小型三维力传感器的设计和解耦测试研究

　　传感器在现代科学技术中的重要作用已为人们充分认识，无论是在工业与国防领域，还是在生物工程、医疗卫生、环境保护等领域，处处都离不开传感器的应用[1]。多维力传感器是实现机器人类人化和智能化最为重要的一种传感器，它是工程力学检测和机器人运动控制的基础，应用范围越来越广泛[2 ～ 4]。近年来，随着半导体微加工技术的发展，三维力传感器的研究在国外得到了迅速发展，基于不同工作原理的三维力传感器纷纷推出，如压电式[5]、压阻式[6-8]等，谐振质量块则有单质量块和多质量块等形式[9-10]。在结构设计上，采用悬臂梁型、双梁型、四梁型、岛型、倒T 型等形式[11 ～ 13]。在实际应用中有很多场合需要小体积、高灵敏度的三维力传感器，如仿壁虎机器人等小型智能系统，为此，研制了一种新型应变式三维力传感器。该传感器为电阻应变式，采用了一种特殊结构的弹性元件，实现了对三维力信息的获取。

　　1 传感器结构设计及原理

　　电阻应变片是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。应变片利用该原理，通过测量电阻的变化来对应变进行测定。根据电阻应变计测量应变的理论，电阻丝电阻变化率与应变成线性关系[1]，即

　　由式( 1) 可以发现，应变的测定方法本质上是考虑到物体的应变从几何学角度上看表现为物体上两点间距离的变化。因此可以将弹性元件减小到比应变片基底尺寸略大，通过dL 的变化得到应变ε，从而得到被测力。

　　本文提出了一种新的弹性体结构，使弹性体尺寸减小到与应变片大小在同一数量级上，满足了小体积测力传感器的使用需求，该传感器由弹性体和电阻应变片组成，如图1 所示。

　　弹性体是将外载荷( 多维力) 转换为应变量的部件，是整个传感器的基础。应变式3 维力传感器设计的关键是其结构应在3 个方向上对不同方向的力敏感程度不同。本文设计的新型弹性体结构自上而下开有多层槽孔，上下层槽孔相位相差90°，每个槽孔贯穿长方体的3 个面，电阻应变片则贴于弹性体上测量相应的应变。

　　弹性体上粘贴金属箔式应变片1、2、3、4，其中应变片1 和3 用于测量Y 方向的力Fy。在力Fy的作用下，1和3 贴片处产生弯矩，贴于应变片1 处于负应力区( 压应力) ，而应变片3 处于正应力区( 拉应力) 。由于应变片的压阻效应，上下贴片的阻值发生变化。阻值变化通过2 个1 /4 单臂电桥分别转化为电压信号，通过测量电压差值变化，就可以得到相应的力值，从而实现力-电转化。同样道理，应变片2 和4 用于测量X 方向的力Fx。在力Fz作用下，四片应变片都处于正应力区( 拉应力) ，而在X 或Y方向力的作用下，四片应变片总有两片应变方向相反( 一正一负) ，另两片敏感方向与力的方向垂直，由于横向效应带来的应变微小，且理论上整片应变片的应变输出能够正负相抵，因此可认为对Z 方向的力不敏感，故可以通过4 个1 /4 单臂电桥的累积电压获得Z 向力的变化。总之，通过联接在弹性体上的四片电阻应变片可以测量各个面上的变形，进而求得被测力的3 个分量( FX、FY、FZ) 。