氣浮式多維力傳感器的製作方法
2024-03-21 03:49:05
專利名稱：氣浮式多維力傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多維力測量裝置。
背景技術：
用於直接測量二維以上的力大多需要採用多維力傳感器，如三維力傳感器、六維力傳感 器等。現有的測量多維力或力矩的傳感器根據力的檢測方式不同可以分為測應變或應力的 應變片式；利用壓電效應的壓電元件式；用位移計測量負載產生的位移的差動變壓器式；電 容位移式等。但是，基於以上原理的多維力傳感器由於結構設計等方面的原因不可避免地都 存在維間耦合等問題，即被測量的力不僅使傳感器在力的方向上有輸出，而且使傳感器在與 力垂直的方向上也有輸出。為了提高測量精度需要消除或減少耦合對測量結果輸出的影響， 即對傳感器進行解耦。耦合與傳感器結構設計、加工精度、裝配精度、應變片的粘貼工藝以 及標定方法等諸多因數有關，不僅解耦複雜，而且迄今無法實現完全的解藕，各種解耦方法 都只能在一定精度上減少耦合的影響。耦合現象造成的誤差是現有多維力傳感器精度進一步 提高的主要障礙，完全不存在耦合的多維力傳感器至今未有相關報導。
實用新型內容
本實用新型是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種不存在維間耦合，因而 無需複雜的解耦過程，能有效提高測量精度的氣浮式多維力傳感器。 本實用新型解決技術問題採用如下技術方案
本實用新型氣浮式多維力傳感器的結構特點是設置矩形六面體浮板，對應於所述浮板的 每一個面，分別設置噴嘴，所述各噴嘴與浮板相對應的面構成噴嘴擋板式壓力傳感器，以各 噴嘴噴出的壓力氣體使矩形六面體浮板呈全懸氣浮，以所述各噴嘴承壓腔的壓力信號為檢測 輸出信號。
本實用新型氣浮式多維力傳感器的結構特點也在於
所述噴嘴按每兩隻為一組相對布置在浮板的上下兩側、左右兩側和前後兩側，各噴嘴的 軸線與作為其擋板的浮板板面垂直，相對設置的兩隻噴嘴處在同一軸線位置上，以處在同一
軸線位置上的兩個噴嘴的氣腔壓力差作為差動測量的檢測信號。
所述各氣浮噴嘴對稱布置在浮板的各拐角處，上下兩側位於四個拐角位置處各有一組， 左右兩側和前後兩側位於兩邊各有一組。
本實用新型氣浮式多維力傳感器的多維力測量方法是以所述各噴嘴的噴出的壓力氣體使矩形六面體浮板完全浮起，通過測量各噴嘴承壓腔的壓力變化，獲得作用在浮板上的沿坐 標軸X、 Y、 Z方向的外力或繞坐標軸X、 Y、 Z方向的外力矩。 與己有技術相比，本實用新型的有益效果體現在
本實用新型多維力傳感器及多維力測量方法在測量過程中，當浮板受到外力作用時將產 生微小的位移，從而改變相應位置處噴嘴與浮板之間的間隙大小，引起對應噴嘴承壓腔的壓 力變化。通過測量各噴嘴承壓腔內的壓力，可以計算出作用在浮板上的沿坐標軸X、 Y、 Z 方向的外力和繞坐標軸X、 Y、 Z方向的外力矩。顯然，與噴嘴產生的浮力垂直方向的力不 會引起該噴嘴承壓腔內壓力的變化，即不存在維間耦合現象，因而無須複雜的解耦過程，不 存在耦合現象引起的誤差。
圖1為本實用新型測量原理示意圖。 圖2為本實用新型立面結構示意圖。 圖3為本實用新型平面結構示意圖。 圖4為本實用新型中噴嘴檔板原理示意圖。 以下通過具體實施方式
，結合附圖對本實用新型作進一步說明。
具體實施方式
圖中標號l浮板、la浮板頂面、lb浮板底面、lc浮板左面、ld浮板右面、le浮板前 側、lf浮板後側、2a頂面噴嘴、2b底面噴嘴、2c左側噴嘴、2d右側噴嘴、2e前側噴嘴、2f 後側噴嘴、3工作檯、4噴嘴支架、5進氣口、 6承壓腔、7測壓口。
參見圖1，為實現六維力的測量，本實施例中設置矩形六面體浮板1，對應於浮板1的 每一個面，分別設置噴嘴，以各噴嘴與浮板相對應的面構成噴嘴擋板式壓力傳感器，並且， 作為擋板的浮板1在各噴嘴氣壓的作用下完全懸浮，以各噴嘴的氣腔壓力信號為檢測輸出信 號。
參見圖2、圖3和圖4，具體實施中的相應設置為
在浮板頂面la和浮板底面lb的四角位置上，各有一隻噴嘴，在浮板左面lc、浮板右面 ld、浮板前側le和浮板後側lf的每個面上，位於兩端各有一隻噴嘴，即共有四隻頂面噴嘴 2a、四隻底面噴嘴2b、兩隻左側噴嘴2c、兩隻右側噴嘴2d、兩隻前側噴嘴2e和兩隻後側噴 嘴2f，所有各噴嘴的軸線與對應作為其擋板的浮板1的板面相垂直。
如圖2和圖3所示，設置浮板相對的兩個面中對應位置上的兩隻噴嘴處在同一軸線位置
4上，以處在同一軸線位置上的兩個噴嘴的氣腔壓力之差作為差動測量的檢測信號。 測量方式如下-
通過浮板1的中心0建立坐標系如圖1所示。頂面噴嘴2a和底面噴嘴2b的作用力與Z 軸平行，其它各噴嘴的作用力在XOY平面內，且分別與X軸和Y軸平行。
設作用在浮板上的外力分解為沿各坐標軸的分力Fx、 Fy、 Fz、及繞各坐標軸的力矩 Mx、 My、 Mz;浮板每個拐角處與坐標軸平行的三個噴嘴作用於浮板上的浮力交匯於一點， 四個拐角處的交匯點分別為A、 B、 C、 D;在坐標系中，A、 B、 C、 D各點的坐標分別為A (1/2,-1/2,0)、 B (1/2,1/2,0)、 C (-1/2,-1/2,0)、 D (-1/2,1/2,0);作用在浮板上的外力引起的各噴 嘴作用在浮板上的力的變化量分別為
A點Fax (X軸方向)、Fay (Y軸方向)、Faz+ (Z軸正方向)、Faz— (Z軸負方向)； B點Fbx (X軸方向)、Fby (Y軸方向)、Fbz+ (Z軸正方向)、Fbz— (Z軸負方向)； C點Fcx (X軸方向)、Fey (Y軸方向)、Fcz+ (Z軸正方向)、Fez— (Z軸負方向)； D點Fdx (X軸方向)、Fdy (Y軸方向)、Fdz+ (Z軸正方向)、Fdz— (Z軸負方向)； 則各組噴嘴浮力之差為 Fcax=Fcx — Fax Fdbx二Fdx —Fbx Faby=Fay — Fby Fcdy=Fcy — Fdy Faz二 Faz+—Faz— Pbz= Fbz+ —Fbz— Fcz= Fcz+ — Fcz— Fdz= Fdz+ —Fdz— 於是
Fx= — (Fcax + Fdbx) (1)
Fy= — (F勿+ Fcdy) (2)
Fz= _(Faz + Fbz+Fcz+Fdz) (3)
Mx=(Faz+Fcz_Fbz—Fdz) 1/2 (4)
My= (Faz+Fbz—Fcz—Fdz) 1/2 (5)
Mz= (Fdbx—Fcax+Fcdy—F勿)1/2 (6)
具體實施中，在工作檯3上設置噴嘴支架4，四隻底面噴嘴2b固定設置在工作檯3的 檯面上，其它各噴嘴均設置在噴嘴支架4上。圖4所示是由噴嘴和浮板對應的板面所構成的壓力傳感器。工作時，恆定壓力的壓縮空 氣通向各個噴嘴的進氣口 5，浮板l被完全浮起，在噴嘴與擋板之間形成承壓腔6，通過承壓 腔的測壓口 7可以測量出承壓腔6的氣體壓力。如果在浮板1上作用一個外力，將會引起各 個壓力傳感器的承壓腔壓力變化，根據每個承壓腔氣壓變化量，即可按上式計算出作用在浮 板上的沿各坐標軸的分力Fx、 Fy、 Fz、及繞各坐標軸的力矩Mx、 My、 Mz。
權利要求1、氣浮式多維力傳感器，其特徵是設置矩形六面體浮板(1)，對應於所述浮板(1)的每一個面，分別設置噴嘴，所述各噴嘴與浮板相對應的面構成噴嘴擋板式壓力傳感器，以各噴嘴噴出的壓力氣體使矩形六面體浮板呈全懸氣浮，以所述各噴嘴承壓腔的壓力信號為檢測輸出信號。
2、 根據權利要求1所述的氣浮式多維力傳感器，其特徵是所述噴嘴按每兩隻為一組相 對布置在浮板(1)的上下兩側、左右兩側和前後兩側，各噴嘴的軸線與作為其擋板的浮板 板面垂直，相對設置的兩隻噴嘴處在同一軸線位置上，以處在同一軸線位置上的兩個噴嘴的 氣腔壓力差作為差動測量的檢測信號。
3、 根據權利要求1所述的氣浮式多維力傳感器，其特徵是所述各氣浮噴嘴對稱布置在 浮板(1)的各拐角處，上下兩側位於四個拐角位置處各有一組，左右兩側和前後兩側位於 兩邊各有一組。
專利摘要氣浮式多維力傳感器，其特徵是設置矩形六面體浮板，對應於浮板的每一個面，分別設置噴嘴，各噴嘴與浮板相對應的面構成噴嘴擋板式壓力傳感器，以各噴嘴噴出的壓力氣體使矩形六面體浮板呈全懸氣浮，以各噴嘴承壓腔的壓力信號為檢測輸出信號。本實用新型對於多維力的測量不存在維間耦合、無需複雜的解耦過程、能有效提高測量精度。
文檔編號G01L1/02GK201163224SQ20082003137
公開日2008年12月10日 申請日期2008年1月24日 優先權日2008年1月24日
發明者仇懷利, 王會生, 峰 高, 斌 黃, 英 黃 申請人:合肥工業大學