六维力传感器的原理与设计 PPT
六分力传感器工作原理(标准版)
六分力传感器工作原理
六分力传感器又称为六维力传感器，六分量传感器，它可以同时检测
XYZ轴，三个方向上的力值变化，又可以检测出三个轴上扭矩大小（力的单
位是KN，力矩的单位是KN/m)。
六分力传感器弹性体采用专力结构，体积小，灵敏度高、刚性好、维间耦
合小、有机械过载保护功能。
应用于遥控机器人，机器人手术，机械手臂研究，手指力研究，精密装配，自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等
作业中，在航空、航天及机械加工，汽车等行业中有广泛的应用。
1.耦合
2.解耦
解耦就是要在一定程度上减小或消除耦合干扰。
六维力/力矩传感器的解耦是通过数学的方法用尽可能小的误差地确定出来传感器的输入与输出的关系。
3.解耦方法
一般消除耦合或者抑制耦合可以从两个方向来做:第一种是在生产传感器之前进行的工作，一般叫做结构解耦，即从传感器的设计上来消除或者抑制耦合，该方法涉及到了传感器的制造工艺问题，这个往往比较困难，并且可能
会增加成本:第二种则是利用系统性的数学模型，要矩阵解耦，运用数字信号
处理的方法来减少或者消除传感器的维间耦合,该方法对制作工艺要求比较低，比较容易达到，而且还能取得很好的效果。
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六维力传感器原理
六维力传感器原理六维力传感器的工作原理基于电阻应变原理和电桥技术。
传感器内部有多个应变片组成的电桥，应变片通常由金属箔或片状弹性体制成，具有良好的应变特性。
当物体受到外界力或力矩作用时，应变片会发生形变，从而导致电阻发生变化。
具体而言，力传感器的测量原理是通过测量电桥的输出电压来间接测量力的大小。
在电桥中，应变片与标定电阻串联，形成一个稳态电路。
当物体受到力时，应变片发生形变，电桥发生不平衡，产生输出电压。
通过测量输出电压的大小，可以根据电桥特性和标定曲线计算出力的值。
力矩传感器的测量原理类似，但由于力矩的作用，其输出电压的变化更加复杂。
力矩传感器一般采用应变片与附加电阻串联的方式来构成电桥。
当物体受到力矩作用时，整个电桥都会发生不平衡，输出电压的变化与力矩的大小和方向有关。
为了提高测量精度和可靠性，六维力传感器通常还要进行温度和幅频特性的补偿。
温度补偿是通过将温度传感器与力传感器放置在相同环境中，测量环境温度并进行补偿来实现的。
幅频特性补偿则是通过校正电桥输出的幅频响应来消除因电桥非线性和非平衡引起的误差。
总结起来，六维力传感器通过应变原理和电桥技术，通过测量电桥的输出电压来间接测量物体受力情况。
力传感器测量物体在X、Y、Z三个方向上的力，而力矩传感器则测量物体绕X、Y、Z三个轴向上的力矩。
为了提高测量精度和可靠性，六维力传感器还需要进行温度和幅频特性的补偿。
该传感器可以广泛应用于机器人、工业自动化、航空航天等领域，为实现精确控制和自动化操作提供重要支持。
六维力传感器
六维力传感器1六维力传感器的分类 (1)2六维力传感器的研究现状 (1)1六维力传感器的分类六维力传感器有很多种名称，如六轴力传感器、六分量天平、六轴力/力矩传感器、六向力传感器等，实际上就是一种可以同时检测3个力分量和3个力矩分量的力传感器，根据X, Y, Z方向的力分量和力矩分量可以得到合力和合力矩。
传感器的种类按敏感兀件可以分为:电阻应变式、压电式、光学式、电容式、电感式等几类。
六维力传感器按测力原理可分为电阻式应变式，电容式，电感式，压电式和光电式等。
就以上几种类型的传感器而言，电阻应变式六维力传感器的应用得最为广泛而且目前技术最为成熟的一种。
其基本工作原理是外力作用下，弹性体结构形变，贴在弹性体上的应变片发生应变引起电阻值的变化，再经电路将阻值的变化转化为电压或电流的变化表现。
电容式则是将电容式力敏传感器的核心部分是对压力敏感的电容器。
力敏电容器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定的，当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，极板间的间距发生变化，从而引起电容量的变化，电容变化量与压力差有关。
光学式多维力传感器通过光学传感器来测量微小变形，从而测出多维力和力矩。
压电式多维力传感器是另一种比较常用的测力装置，它的基本测力原理是在外部应力的作用下压电材料产生电荷，当外力变化时，压电材料表面的电荷随之变化带来输出电压信号的变化。
压电传感器的主要特点是其有很高的固有频率(200kHz)，特别适合动态测量。
石英晶片的合理布置是传感器设计的关键。
克服传感器各向载荷间的相互干扰是提高压电传感器测量精度的有效途径。
2六维力传感器的研究现状六维力传感器的研究已有40多年的历史，科研工作者在这方面已作了大量的研究工作。
在国内，对六维力传感器的研究始于上世纪80年代，许多院校都对六维力传感器的设计制作进行过深入的探讨。
其设计是以力学分析为基础，探索性地设计出无耦合作用的弹性体，最早代表是积木式结构由美国SIR公司设计，由一块块积木式弹性体组合成，其加工精度和装配精度对其测量结果的影响很大，滞后和累积误差也较大，这使得它的实用性几乎为零。
六维力传感器工作原理
六维力传感器的工作原理是标定均在假设传感器系统为线性系统的情况下进行，即传感器静态数学模型满足。
F=CV
其中，V是六维力传感器输出的6路原始信息(列信息，单位是V)，F是经过计算的6路力信息(列信息，力的单位是KN，力矩的单位是KNm)[6-7]。
传感器静态标定的实质就是利用施加在六维力传感器上的广义力矢量组F 和通过数据采集上采样得到的传感器6个输出信号矢量组V求出标定矩阵C，传感器的输出信号是一个6路电压信号组成的矢量。
如果不考虑传感器的非线性因素的影响，只要给传感器施加6个线性无关的力矢量，并测得对应6个力矢量的传感器的输出电压信号矢量V，就可以得到一个惟一解C。
其种测量范围是：50kN / 5kNm；
准确度等级是：0.5％;
尺寸是：Ø175毫米x 110毫米;
安装和定心是：6 x内螺纹M6x2；2个Ø10mm F7钻孔;
连接是：集成式圆形插头连接器UP13，27针，凸型；
材质是：不锈钢，不锈钢外壳；
重量是：11公斤。
用户如有购买需求，可咨询郑州沐宸自动化科技有限公司。
该企业目前涵盖的产品类别有力传感器、多维力传感器、扭矩传感器、位移传感器、压力传感器、加速度传感器、液位传感器等，同时可根据客户的需求，定制各类传感器。
力传感器课件.ppt
半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏 感栅。
半导体应变片及金属丝 式应变片的结构
金属丝式应变片的 内部结构
半导体应变 片外形
箔式应变片的外形
在平面力场中，为测量某一点上主应 力的大小和方向，常需测量该点上两个或 三个方向的应变。
荷重传 感器上的应 变片在重力 作用下产生 变形。轴向 变短，径向 变长。
汽车衡
汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
汽车衡称重系统
荷重传感器计算公式
Uo
F Fm
U om
K FU i Fm
F
当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压 Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。
思考：综合考虑灵敏度与功耗发热， Ui 的取值范围多少为好？
6(l l0 )
Eb 2
F
6(l l0 )m
Eb 2
a
输出信号大小与加速度成正比。
应变式电阻加速度传感器具有灵敏度高、静态 和动态特性好等优点，广泛应用于汽车安全气囊的 控制、油箱和电梯疲劳强度的测试以及电脑游戏控 制杆的倾角感应器中。
3.3压阻式压力传感器
是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的 物性型传感器。灵敏度高、动态响应好、精度高、易于 微型化和集成化等。
为此需要把两个或三个应变片逐个粘 结成应变花，或直接通过光刻技术制成。
应变花分互成45°的直角形应变花和 互成60°的等角形应变花两种基本形式。
应变花的基本形式
a—丝式应变花；b—箔式应变花
应变片的工作原理 金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
六维力传感器工作原理
六维力传感器工作原理
六维力传感器是一种用于测量物体受力情况的装置，它可以同时测量物体在三个线性维度和三个旋转维度上的力。
六维力传感器的工作原理一般包括以下几个步骤：
1. 压电效应：传感器内部包含压电材料，当物体施加力时，压电材料会发生变形，产生电荷。
2. 力传感器结构：传感器内部包含多个敏感区域，每个区域都有一个压电材料。
这些区域可以检测物体在不同方向上的力。
3. 电荷采集：传感器通过电荷放大器采集每个敏感区域的电荷信号，并将其转换成电压信号。
4. 数据分析：通过对采集到的电压信号进行处理和分析，可以得到物体在各个维度上受到的力的大小和方向。
5. 校准：为了提高测量的准确性，传感器需要进行定期的校准。
校准的方法一般包括对已知力的施加和比较测量结果。
通过以上步骤，六维力传感器可以实时测量物体受力的情况，并将其转换成数字信号供后续处理和分析。
《力传感器》课件
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详细描述
力传感器是一种能够检测和测量力的装置，它通常由敏感元件和转换电路组成。敏感元件能够将力信号转换为电 信号或数字信号，而转换电路则负责将电信号进一步处理成可用的输出信号。力传感器的种类繁多，根据不同的 应用需求，可以选择不同类型的力传感器。
力传感器的分类
要点一
总结词
根据不同的分类标准，可以将力传感器分为不同的类型。 按测量方式可分为应变式、压阻式、电容式、压电式等； 按输出信号可分为模拟输出和数字输出两种类型。
详细描述
线性范围越宽，表示传感器能够测量的力值范围越大。在实际应用中，为了确 保测量的准确性和可靠性，应选择线性范围与所需测量力值相匹配的传感器。
稳定性
总结词
稳定性是指力传感器在长时间工作或 多次使用后，其性能参数保持不变的 能力。
详细描述
稳定性好的力传感器能够长期保持其 性能参数，确保测量的一致性和准确 性。而稳定性差的传感器则可能出现 性能衰减或漂移，导致测量误差。
压电式力传感器原理
总结词
基于压电效应的力传感器
优点
灵敏度高、响应速度快、结构简单。
详细描述
压电式力传感器利用压电材料的压电效应 原理，当受力时，压电材料产生电荷，通 过测量电荷量可以推算出受力的大小。
应用领域
广泛应用于冲击、振动、压力等测量领域 。
电容式力传感器原理
01 总结词
基于电容原理的力传感器
02
详细描述
电容式力传感器利用电容原理 ，通过测量电容量变化来推算 受力的大小。电容式力传感器 通常由两个平行板组成，当受 力时，平行板间距离发生变化 ，导致电容量的变化。
03
优点
04
六维力传感器原理
六维力传感器原理在六维力传感器中，采用了应变片作为力和力矩的敏感元件。
应变片是一种能够根据外部作用力发生形变的材料。
当物体受到外力作用时，应变片会发生微小的变形，这种变形会引起材料的电阻率发生变化。
通过测量这种电阻率变化，就可以获得外力施加在传感器上的大小和方向。
通常，六维力传感器中有多个应变片以不同的方向分布在传感器内部。
这些应变片可以分别测量在X、Y、Z轴方向和绕这三个轴的力矩。
当物体受到力和力矩时，各个应变片会发生不同程度的变形，从而引起对应方向的电阻率变化。
为了测量这种电阻率变化，六维力传感器通常采用电桥电路。
电桥电路是由多个电阻器和应变片组成的一种电路。
当传感器受到外力作用时，应变片的电阻发生变化，从而引起电桥电路的不平衡。
通过测量电桥电路的不平衡，可以计算出外力的大小和方向。
为了提高六维力传感器的灵敏度和准确度，传感器通常还会配备一些信号放大器和滤波器。
信号放大器可以将传感器接收到的微弱信号放大到适合测量的范围，从而提高测量的灵敏度。
滤波器可以去除环境噪声和杂散信号，从而提高测量的准确度。
除了应变片和电桥电路，六维力传感器还包括了一些辅助元件，如温度补偿器和线性传感器。
温度补偿器可以校正因温度变化引起的电阻率变化，从而提高传感器的准确度。
线性传感器可以测量传感器在X、Y、Z轴方向上的位移，从而获得更精确的力和力矩数据。
总之，六维力传感器利用应变物理效应和电子传感技术测量物体受到的力和力矩。
通过在传感器中使用应变片、电桥电路、信号放大器和滤波器等元件，可以实现对力和力矩的精确、准确的测量。
六维力传感器在工业控制、机器人技术、医疗设备等领域具有广泛的应用前景。
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单维力传 感器
导轮
六维力传感 器
载荷
数据采集和 处理软件
六维力传感器的标定系统
测量误差
Nguyen et al. 的 六维力/力矩传感器
传统的Stewart 力传感器
优点
刚度大 结构紧凑 承载能力大 无累积误差 精度高 反解简单
传统的Stewart 力传感器 缺点
传统的采用球副
关节摩擦力矩较大 易产生机械间隙和迟滞现象 很难使各预紧力一致
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
预紧式传感器的结构分析
修正后具有单一约束的球 副
预紧分支
大大降低了关节摩擦力矩的影响 减小了机械滞后现象
有中间预紧分支的预紧式传感器
预紧螺母
上平台 弹性分支 预紧支路 下平台
双层预紧式力传感器
中间预紧分支的结构相对比较复杂 施加预紧力比较困难
具有7分支的双层预紧式力传感器
双层预紧式力传感器
（1）测力平台；（2） 预紧平台；（3） 测量分支；（4）球窝； （5）下平台; （6） 球窝；（7）预紧螺栓；（8）基座
圆筒形六维力 传感器
双环形六维力传感器
十字叉式 六维力 传感器
8竖直支承六维力传感器
6维力传感器的结构
非径向三梁结构六维力传感器
T型杆结构六维力传感器
高等人发明的六维力传感器
Stewart 力传感器样机
Ranganath et al. 的 六维力/力矩传感器 Kang的 六维力/力矩传感器
Dwarakanath et al. 的 六维力/力矩传感器
8分支上下层预紧式力传感器
(1) 测力平台; (2) 预紧平台; (3) 测量分支; (4) 球窝;(5) 预紧螺栓;(6) 基座
8分支左右预紧式力传感器
(1) 测力平台; (2) 左预紧平台; (3) 测量分支; (4) 右预紧平台; (5) 预紧螺栓。
加载面
实验研究
标准单维力传感 器
具有中间预紧分支的力传感器样机
六维力传感器的原理与设计
六维力传感器
• 每个力对应一个矢量 • 既有大小又有方向 • 单维力传感器: 只有力大小已知 • 某些方面应用时需要已知更多的信息
单维力传感器：两个力 三维空间：需要知道
看起来都是5N
每个轴上的力和力矩
六维力/力矩传感直支承六维力传感器