一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法

摘要

本发明公开一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法，包括：测力机构、信号激励电路和信号调理电路；测力机构包括球形外壳、在球形外壳内表面的三维正交方向上连接的传力元件以及与传力元件连接的压磁元件；压磁元件通过传力元件接收施加在球形外壳上的外力；压磁元件接收外力后，由信号激励电路传输激励信号至压磁元件，以使压磁元件将外力转换为非零的感应电压，并将感应电压传输至信号调理电路；信号调理电路对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成后，得到外力值和每个方向的分力值。可精确检测各个方向的载荷力，同时测量在同等受力变形的基础上增加磁场的偏置程度，从而满足实际应用中复杂的工况。

说明书

技术领域

本发明涉及力测量技术领域，特别是涉及一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

力传感器广泛应用于工程机械、航空航天、建筑工业、自动化等领域，其种类繁多，如电阻应变片式、半导体应变片、压阻式、压电式等。其中，压磁式力传感器相对于应变片式力传感器具有承载能力强、输出功率大、抗干扰能力好，并且能够在恶劣环境工况下保持较好工作状态的优点。

压磁式传感器是一种力与电转换传感器，基本原理是利用铁磁材料的压磁效应，铁磁材料在外力的作用下，会引起内部变形产生应力，材料磁导率的变化使传感器的输出电压产生相应变化。

而发明人发现，现有压磁传感器在测量外力时存在以下缺陷：

(1)现有的压磁传感器在工作时，励磁磁芯只能检测两个维度的受力情况，不能完全反映出实际外力的大小；

(2)在测量外力值时，现有的压磁传感器会受工作环境的影响，导致激励电压忽大忽小而造成测量误差；

(3)由于测量工况不同或施加外力大小不同等因素，导致引起的磁导率变化不同，从而输出的感应电压也不同，若采用统一的检测量程，对于较小的感应电压必然无法得到准确的数值；

(4)由于传感器结构和不同方向磁场之间相互影响等原因，使得压磁传感器在实际工作中，每一维度的压磁元件测量力的分量时，其输出信号会受到其他维度的影响，那么该维度所测量的数值并非全是外力在该维度的分量，存在多个维度之间耦合误差的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法，通过改变传感器内部结构以实现压磁传感器的三维测力，可精确检测各个方向的载荷力，同时测量在同等受力变形的基础上增加磁场的偏置程度，从而满足实际应用中复杂的工况。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种球形三维测力压磁式传感器，包括：测力机构、信号激励电路和信号调理电路；所述测力机构包括球形外壳、在球形外壳内表面的三维正交方向上连接的传力元件以及与传力元件连接的压磁元件；

所述压磁元件通过传力元件接收施加在球形外壳上的外力；

所述压磁元件接收外力后，由信号激励电路传输激励信号至压磁元件，以使压磁元件将外力转换为非零的感应电压，并将感应电压传输至信号调理电路；

所述信号调理电路对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成后，得到外力值和每个方向的分力值。

第二方面，本发明提供一种球形三维测力压磁式传感器的三维力测量方法，包括：

对测力机构施加外力后，对外力进行正交分解为多个方向的分力，测力机构接收分力并接收由信号激励电路传输的激励信号，以使外力转换为非零的感应电压，并将感应电压传输至信号调理电路；

所述信号调理电路对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成后，得到外力值和每个方向的分力值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过改变传感器内部结构以实现压磁传感器的三维测力，可精确检测各个方向的载荷力，同时测量在同等受力变形的基础上增加磁场的偏置程度，从而满足实际应用中复杂的工况，提高压磁式传感器的测量精度与灵敏度。

本发明为解决传感器因工作条件导致激励电压忽大忽小而造成的测量误差的问题，在信号激励电路中设置检测电路和PLC电路，由检测电路检测输出电压是否稳定并提供反馈信号，由PLC电路根据接收到的反馈信号，将电源电压调整至稳定状态。

本发明为解决由于测量工况不同或施加外力大小不同等因素导致的磁导率变化不同，输出的感应电压也不同的问题，在信号调理电路中采用量程自动转换电路根据感应电压的大小自动选择合适的量程，实现传感器高精度测量。

本发明为解决多个维度之间耦合误差的问题，在信号调理电路中通过BP神经网络模型实现球形三维测力压磁式传感器的非线性解耦，解耦后得到每个方向力的分量，通过平行四边形定进行力的合成。

本发明为解决降低温度或振动等工作条件对传感器的影响，采用PSO-LSSVM算法对进行信号补偿，提高传感器抗干扰能力。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的球形三维测力压磁式传感器结构原理示意图；

图2为本发明实施例1提供的球形三维测力压磁式传感器的三维轴测图；

图3为本发明实施例1提供的信号激励电路图；

图4为本发明实施例1提供的信号调理电路图；

其中，1.测力机构，2.信号激励电路，3.信号调理电路，4.接线端口，5.球形外壳，6.压磁元件，7.传力元件，8.球形固定器，51.定位凹槽，61.励磁磁芯，62.励磁绕组，63.感应磁芯，64.感应绕组，65.中间磁路。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种球形三维测力压磁式传感器，包括：测力机构1、信号激励电路2和信号调理电路3；所述测力机构1包括球形外壳5、在球形外壳5内表面的三维正交方向上连接的传力元件7以及与传力元件7连接的压磁元件6；

所述压磁元件6通过传力元件7接收施加在球形外壳5上的外力；

所述压磁元件6接收外力后，由信号激励电路2传输激励信号至压磁元件6，以使压磁元件6将外力转换为非零的感应电压，并将感应电压传输至信号调理电路3；

所述信号调理电路3对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成后，得到外力值和每个方向的分力值。

在本实施例中，该球形三维测力压磁式传感器呈空间对称分布，用于测量施力部件的拉压应力，测力机构1为核心元件，信号激励电路2通过接线端口4的输入端将交流电流激励信号输入到测力机构1中，为传感器提供电能，测力机构1通过接线端口4的输出端将感应电动势输出到信号调理电路3中，对其进行调理与显示。

在本实施例中，所述测力元件包括球形外壳5、球形固定器8、传力元件7和压磁元件6；具体地：

所述球形外壳5为密封的球形，内部为空腔结构，由高强度合金制成，能够承载较大应力，同时可以产生弹性变形，保证传感器在三维空间内均匀受力；

在球形外壳5内表面的三维正交方向上分布有定位凹槽51，传力元件7的顶端嵌入到定位凹槽51中，与球形外壳5紧密连接，在保证能够传递应力的同时，防止传力元件在工作过程中因受力产生滑移，从而影响测量精度；

所述传力元件7的底端与压磁元件6固连，用于将施加于球形外壳的外力传递给压磁元件6；

所述压磁元件6包括励磁磁芯61、励磁绕组62、感应磁芯63、感应绕组64和中间磁路65；励磁磁芯61上绕有励磁绕组62，感应磁芯63上绕有感应绕组64，两个感应绕组的同名端连接形成反向串联；

压磁元件绕组之间的接线相互独立，励磁绕组62通过接线端口4的输入端与信号激励电路2连接，感应绕组64通过接线端口4的输出端与信号调理电路3连接。

优选地，接线端口4由输入口、输出口和导线连接器组成，保证电路稳定。

优选地，传力元件7由非铁磁材料制成，为Y形结构，其他维度方向的压磁元件6的感应磁芯从Y形分叉中穿过，避免其在空间上相交。

优选地，本实施例设有六组定位凹槽，每组两个定位凹槽，用于嵌入六个传力元件；

优选地，压磁元件6采用铁磁材料制成，设有三组，三组压磁元件结构完全一致，图1仅展示X方向的压磁元件6。

如图2所示，压磁元件6的励磁磁芯61两两正交装配于球形固定器8上，球形固定器8与球形外壳5同心，并设有三个通孔，用于将压磁元件两两正交装配于球形固定器上。

在本实施例中，所述信号激励电路2用于励磁绕组62提供稳定交流信号的信号源，包括外接电源、检测电路和PLC电路，如图3所示；具体地：外接电源提供交流电，检测电路采用型号为UM803的芯片，用于检测输出电压是否稳定并提供反馈信号，PLC电路用于根据接收到检测电路的反馈信号，将电源电压调整至稳定状态，防止传感器因工作条件导致激励电压忽大忽小而造成测量误差。

在本实施例中，所述信号调理电路3用于接收感应绕组产生的感应电压，并对感应电压进行信号处理后输出相对准确的外力值，包括滤波及放大电路、量程自动转换电路、微处理器、A/D转换电路和显示器，如图4所示；具体地：

在压磁元件中将外力转换为电信号后，由于信号较小且存在噪声，因此通过滤波及放大电路对电信号进行修正；量程自动转换电路用于根据对被测感应电压大小的判断，自动调整合适的量程，使得在有效范围内进行外力的测量；微处理器用于通过算法对传感器进行信号补偿、输出解耦和分力合成；A/D转换电路用于将微处理器中的数字信号转换为成实际力的数值并输出到显示器上。

当压磁元件6未受外力作用时，各区域磁导率相同，励磁绕组62两极形成对称的磁场，由于传力元件7由非铁磁材料制成，故磁场只在压磁元件6内部传导，励磁绕组62到两个感应绕组64的距离相等，故流向两个感应磁芯的磁通量相等，磁通量从励磁磁芯发出，经过中间磁路65传导流经感应磁芯再返回励磁磁芯，形成闭合回路；

由于信号激励电路发出的激励信号为交变电压，故产生的磁场不断变化，流经感应绕组64的磁通量也随之变化，两个感应绕组64产生大小相等的感应电动势，再经两个感应绕组64反向串联后，输出电压为0。

当施加外力F至球形三维测力压磁式传感器时，根据正交分解法将外力F分解为F

当外力F经传力元件7传递给励磁磁芯61时，压磁元件6内部对称的磁场发生偏置，通过两个感应磁芯的磁通量发生变化，两个感应绕组64产生的感应电动势大小不相等，则反向串联后输出电压不为0；通过上述过程，测力机构1实现力-磁-电的映射，输出感应电压。

压磁元件6的感应绕组64通过接线端口4的输入端与信号调理电路3相连，信号调理电路3对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成的过程，具体包括：

(1)首先对感应电压经滤波及放大电路进行处理后，输出为稳定且有效的电压；

(2)由于外力大小不同，所引起的磁导率变化不同，故输出的感应电压也不同，所以本实施例中采用量程自动转换电路，根据感应电压的大小自动选择合适的量程；

(3)为了降低温度、振动等工作条件对传感器的影响，本实施例采用PSO-LSSVM算法模型进行信号补偿，提高传感器抗干扰能力；

(4)由于传感器结构和不同方向磁场之间相互影响等原因，使得传感器在实际工作中，每一维度的压磁元件测量力的分量时，其输出信号会受到其他维度的影响，那么该维度所测量的数值并非全是外力在该维度的分量，为了消除三个维度之间耦合误差的影响，本实施例通过BP神经网络算法模型实现球形三维测力压磁式传感器的非线性解耦，解耦后得到每个方向力的分量，通过平行四边形定则进行力的合成；在微处理中将上述算法进行集成，精确反演施加的三维力；

(5)经信号补偿、输出解耦和分力合成处理后的信号通过A/D转换电路在显示器上输出外力值以及每一个方向的分力值，完成对三维力的测量。

实施例2

基于实施例1所述的球形三维测力压磁式传感器的具体结构，本实施例提供一种球形三维测力压磁式传感器的三维力测量方法，包括：

对测力机构施加外力后，对外力进行正交分解为多个方向的分力，测力机构接收分力并接收由信号激励电路传输的激励信号，以使外力转换为非零的感应电压，并将感应电压传输至信号调理电路；

所述信号调理电路对感应电压进行信号补偿、输出解耦和分力合成后，得到外力值和每个方向的分力值。

实施例通过改变传感器内部结构以实现压磁传感器的三维测力，可精确检测各个方向的载荷力，同时测量在同等受力变形的基础上增加磁场的偏置程度，从而满足实际应用中复杂的工况，提高压磁式传感器的测量精度与灵敏度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。