本實(shí)用新型屬于傳感器技術(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。

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：

本實(shí)用新型是為避免上述現(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。

本實(shí)用新型為解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案：

本實(shí)用新型可測(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)。

本實(shí)用新型可測(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。

本實(shí)用新型可測(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(xiàn)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。

與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益效果體現(xiàn)在：

1、本實(shí)用新型能夠通過(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、本實(shí)用新型能夠多個(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、本實(shí)用新型能夠通過(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、本實(shí)用新型通過(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為本實(shí)用新型結(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為本實(shí)用新型另一實(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為本實(shí)用新型又一實(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為本實(shí)用新型又一實(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(xiàn)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：F_z1為平板1上的等效法向作用力，(x₁，y₁)為等效法向作用力F_z1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F_z1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F_z2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F_z1和F_z2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F_z1和F_z2，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?，并朝向第一端?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F_x。

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F_x。

為實(shí)現(xiàn)Y軸方向的力F_y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F_y。

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。