[发明专利]一种可变增益的三维力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维力传感器，具体地涉及一种可变增益的三维力传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

自上世纪70年代问世以来，多维力传感器首先在智能机器人领域得到应用，近年来在航空航天、机械制造与装配、医学工程、汽车行业以及体育竞技等领域也得到了广泛的应用。

三维力传感器测量的是直角坐标三维空间的三个力分量（Fx,Fy,Fz），是多维力传感器中应用最广泛的一种。基于十字形弹性梁结构的应变式三维力传感器是该领域最常用的一种，它具有结构简单紧凑、灵敏度高、维间串扰小等优点。然而，随着对高性能三维力传感器的需求的增长，其灵敏度和刚度之间的矛盾所引起的局限也愈加凸显，即：高灵敏度的传感器刚度较小，不能测量大量程力；刚度高的传感器灵敏度较差，不能敏感微小的力值变化。

在实际应用中，高灵敏度只在较小量程范围内效果更明显，当所测力值较大时，同样的灵敏度的价值则被削弱了。因此，研制一种可变增益的三维力传感器，使得在一个小量程内，其应变保持对输入力值的高增益（高灵敏度），而在该量程之外到满量程之间，处于较低增益（低灵敏度）状态，则可以有效地克服灵敏度与刚度的矛盾，满足实际使用中大量程和高灵敏度的需求，从而具有很高的实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供一种可变增益的三维力传感器，使得在一个小量程内，应变保持对输入力值的高增益，而在该量程之外到满量程之间处于低增益，从而使得该传感器在满足实际测量需求的情况下，达到高灵敏度、大量程、小体积的融合。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种可变增益的三维力传感器，包括弹性体、固定于弹性体上方的上增益控制框架和固定于弹性体下方的下增益控制框架；所述的弹性体包括一个中心加载台、四个固定台、四根外浮动梁、四根内浮动梁以及四根弹性梁，其中，所述的四个固定台对称分布在中心加载台的四周；所述的四根外浮动梁将相邻的固定台两两相连；所述的四根内浮动梁位于对应的外浮动梁内侧并与所述的四根外浮动梁平行；所述的四根弹性梁分别从中心加载台的四个侧面的中心延伸出来并与所述内浮动梁相连；所述外浮动梁和内浮动梁高度相等，且对应的内浮动梁和外浮动梁之间设有间隙；该间隙的设置使得外浮动梁起到增益控制作用，该间隙的大小与实际所需的量程范围I有关，可以根据本领域技术人员公知的ANSYS有限元分析软件分析出量程I下的最大变形量以确定间隙大小。

所述的上增益控制框架和下增益控制框架形状相同，呈薄片状，平面形状为中心对称图形，上增益控制框架和下增益控制框架分别由四根上浮动梁和四根下浮动梁组成，四根上浮动梁和四根下浮动梁分别与四根弹性梁垂直，并与弹性梁之间在竖直方向上留有间隙，所述上增益控制框架和下增益控制框架围成大于中心加载台的正方形空槽，上浮动梁与弹性梁之间的间隙以及下浮动梁与弹性梁之间的间隙保证了上浮动梁和下浮动梁的增益控制作用，该间隙的大小与小与实际所需的量程范围I有关，可以根据本领域技术人员公知的ANSYS有限元分析软件分析出量程I下的最大变形量以确定间隙大小。

所述的弹性体呈整体式结构，且关于笛卡尔三维坐标轴对称，所述弹性体的每个固定台在中心设有通孔，且其靠近中心加载台的一角在上表面和下表面分别向内凹陷构成上框架固定台和下框架固定台，所述上框架固定台和下框架固定台围成的平面分别与上增益控制框架和下增益控制框架相适配。

所述上增益控制框架和下增益控制框架的四角设有四个固定孔，所述上框架固定台和下框架固定台的中心设置有与上增益控制框架和下增益控制框架的固定孔相匹配的螺纹孔，所述上增益控制框架和下增益控制框架通过所述固定孔与螺纹孔的配合固定在所述弹性体的固定台上。

其中，外浮动梁和内浮动梁之间的间隙、上浮动梁与弹性梁在竖直方向上的间隙、以及下浮动梁与弹性梁在竖直方向上的间隙，优选地可以为0.5mm-1mm。

作为优选，所述上浮动梁和下浮动梁可以设计成向中心加载台内移的型式，使上浮动梁和下浮动梁更靠近弹性梁根部。上浮动梁和下浮动梁与弹性梁根部的距离用于调节z方向加载时的增益变化，越靠近弹性梁根部，增益改变越明显。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：