本發明屬于三維力傳感器領域，涉及一種空心式三維力傳感器及其工作方法。

背景技術：

1、國內基于電阻應變原理的三維力傳感器技術較為成熟，多采用框架式、多柱式等結構實現，一方面多柱式結構所測三維力的大小或輸出靈敏度均受一定的限制，如z向軸向力較大量程為噸級以上，且約為x向或y向側向力的兩倍而輸出靈敏度卻相比較小；另一方面框架式結構所測三維力較小量程為公斤級，大小或輸出靈敏度均相近，但結構尺寸較大。這些結構均不能實現高壓流體從三維力傳感器內部通過且精確安全穩定可靠測量其所受三維力。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種空心式三維力傳感器及其工作方法，允許高壓流體從其內部通過，且精確安全穩定可靠測量其所受三維力，適應復雜環境應用。

2、為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

3、一種空心式三維力傳感器，包括彈性體和波紋管；

4、彈性體為外方內圓筒狀結構，內部為中空的腔體，頂底方向為z方向，其中兩個相對的側面為x向側面，另外兩個相對的側面為y向側面，x向側面和y向側面均設置有兩列間隔設置的通孔，上下相鄰的通孔之間為梁，x向側面和y向側面的通孔高度位置對應，x向側面和y向側面選擇同一高度的通孔作為感應區，x向側面的感應區通孔內，豎直側壁上和梁上均設置有應變片，y向側面的感應區通孔內，梁上設置有應變片；

5、彈性體頂底兩端均設置有圓形通孔，圓形通孔與內部腔體連通，波紋管兩端與彈性體頂底兩端的圓形通孔分別連接。

6、優選的，x向側面的感應區通孔寬度小于y向側面的感應區通孔寬度，x向側面設有應變片的梁厚度小于y向側面設有應變片的梁厚度。

7、優選的，彈性體靠近下端位置設有限位間隙，限位間隙將最底部兩個通孔連接。

8、進一步，限位間隙中間為工字形結構。

9、優選的，x向側面和y向側面中，兩列通孔之間均設置有一個凹槽。

10、優選的，波紋管內凹波紋和外凸波紋數量相同。

11、優選的，彈性體頂部通孔直徑等于波紋管中部內凹波紋內壁最小直徑，彈性體底部通孔直徑等于波紋管中部外凸波紋內壁最大直徑，彈性體頂部設置有連接環，連接環與彈性體頂部通孔連通，連接環內壁與彈性體頂部通孔內壁圓弧過渡，連接環外徑等于波紋管中部外凸波紋內壁最大直徑，連接環內徑大于波紋管中部內凹波紋內壁最小直徑。

12、進一步，波紋管兩端分別與彈性體兩端圓形通孔連接。

13、優選的，波紋管中部外壁部分與彈性體內壁設置有間隙。

14、一種空心式三維力傳感器的工作方法，當高壓流體通過時，高壓流體壓力沿徑向作用于波紋管內壁，通過波紋管內壁周向拉力實現平衡，高壓流體壓力沿z軸向作用于波紋管內壁，對波紋管內凹波紋擠壓產生軸向擠壓變形，對波紋管外凸波紋拉伸產生軸向拉伸變形，波紋管的軸向變形相互抵消而不影響彈性體的有效變形，感應區的應變片分別獲取三個方向的形變量，從而實現對彈性體頂部三個方向受力的高精度測量。

15、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

16、本發明通過空心式三維力傳感器通過將x向或y向側向力分別轉換為y向或x向彎矩分量，再分別轉換為x向或y向側向力相應的軸向力分量，解耦精度高，實現了適應對大、小量程的三維力測量，其結構尺寸小，允許高壓流體從其內部通過，且精確安全穩定可靠測量其所受三維力，且適應于多粉塵、煙霧、電磁場等復雜環境，填補了國內空白。

17、進一步，由于測量z向形變的應變片位于x向側面，使受力z向受相同大小力時，通過變形協調，在z向受力的電阻應變感應區分配的z向分力增大，從而提高了z向測量惠斯通電橋的輸出靈敏度、結構和惠斯通電橋解耦精度，改善了加工工藝性。

18、進一步，限位間隙分別實現對x向、y向、z向受力的過載保護，保證空心式三維力傳感器在復雜力場下測量和結構的安全可靠。

19、進一步，兩列通孔之間均設置有一個凹槽，增加空心式三維力傳感器彈性體形變量的同時，也實現了減重。

20、進一步，波紋管內凹波紋和外凸波紋數量相同，實現了軸向各部位受擠壓和拉伸產生的變形相等，

21、進一步，圓薄壁波紋管頂部最后一個波浪受壓面的面積與連接環側壁和端面面積相同，高壓流體沿z軸向作用于圓薄壁波紋管頂端波紋內壁和通過圓薄壁波紋管剛性頂端作用于連接環內壁和端面的兩個力大小相等、方向相反，從而實現平衡，使得三維力傳感器彈性體中部對三維力敏感的多平行梁貫穿式鏤空結構不受壓力變化影響，從而實現了三維力的精確安全穩定可靠測量不受高壓流體壓力變化的影響。

技術特征：

1.一種空心式三維力傳感器，其特征在于，包括彈性體（1）和波紋管（2）；

2.根據權利要求1所述的空心式三維力傳感器，其特征在于，x向側面的感應區通孔寬度小于y向側面的感應區通孔寬度，x向側面設有應變片的梁厚度小于y向側面設有應變片的梁厚度。

3.根據權利要求1所述的空心式三維力傳感器，其特征在于，彈性體（1）靠近下端位置設有限位間隙（3），限位間隙（3）將最底部兩個通孔連接。

4.根據權利要求3所述的空心式三維力傳感器，其特征在于，限位間隙（3）中間為工字形結構。

5.根據權利要求1所述的空心式三維力傳感器，其特征在于，x向側面和y向側面中，兩列通孔之間均設置有一個凹槽。

6.根據權利要求1所述的空心式三維力傳感器，其特征在于，波紋管（2）內凹波紋和外凸波紋數量相同。

7.根據權利要求1所述的空心式三維力傳感器，其特征在于，彈性體（1）頂部通孔直徑等于波紋管（2）中部內凹波紋內壁最小直徑，彈性體（1）底部通孔直徑等于波紋管（2）中部外凸波紋內壁最大直徑，彈性體（1）頂部設置有連接環，連接環與彈性體（1）頂部通孔連通，連接環內壁與彈性體（1）頂部通孔內壁圓弧過渡，連接環外徑等于波紋管（2）中部外凸波紋內壁最大直徑，連接環內徑大于波紋管（2）中部內凹波紋內壁最小直徑。

8.根據權利要求7所述的空心式三維力傳感器，其特征在于，波紋管（2）兩端分別與彈性體（1）兩端圓形通孔連接。

9.根據權利要求1所述的空心式三維力傳感器，其特征在于，波紋管（2）中部外壁部分與彈性體（1）內壁設置有間隙。

10.一種基于權利要求1-9任意一項所述空心式三維力傳感器的工作方法，其特征在于，當高壓流體通過時，高壓流體壓力沿徑向作用于波紋管（2）內壁，通過波紋管（2）內壁周向拉力實現平衡，高壓流體壓力沿z軸向作用于波紋管（2）內壁，對波紋管（2）內凹波紋擠壓產生軸向擠壓變形，對波紋管（2）外凸波紋拉伸產生軸向拉伸變形，波紋管（2）的軸向變形相互抵消而不影響彈性體（1）的有效變形，感應區的應變片分別獲取三個方向的形變量，從而實現對彈性體（1）頂部三個方向受力的測量。

技術總結
本發明公開了一種空心式三維力傳感器及其工作方法，包括彈性體和波紋管；彈性體為外方內圓筒狀結構，內部為中空的腔體，頂底方向為Z方向，其中兩個相對的側面為X向側面，另外兩個相對的側面為Y向側面，X向側面和Y向側面均設置有兩列間隔設置的通孔，上下相鄰的通孔之間為梁，X向側面和Y向側面的通孔高度位置對應，X向側面和Y向側面選擇同一高度的通孔作為感應區，X向側面的感應區通孔內，豎直側壁上和梁上均設置有應變片，Y向側面的感應區通孔內，梁上設置有應變片；彈性體頂底兩端均設置有圓形通孔，波紋管兩端與圓形通孔分別連接。本發明傳感器允許高壓流體從其內部通過，且精確安全穩定可靠測量其所受三維力，適應復雜環境應用。

技術研發人員：石榮武,張展,徐鏡先,崔青巍,楊慶超,王育水
受保護的技術使用者：中航電測儀器（西安）有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28