專利名稱：三維小量程力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的三維小量程力傳感器，屬于力學測試技術和傳感器應用技術領域， 涉及小動物足掌接觸力測試技術。
背景技術：
樹蛙具有在樹上和豎直的墻壁上飛快、自由的、靈活的爬行的能力，深入研
究樹蛙足掌吸盤的吸附、脫附機理和樹蛙的爬行規(guī)律，為研制仿生吸附材料、仿
生爬壁機器人及工作于各種復雜環(huán)境下的其他特種機器人提供理論儂據(jù)。同時研
究動物運動，動物腳掌與爬行表面之間的接觸力是最重要的信息之一?？梢越沂?br> 動物在復雜環(huán)境下運動的規(guī)律，為設計出能適應各種工況的機器人，提供運動機
構、步態(tài)等方面的仿生力學資料。
2002年，中國科學院合肥智能研究所的方立、孫怡寧、王理麗研制了一種新
型的電阻應變式三維力傳感器，該傳感器具有靈敏度高，維間耦合小等優(yōu)點，量
程大決定了應用于拳擊、跆拳道這樣的竟技體育訓練中，能準確、實時地反映運
動員擊打目標時力的大小和方向、時間間隔、打擊部位精確與否，教練員能夠根
據(jù)這些數(shù)據(jù)指導運動員進行科學訓練。
2003年，南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所研制的專利號為
200310106299. 0的倒"L"型三維微載荷測力陣列系統(tǒng)，用于測量黃斑蠢、蜜蜂
等爬壁生物腳掌與接觸表面接觸時的三維微接觸力，測力范圍為-0. 01N-0.01N。 2003年，北京科技大學的徐義和山東科技學院的于岱峰、宋春寧用瑞士
Kistler公司生產(chǎn)的92811-B三維測力平臺、Kistlerg8SlA-5電子放大器、測力數(shù)
據(jù)軟件分析系統(tǒng)構建了MBFMAS (Motion Body 3-D Force-Measur ing Analyzing
System),可用于適用于運動生物力學教學和科研的測試分析系統(tǒng)，由于購買國
外產(chǎn)品，系統(tǒng)總體成本較高。
2006年，南京南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所研制的專利號為200610041133. 9的L型三維力傳感器，兼顧剛度和靈敏度的情況下，可以實時測 量1.SN以下的三維接觸力，維間耦合小，主要用于壁虎爬行時的接觸力測試。
由于樹蛙體重明顯大于黃斑蠢、蜜蜂，平穩(wěn)爬行時單足掌接觸力約為幾百毫 牛，而樹蛙在爬行過程中突然跳躍的情況下最大接觸力為3N。因此為了實時、準 確的測量活體樹蛙爬行時產(chǎn)生的三維接觸力，綜合考慮傳感器的測力范圍，維數(shù) 以及成本等因素，現(xiàn)有的力傳感器存在著種種不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種各維量程在0-5N的三維小量程力傳感器?？梢杂脕頊y試小 動物爬行時足掌接觸力，可以精確實時的測量樹蛙爬行時腳掌與接觸平面的 X,Y,Z方向的力，以解決現(xiàn)有技術的不足。
一種三維小量程力傳感器，其特征在于
整體結構由"占'形彈性體和固定基座組成，其中彈性體包括中心豎直梁、 兩個外側豎直梁，以及連接中心豎直梁和兩個外側豎直梁的水平梁，兩個外側豎 直梁與固定基座相連；其中，兩個外側豎直梁靠近固定基座附近的一端各開有Z 方向的矩形通孔，兩通孔對稱設置；其中，水平梁靠近中心豎直梁中軸線附近開 有Z方向的矩形通孔，兩通孔對稱設置；其中，中心豎直梁靠近水平梁的一端開 有X方向的方型通孔；上述兩個外側豎直梁上的兩個通孔的薄壁外側，靠近基座 端貼有電阻應變片，共四片應變片組成第一組惠斯登全橋電橋；上述水平梁上的 兩個通孔的薄壁外側，靠近外惻豎直梁的一端的分別貼有電阻應變片，共四片應 變片組成第二組惠斯登全橋電橋；上述中心豎直梁上的通孔兩端于薄壁外側各貼 有電阻應變片，共四片應變片組成第三組惠斯登全橋電橋。
有益效果
上述結構中采用彈性體梁局部開矩形通孔的方式對彈性體進行局部削弱，使 彈性體梁局部應力(應變)水平明顯提高，而傳感器的整體剛度基本不變，這樣就 保證了傳感器在保證剛度條件下，大大提高了靈敏度；由于矩形通孔的不同方向、 貼于特定位置的電阻應變片組成相應的3組惠斯登全橋電橋，這樣就使得傳感器
不同位置只對不同方向的力敏感，也就是施加單維力時只有一組橋路敏感，而其 他兩組則很不敏感，這樣就保證了傳感器維間耦合很小。本發(fā)明的三維小量程力傳感器結構簡單，安裝方便，靈敏度高，整體剛度大， 維間耦合小、固有頻率高等特點，量程為0-5N,分辨率為lmN。三維小量程力傳 感器與信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)釆集卡，PC機以及編寫的測試軟件，這樣就構建了 三維力學測試系統(tǒng)。傳感器的中心豎直梁上端面為受力位置，在仿生研究方面， 通過豎直梁上端面剛性連接一塊有機玻璃來加大測試面積，用于測試大樹蛙足掌 接觸力，還可對各種小動物或昆蟲的接觸力進行測量；同時還可用于測試動態(tài)的 摩擦力。


圖1是三維小量程力傳感器結構主視圖； 圖2是三維小量程力傳感器結構左視圖； 圖3是惠斯登全橋測量電路； 圖4是力學測試系統(tǒng)構成；
圖中的標號名稱1、 2為外側豎直梁，3為水平梁，4為中心豎直梁，5、 6、 7、 8、 9為矩形通孔，10、 11、 12、 13 、 14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 21為電阻應變片，22為固定基座，23為螺孔，24、受力面。
具體實施例方式
如圖l、圖2所示，本發(fā)明設計的三維小量程力傳感器的整體結構由"A' 形彈性體和形的固定基座組成，材料為硬鋁合金LY12。彈性體結構是由 彈性體梁1, 2， 3, 4組成，外側豎直梁1和2與固定基座22相連，水平梁3 與外側豎直梁l， 2相連，水平梁3中心位置連有與之相垂直的中心豎直梁4， 四根彈性梁組成了 " 形結構。在外側豎直梁1和2靠近固定基座22附近的 一端對稱開有Z方向的矩形通孔5和6,于10、 11、 12、 13位置粘貼有電阻應 變片，構成第一組惠斯登全橋測量電路，當垂直中心梁4頂部作用X方向的力時， 第一組惠斯登全橋測量電路IO、 11、 12、 13可以檢測出X方向的力的大小；水 平梁3靠近中心豎直梁4中軸線附近對稱開有Z方向的矩型通孔7和8,于14、 15、 16、 17位置粘貼有電阻應變片，構成第二組惠斯登全橋測量電路，當垂直 中心梁4頂部作用Y方向的力時，第二組惠斯登全橋測量電路14、 15、 16、 17可以檢測出Y方向的力的大??；中心豎直梁4靠近水平梁3的一端開有X方向的 矩型通孔9，于18、 19、 20、 21位置粘貼有電阻應變片，構成第三組惠斯登全橋 測量電路，當垂直中心梁4頂部作用Z方向的力時，第二組惠斯登全橋測量電路 18、 19、 20、 21可以檢測出Z方向的力的大?。蛔詈笸ㄟ^固定基座22上的 一系 列螺孔23將彈性體固定在工作平臺上。
三維小量力傳感器上的電阻應變片的阻值變化轉(zhuǎn)變成電壓變化的輸出，根據(jù) 電阻應變片受拉、受壓的變化，采用圖3所示的應變式橋式電路。電路中R" R2、 R3、 R4為應變片電阻，對應關系為R,、 f^與R,、 R3變化相反。
權利要求
1、一種三維小量程力傳感器，其特征在于整體結構由 id="icf0001" file="A2008101244240002C1.tif" wi="7" he="4" top= "39" left = "53" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>形彈性體和固定基座組成，其中彈性體包括中心豎直梁(4)、兩個外側豎直梁(1)、(2)、以及連接中心豎直梁和兩個外側豎直梁的水平梁(3)，兩個外側豎直梁與固定基座相連；其中，兩個外側豎直梁(1)、(2)靠近固定基座附近的一端各開有Z方向的矩形通孔(5)、(6)，兩通孔對稱設置；其中，水平梁(3)靠近中心豎直梁(4)中軸線附近開有Z方向的矩形通孔(7)、(8)，兩通孔對稱設置；其中，中心豎直梁(4)靠近水平梁(3)的一端開有X方向的矩形通孔(9)；上述兩個外側豎直梁上的兩個通孔(5)、(6)的薄壁外側，靠近基座端貼有電阻應變片(10)、(11)、(12)、(13)，共四片應變片組成第一組惠斯登全橋電橋；上述水平梁(3)上的兩個通孔(7)、(8)的薄壁外側，靠近外側豎直梁(1)、(2)的一端的分別貼有電阻應變片(14)、(15)、(16)、(17)，共四片應變片組成第二組惠斯登全橋電橋；上述中心豎直梁(4)上的通孔(9)兩端于薄壁外側各貼有電阻應變片(18)、(19)、(20)、(21)，共四片應變片組成第三組惠斯登全橋電橋。
全文摘要
一種三維小量程力傳感器，屬于力學測試技術和傳感器應用技術領域。其整體結構由“”形彈性體和固定基座組成。其中，兩外側豎直梁(1)、(2)上靠近固定基座附近開有Z向矩形通孔(5)、(6)；水平梁(3)上靠近中心豎直梁(4)開有Z向矩形通孔(7)、(8)；中心豎直梁(4)上靠近水平梁(3)開有X向矩形通孔(9)；上述兩外側豎直梁上的兩個通孔薄壁外側共貼四片應變片；上述水平梁(3)上的兩個通孔薄壁外側共貼四片應變片；上述中心豎直梁(4)上的通孔(9)兩端于薄壁外側共四片應變片。共組成三組惠斯登全橋電橋。本發(fā)明各維量程在0-5N，可以用來測試小動物爬行時足掌接觸力。
文檔編號G01L1/22GK101319943SQ20081012442
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月4日 優(yōu)先權日2008年7月4日
發(fā)明者偉 李, 軍 王, 王衛(wèi)英 申請人:南京航空航天大學