一种基于薄膜溅射技术的组合式六维力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于薄膜溅射技术的组合式六维力传感器，包括传力台、十字梁、基座、顶盖、底盖和应变片；将24个应变片溅射在十字梁以及传力台上，形成6组惠斯通电桥，十字梁上5组，传力台上1组。所述六维力传感器的测量原理在于：当某一维度的力/力矩作用于传感器时，传力台

【技术实现步骤摘要】
一种基于薄膜溅射技术的组合式六维力传感器


[0001]本专利技术属于传感器
，具体涉及一种基于薄膜溅射技术的组合式六维力传感器。

技术介绍

[0002]多维力传感器能够测量自身与所处环境多个方向的接触力/力矩，是智能测控系统顺利完成后续的力反馈与力控制的基础，首先在智能机器人领域得到应用，近年来在航空航天、医学工程、汽车行业等领域也得到了广泛的应用。众多力传感器的设计均参考了目前已广泛使用的、成熟的十字梁结构，通过应变片将力信号转变为与之具有确定对应关系的电信号输出，实现力分量和力矩分量的测量。
[0003]目前在多维力传感器研制过程中普遍采用的传统应变片粘贴方式，存在胶水挥发、吸潮以及受温度影响等导致性能降低的问题，因此采用薄膜溅射技术溅射应变片具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于薄膜溅射技术的组合式六维力传感器，具有高灵敏度和低维间耦合等优点，适用于航空航天领域的多维力测量。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于薄膜溅射技术的组合式六维力传感器，包括传力台、十字梁、基座、顶盖、底盖和应变片；
[0007]所述传力台为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；传力台上下两表面各加工有4个螺纹孔，分别用于与顶盖以及十字梁进行连接；
[0008]所述十字梁由中心台、主梁、浮动梁和方角组成；所述中心台位于十字梁的中心位置，为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台上有4个通孔，装配时使用4根螺栓由中心台底面自下往上与传力台下表面的螺纹孔进行配合，将传力台固定在十字梁中心台上方；力和力矩经由顶盖作用于传力台上表面，并通过传力台传递至十字梁中心台；中心台的四个侧面与主梁相连；所述主梁为4根矩形横梁，其截面为矩形；主梁的一端与中心台相连，另一端与浮动梁相连；所述浮动梁位于十字梁的外围，为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；浮动梁内侧面中心与主梁相连，两端与方角相连；所述方角位于十字梁的四角位置，为4个长方体结构的柱体，其截面为正方形；方角上有4个连接孔，用以与基座的中部凸台相连；
[0009]在传感器装配时，通过螺纹连接将传力台与十字梁连接；将十字梁方角连接孔与基座中部凸台上的螺纹连接；通过螺纹连接将顶盖与传力台连接；底盖通过安装孔与基座相连接；
[0010]所述组合式六维力传感器的测量原理在于：将24个应变片溅射在十字梁以及传力台上，形成6组惠斯通电桥，十字梁上5组，传力台上1组。其中，十字梁中与X坐标轴垂直的2根浮动梁外侧共溅射4个应变片，分别溅射在每根浮动梁上与主梁相连位置的两边，组成测
量X方向作用力Fx的电桥电路；十字梁中与Y坐标轴垂直的2根浮动梁外侧共溅射4个应变片，分别溅射在每根浮动梁上与主梁相连位置的两边，组成测量Y方向作用力Fy的电桥电路；十字梁中与X坐标轴平行的2根主梁的上下表面靠近中心台共溅射4个应变片，组成测量Z方向作用力Fz的电桥电路；十字梁中与Y坐标轴平行的2根主梁的上下表面远离中心台共溅射4个应变片，组成测量X方向作用力矩Mx的电桥电路；十字梁中与X坐标轴平行的2根主梁的上下表面远离中心台共溅射4个应变片，组成测量Y方向作用力矩My的电桥电路；传力台与Y坐标轴垂直的2个侧面的中轴线两侧靠近十字梁中心台共溅射4个应变片，组成测量Z方向作用力矩Mz的电桥电路。当某一维度的力/力矩作用于传感器时，传力台
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十字梁弹性体结构发生形变，相应位置的应变片阻值发生变化，使得对应电桥的输出电压改变，通过测量电压的变化量即可获得该维度力/力矩的数值。
[0011]本专利技术的有益效果是：
[0012](1)本专利技术所设计的可实现薄膜溅射技术的组合式六维力传感器避免了多维力传感器采用贴片方式时稳定性低、耐温耐湿性差等问题，提高了传感器的稳定性；
[0013](2)本专利技术所设计的传力台和十字梁之间为可分离的独立结构，且溅射应变片的各表面均设计为外侧平整平面，符合薄膜溅射技术的工艺要求，结构简单，易于加工；
[0014](3)本专利技术所设计的可实现薄膜溅射技术的组合式六维力传感器基于电阻应变原理，敏感部分采用矩形梁结构，测量灵敏度高。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的十字梁的结构示意图。
[0016]图2为本专利技术的传力台的结构示意图。
[0017]图3为本专利技术的基座的结构示意图。
[0018]图4为本专利技术的装配示意图1。
[0019]图5为本专利技术的装配示意图2。
[0020]图6为本专利技术的应变片贴片位置示意图。
[0021]图7为本专利技术中6组电桥电路示意图。
[0022]附图标识列表：
[0023]10、十字梁，11、中心台，12、主梁，13、浮动梁，14、方角，15应变片，20、传力台，50、顶盖，51、基座，52、底盖，53、中部凸台。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。
[0025]本专利技术所述的一种基于薄膜溅射技术的组合式六维力传感器，包括十字梁10、传力台20、顶盖50、基座51、底盖52和应变片15；为方便描述方向，建立一个如图所示的空间笛卡尔坐标系。
[0026]如图1所示，所述十字梁10由中心台11、主梁12、浮动梁13和方角14组成；所述中心台11位于十字梁的中心位置，为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台11上有4个连接孔，中心台11上表面通过4个连接孔与传力台20连接；中心台11的四个侧面与主梁12相
连；所述主梁12为4根矩形横梁，其截面为矩形；主梁12的一端与中心台11相连，另一端与浮动梁13相连；所述浮动梁13位于十字梁的外围，为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；浮动梁13内侧面中心与主梁12相连，两端与方角14相连；所述方角14位于十字梁的四角位置，为4个长方体结构的柱体，其截面为正方形；方角14上有4个连接孔，用以与基座51的中部凸台53相连。
[0027]如图2所示，所述传力台20为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；传力台20上下表面各存在4个螺纹孔，传力台20下表面与十字梁10的中心台11上表面螺纹连接，传力台20上表面与顶盖50下表面螺纹连接。
[0028]如图4所示，传力台20与十字梁10的中心台11通过螺纹进行连接；十字梁10的方角14与基座51的中部凸台53通过螺纹进行连接；顶盖50与传力台20通过螺纹进行连接；底盖52与基座51通过安装孔相连接。
[0029]本专利技术中包含的十字梁10、传力台20、顶盖50、基座51以及底盖52等部件可自由选取加工材料的种类，从而改变传感器的实际性能以适配不同的指标要求，因而加工材料不能够限制本专利技术的范围。
[0030]图6所示为本专利技术所述共24个应变片的贴片位置及对应编号R1至R24。十字梁上所溅射R1至R20应变片除编号外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于薄膜溅射技术的组合式六维力传感器，其特征在于：包括传力台、十字梁、基座、顶盖、底盖和应变片；所述传力台为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；传力台上下两表面各加工有4个螺纹孔，分别用于与顶盖以及十字梁进行连接；所述十字梁由中心台、主梁、浮动梁和方角组成；所述中心台位于十字梁的中心位置，为一长方体结构的柱体，其截面为正方形；中心台上有4个通孔，装配时使用4根螺栓由中心台底面自下往上与传力台下表面的螺纹孔进行配合，将传力台固定在十字梁中心台上方；力和力矩经由顶盖作用于传力台上表面，并通过传力台传递至十字梁中心台；中心台的四个侧面与主梁相连；所述主梁为4根矩形横梁，其截面为矩形；主梁的一端与中心台相连，另一端与浮动梁相连；所述浮动梁位于十字梁的外围，为4根矩形薄壁梁，其截面为矩形；浮动梁内侧面中心与主梁相连，两端与方角相连；所述方角位于十字梁的四角位置，为4个长方体结构的柱体，其截面为正方形；方角上有4个连接孔，用以与基座的中部凸台相连；在传感器装配时，通过螺纹连接将传力台与十字梁连接；将十字梁方角连接孔与基座中部凸台上的螺纹连接；通过螺纹连接将顶盖与传力台连接；底盖通过安装孔与基座相连接；将24个应变片溅射在十字梁以及传力台上，形成6组...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱国，陈宇涵，徐菁菁，徐宝国，李会军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：