CN119984616A - 多维力传感器及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于传感器技术领域，提供了一种本多维力传感器，包括外体框架、内部承台、应变梁和应变片。外体框架的内部开设有容纳孔，该容纳孔贯穿外体框架相背的的第一面和第二面。内部承台设置在容纳孔内，并与内部承台之间保持有间隔。应变梁至少部分设置在间隔中，且连接在外体框架和内部承台之间，应变梁的侧边沿直线延伸。应变梁设置有三个，而且每个应变梁上至少具有一个贴片平面，各贴片平面中均分别贴设有应变片，且总是不少于六个。这样设置，使得设置在同一个应变梁上的应变片都集中在同一个贴片平面上，从而提高了各应变片贴设的方便和效率。同时，将各应变片集中设置，也有利于提高引线焊接的方便性。

Description

多维力传感器及加工方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种多维力传感器及加工方法。

背景技术

多维力传感器是一种能够同时测量多个方向上的力和力矩的传感器。这类传感器广泛应用于机器人、材料测试、机器伺服控制。以六维力传感器为例，参照笛卡尔坐标系，六维力传感器可以检测(Fx、Fy、Fz)三个力和(Mx、My、Mz)三个力矩的力传感器。

六维力传感器内部设置有多个测量梁，每个测量梁包括上、下、左、右四个壁面，其中上壁面和下壁面相对，左壁面和右壁面相对，通常测量梁的上、下、左、右四个壁面上都粘贴有应变片。从而通过各应变片感知测量梁的形变，并将测量梁上的所受应变转化为电信号输出。

相关技术中的力传感器，为实现多通道检测，需要在四个壁面上都分别贴设应变片，便需要不断调整力传感器的位置才能完成贴片。同时，位于侧面的应变片存在引线焊接不方便的问题。因而，现有的力传感器存在贴片效率低以及引线焊接不方便的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多维力传感器及加工方法，以解决贴片效率低以及不方便引线焊接的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多维力传感器，包括：外体框架，内部开设有安装孔，所述安装孔贯穿所述外体框架的第一面和第二面，所述第一面和所述第二面相背；内部承台，设置在所述安装孔内，所述外体框架环绕在所述内部承台的外侧，并与所述内部承台之间具有间隔；应变梁，设置在所述间隔中，且连接在所述外体框架和所述内部承台之间，所述应变梁的侧边沿直线延伸；所述应变梁设置有三个，各所述应变梁上至少具有一个贴片平面；应变片，用于检测所述应变梁的应变，各个所述贴片平面中均分别贴设有所述应变片，且总是不少于六个；其中，在三个所述贴片平面中；每个所述贴片平面中分别贴设有两个所述应变片；或两个所述贴片平面中分别贴设有一个所述应变片，一个所述贴片平面中贴设有四个所述应变片；或一个所述贴片平面中贴设有三个所述应变片，一个所述贴片平面中贴设有两个所述应变片，一个所述贴片平面中贴设有一个所述应变片。

本发明实施例还提供了一种加工方法，用于上述的多维力传感器的加工，所述加工方法包括：

1)、选择外体框架、内部承台和应变梁，将所述内部承台设置在所述外体框架的安装孔中，并使所述外体框架和所述内部承台之间具有间隔；

2)、将应变梁设置在所述间隔中，且连接在所述外体框架和所述内部承台之间；所述应变梁设置有三个，并使每个应变梁的贴片平面朝向与所述第一面或所述第二面中的一个朝向相同；

3)、对各所述贴片平面进行清洁，再向所述贴片平面上贴设应变片，每个所述贴片平面上均贴设有应变片，且三个所述贴片平面中贴设所述应变片的总数不少于六个；其中，所贴设的各所述应变片相互独立；或各所述应变片相连为一体；或至少一个所述应变片独立，且至少两个所述应变片相连为一体；

4)、布置电路板，所述电路板与各所述应变片共平面设置，或与各所述应变片所在的平面间隔有预设距离，并将所述电路板固定在所述外体框架和/或所述内部承台上；

5)、将任意一个所述应变梁上的所述贴片平面朝上放置，再逐一对每个所述应变片进行引线焊接，使当前所述贴片平面上的各所述应变片均分别通过引线与所述电路板电连接；

6)、调整多维力传感器的位置，反复执行步骤5的焊接操作，使每个应变梁上的所有所述应变片均通过引线与所述电路板电连接，便完成了所述多维力传感器的加工。

本发明实施例所提供的一种多维力传感器及加工方法，多维力传感器包括外体框架、内部承台、应变梁和应变片。外体框架的内部开设有容纳孔，该容纳孔贯穿外体框架相背的的第一面和第二面。内部承台设置在容纳孔内，并与内部承台之间保持有间隔。应变梁至少部分设置在间隔中，且连接在外体框架和内部承台之间，应变梁的侧边沿直线延伸。应变梁设置有三个，而且每个应变梁上至少具有一个贴片平面，各贴片平面中均分别贴设有应变片，且总是不少于六个。这样设置，使得设置在同一个应变梁上的应变片都集中在同一个贴片平面上，从而提高了各应变片贴设的方便和效率。同时，将各应变片集中设置，也有利于提高引线焊接的方便性。该加工方法可快速的实现多维力传感器的加工，有利于生产效率的提高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的第一本体、第二本体和应变梁相连的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的多维力传感器的部分结构示意图；

图3是力传感器上的六个检测通道的示意图；

图4是惠斯通电桥的原理示意图；

图5是本发明实施例提供的应变片的一种分布方式示意图；

图6是本发明实施例提供的应变片的另一种分布方式示意图；

图7是本发明实施例提供的应变片的另一种分布方式示意图；

图8是本发明实施例提供的应变片的另一种分布方式示意图；

图9是本发明实施例提供的应变片的另一种分布方式示意图；

图10是本发明实施例提供的应变片的另一种分布方式示意图；

图11是本发明实施例提供的多维力传感器在第一种单面贴片方式下，各应变片的位置示意图；

图12是本发明实施例提供的多维力传感器在第一种单面贴片方式下，各通道的电桥示意图；

图13是本发明实施例提供的多维力传感器在第二种单面贴片方式下，各应变片的位置示意图；

图14是本发明实施例提供的多维力传感器在第二种单面贴片方式下，各通道的电桥示意图。

附图标记说明：

1、多维力传感器；11、外体框架；110、容纳孔；111、第一面；12、内部承台；13、应变梁；131、贴片平面；14、应变片；140、倾斜应变片；141、基底；142、应变单元；P(Q)、对称轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征的组合可以形成不同的实施例和技术方案。为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征的各种可能的组合方式不再另行说明。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\...”仅仅是区别不同的对象，不表示各对象之间具有相同或联系之处。应该理解的是，所涉及的方位描述“上方”、“下方”、“外”、“内”均为正常使用状态时的方位，“左”、“右”方向表示在具体对应的示意图中所示意的左右方向，可以为正常使用状态的左右方向也可以不是。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。“多个”表示大于或等于两个。

如图1和图2所示，本发明实施例所提供的一种多多维力传感器1，主要能够用于同时测量多个方向上的力和力矩，具体指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器。在笛卡尔坐标系中，力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量(Fx，Fy，Fz)和三个力矩分量(Mx，My，Mz)的传感器。

如图1和图2所示，多维力传感器1包括外体框架11、内部承台12、应变梁13和应变片14。外体框架11的内部开设有容纳孔110，内部承台12设置在容纳孔110内，并与内部承台12之间保持有间隔。应变梁13连接在外体框架11和内部承台12之间，使外体框架11和内部承台12相连为一体。应变片14用于贴设在应变梁13上，以能够检测应变梁13所发生的形变。

具体地，容纳孔110的形状可以是圆形或椭圆形或多边形等形状中的任意一种，只需满足内部承台12的间隔设置即可。当然，容纳孔110的形状也可以是与内部承台12的轮廓形状保持匹配。

该容纳孔110贯穿外体框架11的第一面111和第二面，而第一面111和第二面为相背的两面。即该容纳孔110为在外体框架11的厚度方向上贯穿设置的直孔。

内部承台12设置在容纳孔110内，并与内部承台12之间保持有间隔。应变梁13设置在间隔中，而且应变梁13的侧边沿直线延伸，成为一个形状笔直的梁结构，生产制造方便。应变梁13的相对两端分别连接在外体框架11和内部承台12之间。这样，通过应变梁13而将外体框架11和内部承台12相连为一个整体。

在连接后的外体框架11和内部承台12之间，内部承台12上与第一面111朝向相同的一面与第一面111可以是保持平齐或不平齐。同样，内部承台12上与第二面朝向相同的另一面与第一面111可以是保持平齐或不平齐。通常采用将内部承台12的相对两面分别与第一面111和第二面保持平齐，以提升产品形状的一致性。

通常，外体框架11为固定端，用于与提供支撑的部件连接。而内部承台12为加载端，用于与待检测的物体连接，以能感知待检测的物体上所承载的受力情况，并最终体现在使应变梁13发生弹性形变。当然，也可以将外体框架11设置成加加载端，内部承台12设置成固定端，设置灵活性好，可满足不同的使用要求。而在将内部承台12设置为加载端时，所贴设的应变片14通常靠近于应变梁13与内部承台12的连接处。如将外体框架11设置为加载端时，所贴设的应变片14通常靠近于应变梁13与外体框架11的连接处。如此，因连接处为产生形变较大的部位，应变片14设置于此，以能够提高检测的灵敏性。

连接在外体框架11和内部承台12之间的应变梁13可以完全位于间隔中，也可是有部分凸出于第一面111和/或第二面，只需能够满足检测要求即可。而且，应变梁13设置的个数可以根据产品需要进行的检测要求来设置，至少不少于三个。并且，在应变梁13的数量设置成大于三个时，并不是需要在所设置的所有应变梁13上都贴设应变片14，可以根据产品设计要求进行相应的设置。即，在本发明实施例中，当设置三个应变梁13时，三个应变梁13上都用于贴设应变片14，而在设置四个或者更多数量的应变梁13时，便可以是其中的三个应变梁13用于贴片，剩余的可以不必进行贴片，设置灵活性较好。

具体地，应变片14通常采用金属或半导体材料制成，具有高敏感度和良好的弹性性能，能够有效地感知外界力和力矩的作用。在每个应变梁13上设置有应变片14，而且应变片14设置的数量可根据具体需要实现的检测需求来设定，便可实现六个测量通道的检测。具体来说，如图3所示，根据笛卡尔坐标系，六个测量通道分别为三个力分量(Fx、Fy、Fz)和三个力矩分量(Mx、My、Mz)。三个力分量分别对应X、Y、Z轴上的力，每个轴向上的力都会使相应方向的应变片14发生形变，导致电阻值变化。三个力矩分量分别对应X、Y、Z轴上的力矩，力矩同样会导致特定方向的应变片14发生形变，从而引起电阻值的变化。

每个测量通道的信号都是通过粘贴在应变梁13上的应变片14来检测的，这些应变片14能够感知到微小的形变引起的电阻变化，进而转换为电信号输出。通过这些通道的信号，结合相应的数学模型计算，可以确定所施加的力和力矩的大小和方向。

上述中的“六个测量通道”分别对应于传感器在三维空间中的六个分力。这样，通过将不同应变梁13上的各应变片14按照检测需求进行相结合，从而组合形成惠斯通电桥来对电阻的变化进行检测，通过获得不同通道上的检测信号，最终确定所施加的力和力矩的大小以及力的方向。

如图2所示，在本发明实施例中，采用将应变梁13设置有三个，而且三个应变梁13环绕内部承台12的周向均匀分布，至少较好地保证了产品检测性能的一致性，方便安装使用。当然，在另一种实施方式中，在满足检测需求的前提下，也可以不均匀分布。

如图1和图2所示，每个应变梁13上至少具有一个贴片平面131，在每个应变梁13上都设置有一个贴片平面131时，各贴片平面131的朝向可以是都与第一面111或第二面的朝向相同，也可以是各贴片平面131中的部分的朝向不相同。各贴片平面131中均分别贴设有应变片14。从而通过应变片14来实现对作用在相对应的应变梁13上的力或力矩进行检测。

上述中“相对应的应变梁13”是指当前输出检测信号的应变片14所贴设的应变梁13。应变片14输出检测信号的原理为：当外力或力矩作用在应变梁13上时，应变梁13会发生微小的形变(如长度或截面积发生变化)，这种形变会传递到粘贴在应变梁13上的应变片14上。应变片14的电阻值随应变的产生而发生变化，这种电阻变化通过特定的电路转换为电压或电流信号。传感器内部会构建一个电桥电路，将多个应变片14以特定的方式连接在一起，组合形成惠斯通电桥(参照图4)。当应变片14的电阻值发生变化时，电桥电路的平衡状态会被打破，从而产生一个与力学量成正比的输出信号。这个信号经过信号处理电路的放大、滤波和数字化处理后，就可以被计算机等终端设备读取和分析，进而可以获得对应的受力情况。

本发明实施例中，应变梁13上用于与应变片14相接触的面称之为贴片平面131，即该贴片平面131设置成为平直面，表面光滑，所有点都在同一平面上，没有起伏或曲线。从而在贴设应变片14时，应变片14上用于与贴片平面131相粘接的一面上所有的点都能基本上与贴片平面131保持贴合，不仅粘接牢固性好，而且在进行粘贴时，相较于是曲面的贴片面而言，无需长时间按压，依靠应变片14自身的重力便可保持与贴片平面131保持全部粘贴，提高了贴片的易操作性。并且，应变片14与贴片平面131实现全面贴合，能够应变梁13构成为一体，便可以灵敏检测到应变梁13的形变，提高了检测的灵敏性。

进一步地，在本发明实施例中，通过采用在三个贴片平面131中分别贴设有应变片14，且三个贴片平面131中贴设应变片14的总数不少于六个。这样，各应变片14组合而能够实现不同通道的检测，并且各检测通道可根据检测需求而构成不同类型的惠斯通电桥(全桥、半桥和1/4桥)，设置方式多样，提高了多维力传感器1的检测功能设置的灵活性，能够满足不同检测需求的使用。

具体地，在三个贴片平面上分别贴设应变片14，且贴设的总数不少于六个，可以分布的方式为：在三个贴片平面中，每个贴片平面中分别贴设有两个应变片14；或在三个贴片平面中，两个贴片平面中分别贴设有一个应变片14，一个贴片平面中贴设有四个所变片；或在三个贴片平面中，一个贴片平面中贴设有三个应变片14，一个贴片平面中贴设有两个应变片14，一个贴片平面中贴设有一个应变片14。具体分布方式，可根据检修需求来具体设置。

在本发明实施例中，采用将每个应变梁13上需要贴设的应变片14都集中设置在同一个贴片平面131上，从而在贴设应变片14时，无需频繁调整多维力传感器1设置的位置，贴片方便性好，提高了贴片的效率。同时，还可以在同一状态下对所有应变片14进行引线焊接操作，无需较大的位置调整，进而提高引线焊接的方便性。

本发明实施例所提供的一种多维力传感器1，包括外体框架11、内部承台12、应变梁13和应变片14。外体框架11的内部开设有容纳孔110，该容纳孔110贯穿外体框架11的第一面111和第二面，第一面111和第二面为相背的两面。内部承台12设置在容纳孔110内，并与内部承台12之间保持有间隔。应变梁13至少部分设置在间隔中，且连接在外体框架11和内部承台12之间，应变梁13的侧边沿直线延伸。应变梁13设置有三个，而且每个应变梁13上至少具有一个贴片平面131，各贴片平面131中均分别贴设有应变片14，且总是不少于六个。这样设置，使得设置在同一个应变梁13上的应变片14都集中在同一个贴片平面131上，从而提高了各应变片14贴设的方便和效率。而且每个与应变片14相接触的面为平面，因而降低了各应变片14贴设的难度、有利于使各应变片14保持粘贴牢固。同时，每个应变梁13上的各应变片14都集中在同一个贴片平面131上，也有利于提高引线焊接的方便性。

本发明实施例中，通过三个应变梁13实现六个通道的检测的原理是：参照笛卡尔坐标系，再结合力的分解，每个应变梁13可以用于感知X、Y、Z三个轴上的分量，从而形成三个力分量(Fx、Fy、Fz)和三个力矩分量(Mx、My、Mz)。再结合不同应变梁13上应变片14的组合而形成惠斯通电桥，便可以输出相应的检测信号而达到检测的目的。

如图4所示，惠斯通电桥是一种由四个电阻组成的电路装置，用于测量其中一个电阻的阻值，前提是其余三个电阻的阻值已知。其基本原理是通过比较两个电路分支之间的电压差来确定未知电阻的值。当电桥处于平衡状态时，两个相对接头的电压差为零，此时可以通过已知的三个电阻阻值来推算出未知电阻的阻值。在惠斯通电桥中，通常每一个电阻(或应变片14)称之为一个桥臂，因此，具有四个桥臂。

在具体应用中，惠斯通电桥的主要类型包括全桥、半桥和1/4桥。在全桥配置中，四个桥臂都采用应变片14，每个应变片14对相同应变产生相同幅度的电阻变化，但变化方向相反；在半桥配置中，只有两个桥臂采用应变片14，另外两个是固定电阻；在1/4桥配置中，只有一个桥臂采用应变片14，其余三个是固定电阻。在三种不同类型的电桥中，全桥、半桥和1/4桥检测应变的原理不同之处在于它们对应变的敏感度和测量精度，全桥配置提供了最高的敏感度和精度，而1/4桥配置则提供了最低的敏感度和精度。因而，可根据实际的使用需求，对应选择需要组合形成的电桥类型，从而满足不同的检测需求，设置灵活性好。

应变片14通常采用粘贴的方式固定在应变梁13上，而为了能够实现多通道检测，在每个应变梁13的四个壁面上都需要贴设应变片14，从而在贴片时需要不断地调整应变梁13的位置或调整贴片的方向，导致贴片步骤繁琐，贴片不方便，影响贴片的效率和引线的焊接的可操作性，增加了多维力传感器1制造的难度。因而，本发明实施例中通过采用将每个应变梁13上需要贴设的应变片14集中在同一个贴片平面131上，不仅能够实现多通道检测，还可以无需频繁调整贴片位置，使贴片的方便性和效率得到了提高，同时，引线焊接的方便也得到了提升。

具体地，可根据检测的需要来选择所贴设的各应变片14的布置位置和数量，便可用于检测三个不同方向的力和三个不同方向的力矩。这样，结合在每个应变梁13上都设置有多个应变片14，并可通过选择相应位置的应变片14进行组合，从而实现多通道的检测功能。上述中“可用于检测三个不同方向的力和三个不同方向的力矩”，是指可根据检测需要来对应设置应变片14的位置和数量，满足具有能够用于检测三个不同方向的力和三个不同方向的力矩的性能。并不是每个应变片14都能检测六通道，而且在实际检测过程中，也不需要是每个应变片14同时检测六通道。即，该多维力传感器1通过采用集成多个应变片14，结合不同位置的分布，能够具有可检测三个不同方向的力和三个不同方向的力矩的性能，提升了检测功能，实用性好。

在一些实施例中，可根据不同的设计方式，将应变片14的分布方式设置成包括以下任意一种：

第一种分布方式，在贴设有一个应变片14的贴片平面131中，应变片14位于贴片平面131的侧边或位于贴片平面131宽度方向的对称轴上。具体地，如图5所示，将应变片14设置在位于贴片平面131的侧边，通常用于检测Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩。或者将应变片14设置在位于贴片平面131宽度方向的对称轴上，通常用于检测Mx和My方向的力矩以及Fz方向的力。这样，可以根据检测需要进行调整，设置灵活性好。再结合其他贴片平面131上所设置的应变片14可以构成惠斯通电桥，检测灵敏性好。

上述中“贴片平面131宽度方向的对称轴”是指贴片平面131通常设置为长宽尺寸不相等、形状规则的四边形，因而，在宽度方向上便具有一个对称轴，该对称轴便称之为贴片平面131宽度方向的对称轴。

第二种分布方式，在贴设有两个应变片14的贴片平面131中，两个通常用于检测Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩。分别位于贴片平面131的相对两个侧边，或并列位于同一侧，或一个应变片14位于贴片平面131的侧边、另一个应变片14的对称轴与贴片平面131宽度方向的对称轴共线。具体地，如图6所示，将两个应变片14分别位于贴片平面131的相对两个侧边，或将两个应变片14并列位于同一侧。这两种类型，通常都用于检测Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩。又或者将两个应变片14中的一个设置在位于贴片平面131的侧边、另一个应变片14自身的对称轴与贴片平面131宽度方向的对称轴共线。这样布置，位于侧边的应变片14通常都用于检测Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩，自身的对称轴与贴片平面131宽度方向的对称轴共线的应变片14，通常都用于检测Mx和My方向的力矩以及Fz方向的力。这样，进一步增加了可以实现的检测功能，便可以根据检测需要进行调整，设置灵活性好。再结合其他贴片平面131上所设置的应变片14，可以是构成惠斯通1/4桥电路，具有较好地检测灵敏性。

第三种分布方式，在贴设有三个应变片14的贴片平面131中，各应变片14至少分布成T型，或L型，或在间隔设置在同一直线上。具体地，如图7所示，在分布成为T型，或分布成L型时，两种类型均具有可以用于检测Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩，以及用于检测Mx和My方向的力矩以及Fz方向的力。即具有满足六个通道的检测需求，设置巧妙性好。而在间隔设置在同一直线上时，当沿贴片平面131的长度方向分布，位于贴片平面131侧边，则通常用于检测Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩。当自身的对称轴与贴片平面131宽度方向的对称轴共线的应变片14，通常都用于检测Mx和My方向的力矩以及Fz方向的力。而当沿贴片平面131的宽度方向分布，并靠近应变连与内部承台12的连接处时，便通常用于检测Fx、Fy和Fz方向的力。各应变片14组合，可构成惠斯通半桥或1/4桥电路，具有较好地检测灵敏性。

第四种分布方式，在贴设有四个应变片14的贴片平面131中，各应变片14分布成T型、或间隔设置在同一直线上、或分布成四边形。此种分布方式下，如图8所示，在构成T型或间隔设置在同一直线上的形状时，形同的形状具有与第三种分布方式基本相同的检测性能，在此不做赘述。在分布成四边形，贴片平面131的相对两个侧边上都具有两个应变片14，此种分布方向，通常用于检测Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩。各应变片14组合，可构成惠斯通半桥或1/4桥电路，具有较好地检测灵敏性。

第五种分布方式，在至少贴设有五个应变片14的贴片平面131中，如图2和9所示，各应变片14分布成T型或L型或工字型或四边形或间隔设置在同一直线上。在至少贴设有五个应变片14的布置中，随着应变片14的数量增加，在构成T型或L型或工字型或四边形或间隔设置在同一直线上等形状时，每个形状下整体使用的应变片14的数量得到了增加，能够实现的检测通道便得到了增加，同时每个检测通道能够结合的应变片14的数量也得到了增加，不仅提升了检测性能够的全面性，在同一个通道中结合多个应变片14，便能够提高检测的灵敏性。

需要解释的是，通常根据应变片14受力的灵敏性来选择能够用于某种通道的检测，以提高检测的灵敏性和准确性。如在向各应变梁13施加Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩时，各应变梁13的侧边为最大形变部位，因而将设置在贴片平面131侧边的各应变片14主要用于检测Fx和Fy方向的力以及Mz方向的力矩。而在向各应变梁13施加Mx和My方向的力矩以及Fz方向的力时，在各应变梁13的轴线部位处的形变最大，因而将设置在贴片平面131宽度方向的对称轴上的各应变片14主要用于检测Mx和My方向的力矩以及Fz方向的力。当然，可以理解地，在向同一个应变梁13施加作用力或力矩时，其上各位置处的应变片14基本都能检测到应变梁13发生的形变，只是存在检测信号强弱的区别。在考虑到检测准确性，通常选择产生信号较强的应变片14用于相应通道的检测。因此，存在设置在同一个贴片平面131中不同位置处的应变片14用于不同通道的检测。

可以理解地，可将每个应变片14看作为一个点，因而应变片14便具有自身的对称轴。从而，可以理解上述中，将应变片14自身的对称轴设置成与贴片平面131宽度方向的对称轴共线的具体设置方式。

在一些实施例中，如图10所示，在至少贴设有两个应变片14的贴片平面131中，各应变片14沿贴片平面131的长度方向并列设置，各应变片14的对称轴P与贴片平面131宽度方向的对称轴Q共线。这样设置，便在贴片平面131宽度方向的对称轴Q上间隔设置有多个应变片14，从而满足能够用于检测Mx和My方向的力矩以及Fz方向的力的性能，并通过多个应变片14共同组合检测，能够提升检测的灵敏性和准确性。

在一些实施例中，如图11所示，在并列设置的各应变片14中，至少包括一个倾斜应变片140，倾斜应变片140的对称轴P与贴片平面131宽度方向的对称轴Q夹角在0-75度之间。这样，倾斜应变片140可以较为灵敏地检测与其倾斜方向基本相同的形变，通过调整倾斜应变片140的倾斜方向和布置的位置，便可用于多通道的检测，提高了检测的灵活性。具体地，倾斜应变片140不仅可用于Mx或My方向的力矩以及Fz方向的力的检测，而且，由于倾斜设置，与对应应变梁13的侧边距离较近，便也具有Fx或Fy方向的力以及Mz方向的力矩的检测性能。从而可根据检测要求而组合形成相应的惠斯通电桥，设计巧妙，灵活性好。

具体地，为了便于理解，如图10所示，倾斜应变片140的对称轴P，贴片平面131宽度方向的对称轴为Q。将对称轴P和对称轴Q之间的夹角设置在0-75度之间。可选地，两者之间的夹角可以是15度，或45度，或60度、或75度，当然，还可以是0-75度范围内的其他任意数值。不同夹角，对应的各个通道下的检测灵敏度不同，便可根据检测通道的要求来设置倾斜应变片140的倾斜角度，设置灵活性好。

在一些实施例中，如图10所示，倾斜应变片140相对贴片平面131宽度方向的对称轴Q对称设置有两个。这样设置，在对称轴Q的两侧分别至少设置有一个倾斜应变片140。而且，两侧中的各倾斜应变片140分别朝向两个不同的方向倾斜，从而能够分别检测不同方向的形变。如此，在两侧的各倾斜应变片140检测功能的相互补充下，使两个侧边上所发生与倾斜应变片140的检测方向相同的形变，基本都能被检测到，进一步提高了检测的灵敏性和检测的准确性。

在一些实施例中，如图12所示，应变片14包括基底141和应变单元142，应变单元142固化于基底141的一面；其中，在至少贴设有两个应变片14的贴片平面131中，各应变单元142间相独立，且各基底141不相连。此种设置方式下，各应变片14为相互独立的单个零件，从而在贴设时，可以根据不同的检测需求来调整所贴设的位置，布置灵活性好，能够满足不同的布置需求。

具体地，应变单元142用于跟随应变梁13产生的形变而发生变化，进而产生相应检测信号。应变单元142通常由康铜、镍铬合金等材料制成的细丝，再绕制呈网格状或螺旋状而形成，以便在受力时能够有效地感应到变形。应变单元142可通过粘接剂固定连接在基底141的表面，通过基底141支撑应变单元142的形状保持基本稳定。

基底141材料通常为聚酰亚胺材料制成的薄片，具有良好的绝缘性能和传递应变的能力。在一些特殊应用中，陶瓷材料也被用作基底141，提供更高的稳定性和耐高温性能。

在一些实施例中，如图1所示，应变片14包括基底141和应变单元142，应变单元142固化于基底141的一面；其中，在至少贴设有两个应变片14的贴片平面131中，各应变单元142间相独立，且固定在同一个基底141上。此种设置方式下，通过各应变单元142与同一个基底141而组合形成一个一体式的应变片14，从而通过进行一次将基底141固定在应变梁13上的操作，便可实现多个应变单元142的贴设。即，一次性可至少进行多个应变单元142的粘贴，无需逐个粘贴，节省了应变片14的贴设步骤，从而提高了应变片14的粘贴效率。并且，各应变单元142固定在基底141上的位置和牢固性已经事先完成，从而在粘贴固定在应变梁13上时，只需确保基底141粘贴位置的准确性，便可实现各应变单元142的准确粘贴，同时还能保证各应变单元142粘贴的一致性，使各应变单元142具有较灵敏的检测性能，提升了贴设在应变梁13上的各应变单元142检测的灵敏性和准确性。

在一些实施例中，如图1所示，应变片14包括基底141和应变单元142，应变单元142固化于基底141的一面；其中，在至少贴设有三个应变片14的贴片平面131中，至少一个应变单元142单独固定在一个基底141上，且至少两个应变单元142共同固定在另一个基底141上。这样设置，构成了单个应变片14和一体式应变片14的组合形式，在具有两种类型的优点的同时，还能够提升各应变片14布置的灵活性。

在一些实施例中，如图1所示，基底141的轮廓形状设置成矩形或T形。这样，在基底141的形状至少满足各应变单元142组的布置时。此种形状的基底141，还能在需要将各应变单元142布置形成为矩形或T形时，可根据基底141自身的形状，便可初步获知各应变单元142需要布置的位置和构成的形状类型，此时基底141的形状便起到布置引导的作用，提高了各应变单元142布置时位置的准确性和布置的方便性。

为了便于理解本发明实施例所提供的多维力传感器1的检测原理，通过在各应变梁13上贴设有多个应变片14进行举例说明。如图11所示，每个应变梁13上都设置有八个应变片14，并都采用T型的方式分布。此种分布方式下，由于三个应变梁13的设计，不能结构解耦，用于检测六个通道的各应变片14都是杂糅在一起，每个通道选择相应应变片14组合形成惠斯通电桥的方案可以有很多，可以随机搭配，在解耦前不存在F_X、F_Y、F_Z、M_X、M_Y和M_Z的通道区分。需结合相应的分析方法，再通过软件解耦的方式来对各通道的检测信号进行分析处理，从而获得相应的检测信号。

各通道所组成的电桥如图12所示，在此种设置方式下，每个检测通道也可以全部构成全桥，使得多维力传感器1具有较高的检测灵敏度，能够较好地满足检测需求。

在另一种实施方案中，如图13所示，每个应变梁13上都设置有八个应变片14，并都采用T型的方式分布。此种分布方式下，由于三个应变梁13的设计，不能结构解耦，用于检测六个通道的各应变片14都是杂糅在一起，每个通道选择相应应变片14组合形成惠斯通电桥的方案可以有很多，可以随机搭配，在解耦前不存在F_X、F_Y、F_Z、M_X、M_Y和M_Z的通道区分。需结合相应的分析方法，再通过软件解耦的方式来对各通道的检测信号进行分析处理，从而获得相应的检测信号。

各通道所组成的电桥如图14所示，在此种设置方式下，每个检测通道也可以全部构成全桥，使得多维力传感器1具有较高的检测灵敏度，能够较好地满足检测需求。

本发明实施例中还提供了一种加工方法，用于上述任意实施例中所述的多维力传感器1的加工。该加工方法包括：

1)、选择外体框架11、内部承台12和应变梁13，将内部承台12设置在外体框架11的容纳孔110中，并使外体框架11和内部承台12之间具有间隔。内部承台12设置在容纳孔110中的位置可以是环周向，各位置的间隔尺寸均保持相等，也可以是不相等。

2)、将应变梁13设置在间隔中，且连接在外体框架11和内部承台12之间。应变梁13设置有三个，并使每个应变梁13的贴片平面131朝向与第一面111或第二面中的一个朝向相同。这样，贴片平面131无其他的零件遮挡，有利于应变片14的布置。

3)、对各贴片平面131进行清洁，使各贴片平面131上无灰尘、油污等杂质。再向贴片平面131上贴设应变片14，可通过胶水类粘接剂进行粘接固定，或者是将硅应变片14通过玻璃微熔的工艺进行固定。具体地贴片方式为，使每个贴片平面131中均贴设有应变片14，且三个贴片平面131上所贴设的应变片14的总数不少于六个。其中，所贴设的各应变片14间相互独立；或各应变片14相连为一体；或至少一个应变片14独立，且至少两个应变片14相连为一体。即贴设的各应变片14可以是完全独立的零件，也可以是各应变片14相连为一个整体的一体式应变片14，还可以是独立应变片14和一体式应变片14的组合，可根据具体贴片要求进行选择，贴片灵活性好。

4)、布置电路板，所布置的电路板可以是与各应变片14共平面设置，或与各应变片14所在的平面间隔有预设距离，该距离不大于10mm。并将电路板固定在外体框架11和/或内部承台12上，使电路板的位置能够保持稳定。

5)、将任意一个应变梁13上的贴片平面131朝上放置，再逐一对每个应变片14进行引线焊接，焊接的方式可以是手工焊接，也可以采用焊线机进行自焊接。在使当前贴片平面131上的各应变片14均分别通过引线与电路板电连接后，便完成了当前应变梁13上的所有应变片14的焊接。具体地，每个应变片14具有两个独立的焊盘，每个焊盘通过引线与电路板上对应的焊接位进行电连接，以实现检测信号的传递。

6)、反复执行步骤5的焊接操作，使每个应变梁13上的所有应变片14均通过引线与电路板电连接，便完成了多维力传感器1的加工。

本发明实施例中所提供的加工方法，由于多维力传感器1上的每个应变梁13需要贴设的应变片14被贴设在同一个贴片平面131上，从而贴片操作简单，无需大范围的变动贴片位置，便也提高了贴片的效率。同时，由于每个应变梁13上的应变片14都是在同一个面上，从而在进行引线焊接时，至少是在对同一个贴片平面131内的各应变片14进行焊接时，不需要无需大范围调整焊接位置，便有利于提高焊接的效率。并且，贴片平面131的朝向与第一面111或第二面的朝向相同，使得焊接方向上无其他零件遮挡，便也提高了焊接操作的方便性。该加工方法可快速的实现多维力传感器1的加工，有利于生产效率的提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多维力传感器，其特征在于，包括：

外体框架，内部开设有安装孔，所述安装孔贯穿所述外体框架的第一面和第二面，所述第一面和所述第二面相背；

内部承台，设置在所述安装孔内，所述外体框架环绕在所述内部承台的外侧，并与所述内部承台之间具有间隔；

应变梁，设置在所述间隔中，且连接在所述外体框架和所述内部承台之间，所述应变梁的侧边沿直线延伸；所述应变梁设置有三个，各所述应变梁上至少具有一个贴片平面；

应变片，用于检测所述应变梁的应变，各个所述贴片平面中均分别贴设有所述应变片，且总是不少于六个；

其中，在三个所述贴片平面中；

每个所述贴片平面中分别贴设有两个所述应变片；或，

两个所述贴片平面中分别贴设有一个所述应变片，一个所述贴片平面中贴设有四个所述应变片；或，

一个所述贴片平面中贴设有三个所述应变片，一个所述贴片平面中贴设有两个所述应变片，一个所述贴片平面中贴设有一个所述应变片。

2.如权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述应变片的分布包括以下方式的任意一种：

在贴设有一个所述应变片的所述贴片平面中，所述应变片位于所述贴片平面的侧边或位于所述贴片平面宽度方向的对称轴上；或，

在贴设有两个所述应变片的所述贴片平面中，两个所述应变片分别位于所述贴片平面的相对两个侧边，或并列位于同一侧，或一个应变片位于所述贴片平面的侧边、另一个应变片的对称轴与所述贴片平面宽度方向的对称轴共线；或，

在贴设有三个所述应变片的所述贴片平面中，各所述应变片至少分布成T型、或L型、或在间隔设置在同一直线上；或，

在贴设有四个所述应变片的所述贴片平面中，各所述应变片分布成T型、或间隔设置在同一直线上、或分布成四边形；或，

在至少贴设有五个所述应变片的所述贴片平面中，各所述应变片分布成T型或L型或工字型或四边形。

3.如权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，在至少贴设有两个所述应变片的所述贴片平面中，各所述应变片沿所述贴片平面的长度方向并列设置，各所述应变片的对称轴与所述贴片平面宽度方向的对称轴共线。

4.如权利要求3所述的多维力传感器，其特征在于，在并列设置的各所述应变片中，至少包括一个倾斜应变片，所述倾斜应变片的对称轴与所述贴片平面宽度方向的对称轴夹角在0-75度之间。

5.如权利要求4所述的多维力传感器，其特征在于，所述倾斜应变片相对所述贴片平面宽度方向的对称轴对称设置有两个。

6.如权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述应变片包括基底和应变单元，所述应变单元固化于所述基底的一面；其中，在至少贴设有两个所述应变片的所述贴片平面中，各所述应变单元间相独立，且各所述基底不相连。

7.如权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述应变片包括基底和应变单元，所述应变单元固化于所述基底的一面；其中，在至少贴设有两个所述应变片的所述贴片平面中，各所述应变单元间相独立，且固定在同一个所述基底上。

8.如权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述应变片包括基底和应变单元，所述应变单元固化于所述基底的一面；其中，在至少贴设有三个所述应变片的所述贴片平面中，至少一个所述应变单元单独固定在一个所述基底上，且至少两个所述应变单元共同固定在另一个所述基底上。

9.如权利要求7或8所述的多维力传感器，其特征在于，所述基底的轮廓形状设置成矩形或T形。

10.一种加工方法，用于如权利要求1至9中任一项所述的多维力传感器的加工，其特征在于，所述加工方法包括：

1)、选择外体框架、内部承台和应变梁，将所述内部承台设置在所述外体框架的安装孔中，并使所述外体框架和所述内部承台之间具有间隔；

2)、将应变梁设置在所述间隔中，且连接在所述外体框架和所述内部承台之间；所述应变梁设置有三个，并使每个应变梁的贴片平面朝向与所述第一面或所述第二面中的一个朝向相同；

3)、对各所述贴片平面进行清洁，再向所述贴片平面上贴设应变片，每个所述贴片平面上均贴设有应变片，且三个所述贴片平面中贴设所述应变片的总数不少于六个；其中，所贴设的各所述应变片相互独立；或各所述应变片相连为一体；或至少一个所述应变片独立，且至少两个所述应变片相连为一体；

4)、布置电路板，所述电路板与各所述应变片共平面设置，或与各所述应变片所在的平面间隔有预设距离，并将所述电路板固定在所述外体框架和/或所述内部承台上；

5)、将任意一个所述应变梁上的所述贴片平面朝上放置，再逐一对每个所述应变片进行引线焊接，使当前所述贴片平面上的各所述应变片均分别通过引线与所述电路板电连接；

6)、反复执行步骤5的焊接操作，使每个应变梁上的所有所述应变片均通过引线与所述电路板电连接，便完成了所述多维力传感器的加工。