小Fz1和Fz2,以及位置:(x1,y1)、(x2,y2)。
如圖1和圖3所示,針對(duì)“T”型端梁4在各“T”型端梁4的兩端對(duì)稱(chēng)設(shè)置沿Z向貫通支撐梁2的端梁通孔5,分別是內(nèi)側(cè)端梁通孔和外側(cè)端梁通孔;端梁通孔5為圓形單孔、或橢圓形單孔、或腰型孔、或兩只圓形單孔相互連通;設(shè)置在“T”型端梁4上的應(yīng)變片包括:第一端梁1b上、對(duì)應(yīng)于第一端梁1b上內(nèi)側(cè)端梁?jiǎn)瓮姿谖恢茫⒊虻谝欢肆?b的中心偏離、分處在第一端梁1b的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R51和R52;第四端梁4b上、對(duì)應(yīng)于第四端梁4b上內(nèi)側(cè)端梁?jiǎn)瓮姿谖恢?,并朝向第四端?b的中心偏離、分處在第四端梁4b的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R53和R54;將應(yīng)變片R51、R52、R53和R54沿Y向設(shè)置,構(gòu)成一組惠斯通全橋電路,用于檢測(cè)X軸方向的力Fx。
如圖5和圖7所示,針對(duì)“L”型端梁7,在各“L”型端梁7上設(shè)置沿Z向貫通支撐梁2的端梁通孔,端梁通孔為圓形單孔、或橢圓形單孔、或腰型孔、或兩只圓形單孔相互連通;設(shè)置在“L”型端梁7上的應(yīng)變片包括:第一端梁1b上、對(duì)應(yīng)于第一端梁1b上端梁通孔所在位置,并朝向第一端梁1b的中心偏離、分處在第一端梁1b的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R51和R52;第四端梁4b上、對(duì)應(yīng)于第四端梁4b上端梁通孔所在位置,并朝向第四端梁4b的中心偏離、分處在第四端梁4b的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R53和R54;將應(yīng)變片R51、R52、R53和R54沿Y向設(shè)置,構(gòu)成一組惠斯通全橋電路,用于檢測(cè)X軸方向的力Fx。
為實(shí)現(xiàn)Y軸方向的力Fy的檢測(cè),在各支撐梁2的末端設(shè)置一沿Z向貫通支撐梁2的末端單孔6;設(shè)置在支撐梁2上的應(yīng)變片也包括:第一梁1a上、對(duì)應(yīng)于第一梁1a上末端單孔所在位置,并朝向遠(yuǎn)離第一梁首端的方向偏離末端通孔的中心、分處在第一梁1a的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R61和R62;第四梁4a上、對(duì)應(yīng)于第四梁4a上末端單孔所在位置,并朝向遠(yuǎn)離第四梁首端的方向偏離末端通孔的中心、分處在第四梁4a的內(nèi)表面和外表面的應(yīng)變片R63和R64;應(yīng)變片R61、R62、R63和R64沿X軸向設(shè)置,構(gòu)成一組惠斯通全橋電路,用于檢測(cè)Y軸方向的力Fy。
通過(guò)組合多個(gè)該裝置,可用于測(cè)量垂直于平板的壓力分布情況,并可以測(cè)量切向力的大??;也可以通過(guò)調(diào)整裝置的尺寸,使其適用于不同的場(chǎng)合。