应变式多维力传感器的解耦方法[发明专利]

[19]
中华人民共和国专利局
[12]发明专利申请公开说明书
[11]公开号CN 1068191A
[43]公开日1993年1月20日
[21]申请号91107087.7[22]申请日91.6.21
[71]申请人南京航空学院
地址210016江苏省南京市御道街29号
[72]发明人金问林 [74]专利代理机构南京航空学院专利事务所代理人谢振龙
[51]Int.CI 5
G01L 15/00
权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页
[54]发明名称
应变式多维力传感器的解耦方法
[57]摘要
一种应变式多维力传感器的解耦方法属传感器
技术，它是采用附加应变片的组桥方法，即为消除
多维力传感器中其它外力对其中一外力的干扰，是
将除对应于该外力的这组附加应变片以外的其它各
组附加应变片各自串联(或并联)一个调节电阻后，
再以并联(或串联)的方法引入该外力的测量电桥桥
臂中，使得在除该外力以外其它各外力的作用下，
各附加应变片的阻值增量在测量电桥中产生的附加
输出与测量电桥原有桥臂应变片的阻值增量产生的
原始干扰输出方向相反，并通过调节电阻调节附加
输出的幅值大小。

91107087.7权 利 要 求 书第1/1页 1、一种应变式多维力传感器的解耦方法称为附加应变片的组桥方法，其特征在于，为消除多维力传感器中其它外力分量对其中一外力分量的干扰，是将除对应于该一外力分量的这组附加应变片以外的其它各组附加应变片各自串联或并联一个调节电阻后，再以并联或串联的方式引入到该一外力分量的测量电桥桥臂中，使得在除该外力分量以外，其它各外力分量的作用下，各附加应变片的阻值增量在测量电桥中产生的附加输出与测量电桥原有桥臂应变片的阻值增量产生的原始干扰输出方向相反，并通过调节电阻来调节附加输出的幅值大小。

91107087.7说 明 书第1/3页
应变式多维力传感器的解耦方法
本发明的应变式多维力传感器的解耦方法属传感器技术。

随着科学技术的迅速发展，应变式多维力传感器在许多领域中得到日益广泛的应用，但由于加工工艺水平的限制，目前多维力传感器还都不可避免地存在各维间耦合问题，各维间耦合系数一般只能控制在5%的水平上，成为测量误差的主要因素。

目前解决这一问题的方法有两种：（1）矩阵计算法。

这种方法一般只能在测量完成后进行，实时性差，也增加了信号处理难度;（2）补偿电路法。

这种方法需要为每个传感器配备专用的补偿电路，通用性差，难以广泛应用。

需指出的是，这两种方法实质上属于信号处理技术，并非对传感器本身输出特性的改善。

本发明的目的在于从改善传感器本身输出特性出发，提供一种简单方便实时性强，通用性好，精度高的应变式多维力传感器解耦方法。

本发明的应变式多维力传感器的解耦方法，是采用附加应变片的组桥方法。

即为消除多维力传感器中其它外力分量对其中一外力分量的干扰，是通过将除对应于该外力分量的这组附加应变片以外的其它各组附加应变片各自串联（或并联）一个调节电阻后，再以并联（或串联）的方式引入到该外力分量的测量电桥桥臂中，使得在除该外力分量以外，其它各外力分量的作用下，各附加应变片的阻值增量在测量电桥中产生的附加输出与测量电桥原有桥臂应变片的阻值增量产生的原始干扰输出方向相反，并通过调节电阻来调节附加输出的幅值大小，达到消除干扰的目的。

假设有N个外力作用分量，对应有N个外力分量的测量电桥和N组附加应变片。

N个外力分量作用，使得对应的N组附加应变片产生变化，且使其输出存在干扰现象。

为消除这种相互干扰的现象，本发明采用附加应变片的组桥方法，即为消除其它外力分量对第i个外力分量的测量电桥B i的干扰，是通过除将第i组附加应变片以外的其它的各组附加应变片以并联（或串联）的方式引入到第i个外力分量的测量电桥B1的桥壁中，使得在除第i个外力分量以外的其它各外力分量的作用下，各附加应变片的阻值增量在测量电桥B i中产生的附加输出与测量电桥B i原有的桥臂应变片的阻值增量产生的原始干扰输出方向相反，并通过引入调节电阻来调节附加输出的幅值大小，使得原始干扰输出与附加输出大
小相等方向相反，从而达到消除相互干扰的目的。

本发明的解耦方法是通过对应变式多维力传感器测量电桥桥臂联接方法的革新来改善传感器本身的输出特性的，故简单方便，实时性强，通用性好，精度易保证。

附图1.本发明的附加应变片组桥方法的原理图
附图2.本发明的附加应变片组桥方法的一个实施例电桥图。

附加应变片组桥方法的原理，以附图1所示的两维力传感器来说明，图中f1、f2为待测的两个外力分量，B1、B2为传感器对应于f1、f2的两个测量电桥，R1、R2为对应于f1、f2的附加应变片的附加电阻，其阻值在与其对应的分力f1、f2作用下有显著的增量△R11、△R22。

由于相互干扰的存在，在f1（f2）作用时，测量电桥B2（B1）将产生干扰输出△U12（△U ）。

为消除这一干扰输出，将附加电阻R1（R2）以串联或并联的方式21
接入测量电桥B2（B1）中产生一个与干扰输出方向相反的输出△U＊12（△U＊21），并通过一个与附加应变片并联或串联的调节电阻，调节△U＊12（△U＊21）的幅值大小，使得
△U＊12＝-△U12（△U＊21＝-△U21）
成立。

从而消除传感器各维间的相互干扰。

附加应变片组桥方法的具体组桥方法，可以附图2所示的实施例来说明，如，为消除外力f2分力对测量电桥B1的干扰，采用四个附加应变片的全桥电路，图中R11，R12，R13，R14为测量电桥B1的四个桥臂应变片，R′21，R′22，R′23，R′24为对应于外力f2分力的附加应变片，r为调节电阻。

将四个附加应变片R′21，R′22，R′23，R′24分别各自串联（或并联）一个调节电阻r后，再与测量电桥B1相对应的桥臂R11，R12，R13，R14并联（或者串联）成B＊1电桥。

为方便讨论，设各桥臂应变片和附加应变片阻值相等，皆为R，调节电阻阻值为r1，已知在f2作用下桥臂应变片的阻值增量为：
△R12i＝（-1）i△R12
△R′22i＝（-1）i△R22
（i＝1～4）
（1）
定义：
k12=-(△R12)/(△R22＇)，为f2对f1的主动干扰系数。

附图2所示电桥B＊1的桥臂阻值：
R*2= (R(R+r1))/(2R+r1) （2）
不难推出，在f2作用下，各桥臂的阻值增量为：
△R*12i=(-1)i(R2△R22+(R+r1)2R12)/((2R+r1+△R22)(2R+r1)) (i=1～4)（3）
令△R＊12i＝0，得：
(R2)/((R+r1)2) =- (△R12)/(△R22) =k12（4）
或
(5)
由式（4）与式（5）不难得出结论：当△R12与△R22符号相反，并有｜△R22｜≥｜△R12｜时，若按式（5）选取调节电阻阻值，便可使附图2所示的电桥B＊1不受f2作用的干扰，从而达到消除维间干扰的目的。

同理，为消除外力f1分量对测量电桥B2的干扰，应将对应于f1的四个附加应变片各自串联（或并联）调节电阻后，再分别并联（或串联）于测量电桥B2的四个桥臂。

若是两维力以上多维力传感器，则以此类推。

除了全桥式电桥外，也可根据实际需要联接成半桥式电桥或单臂式电桥。

91107087.7说 明 书 附 图第1/1页
图1。