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。
传感器原理及应用第二章力传感器 ppt课件
EXIT
ppt课件
12
ch2 力传感器
传感器与测试技术
设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为
R l
S
当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为:
dR d dl dS RlS
式中： dR ——电阻的相对变化 R
d ——电阻率的相对变化
示 应
应变对测试值的真实应变的相对误 变
差不超过规定范围（一般为10%） εi
时的最大真实应变值。
±10%
1
EXIT
ppt课件
εlim 真实应变εz
应变片的应变极限
22
ch2 力传感器
传感器与测试技术
6、动态特性
当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的 动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到 应变片的时间很短(估计约0.2μs)，故只需考虑应变沿应变片 轴向传播时的动态响应。
（1+2μ）≈1.6；
/ l / l
：电阻率随应变而引起的变化（称“压阻效应”）。
金属材料：以前者为主，则KS≈ 1+2μ；
半导体： KS值主要由电阻率相对变化所决定。
实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通
常KS在1.8～3.6范围内。
金属应变片灵敏系数KS由材料的几何尺寸决定的
R4
b
R1
R
2
R1
a
R
4
R
2
R3 c
ey
R3
R
4d
e0
EXIT
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31
ch2 力传感器
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。
六维力传感器的原理及应用
六维力传感器的原理及应用一、六维力传感器的概述六维力传感器是一种专门用于检测和测量物体在空间中受到的六个方向上的力和力矩的传感器。
它可以精确地测量力和力矩的大小和方向，广泛应用于机械手臂、机器人、航天器、汽车等领域。
二、六维力传感器的工作原理六维力传感器基于应变测量原理工作。
其结构包括应变片、弹性体和传感器电路。
当物体受到力或力矩作用时，应变片会发生应变，这些应变通过传感器电路转化为电信号，最终得到力和力矩的测量值。
三、六维力传感器的组成部分六维力传感器由以下几个主要组成部分构成：1.应变片–应变片是六维力传感器的核心部件，通常采用金属或半导体材料制成。
–应变片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。
2.弹性体–弹性体用于支撑和保护应变片，同时起到缓冲作用，使应变片在受到外力作用时能够发生应变。
–弹性体通常采用橡胶、硅胶等材料制成，具有良好的弹性和耐磨性。
3.传感器电路–传感器电路负责将应变片产生的应变信号转化为电信号。
–传感器电路通常包括放大器、滤波器、模数转换器等组件，以确保测量结果的准确性和稳定性。
四、六维力传感器的应用领域六维力传感器广泛应用于以下领域：1.机械手臂–六维力传感器可以用于机械手臂的力控制和位置控制，使机械手臂能够根据所受力的大小和方向做出相应的动作。
–在装配、焊接、搬运等工作中，六维力传感器可以帮助机械手臂实现精确的位置和力量调节，提高工作效率和精度。
2.机器人–六维力传感器在机器人领域有着广泛的应用。
通过测量机器人受到的力和力矩，可以实现机器人的力控制、力觉反馈以及外界环境的感知和交互。
–在工业自动化、医疗机器人、服务机器人等领域，六维力传感器可以帮助机器人更好地适应和与环境进行交互。
3.航天器–在航天器的设计和测试中，六维力传感器起到了至关重要的作用。
它可以帮助工程师评估航天器在发射、飞行和着陆过程中所受到的力和力矩的大小和方向。
–通过监测和分析这些力和力矩的数据，可以提前发现潜在的问题，确保航天器的安全性和稳定性。
人教版 高二物理 选修3-1 第六章：6.1 传感器及其工作原理 (共23张PPT)
干簧管和音乐茶杯能够感受非电学量并将它按照 一定的规律转化成电学量的一类元件或组件。
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四．霍尔元件
一个确定的霍尔元件
的d、k、为定值，再保 持I不变，则UH的变化 就与B成正比。这样，霍
尔元件能够把磁感应强 度这个磁学量转化为电 压这个电 均速率为v，单位体积内自由移动的载流子数为n，垂直电
• 流方向导体板的横向宽度为a，则电流的微观表达式为
•
I nqadv ①
• 载流子在磁场中受到的洛伦兹力
• 载流子在洛伦兹力作用下侧移，两个侧面出现电势差
• f 载流子受到的电场力为 qvB
②
• 当达到稳定状态时，洛伦兹力与电场力平衡，即
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插入电介质，电容增大 电容式传感器能够把位移这个力学 量转化为电容这个电学量。
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 。
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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
案例：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ຫໍສະໝຸດ 上的力和力矩六维力/力矩传感器
六维力传感器的结构
3竖直支承六维力传感器 4竖直支承六维力传感器
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
具有中间预紧分支的力传感器样机
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
力/力矩分量
Fx Fy Fz Mx My Mz
测量误差
0.2% 0.4% 1.3% 0.1% 1.1% 0.4%
六维力/力矩传感器的应用
机械臂的末端感应器
触觉
微力的测量
六维力 /力矩传感器有着很广泛的应用，如机械装配、
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
预紧式传感器的结构分析
修正后具有单一约束的球 副