多轴力传感器

定义与用途

多轴力传感器是一种能够同时测量空间中多个方向上的力和力矩分量的传感器。典型的多轴力传感器可测量三个正交方向的力（$F_x$、$F_y$、$F_z$）和绕三个正交轴的力矩（$M_x$、$M_y$、$M_z$），因此常称为六轴力/力矩传感器。其应用包括机械臂受力监测等需要多维力信息的场合。

基本结构

多轴力传感器基于电阻应变式原理，核心部件包括：

• 弹性元件：金属弹性体，承受外力并产生应变。
• 应变片：直接贴附在弹性元件表面，将应变转换为电阻变化。
• 测量桥路：通常为桥式测量电路，位于弹性元件附近，通过导线与外部线缆连接，用于将电阻变化转换为电压信号输出。

工作原理

当外力或力矩作用于弹性元件时，弹性元件产生应变，不同方向的力和力矩会在弹性元件上产生不同的应变分布。贴附在弹性元件表面的应变片感知这些应变，其电阻值发生变化。通过桥式测量电路，将电阻变化转换为电信号，经过解算即可得到各方向的力和力矩分量。

多轴测量与应变分布

对于六轴力传感器，弹性元件的结构设计使得不同轴向的力或力矩作用下，应变分布具有特征性差异。例如：

• 当 $x$ 和 $y$ 轴受力时，弹性元件上的应变分布呈现特定模式；
• 当 $z$ 轴受力时，应变分布模式不同。

通过合理布置应变片和桥路，可以区分并测量各个分量。

符号与单位

• 力：$F_x$、$F_y$、$F_z$，单位通常为牛顿（N）。
• 力矩：$M_x$、$M_y$、$M_z$，单位通常为牛顿·米（N·m）。

条件与限制

多轴力传感器的测量精度受弹性元件材料、应变片粘贴质量、桥路配置及解算算法影响。实际使用时需根据量程和精度要求选择合适传感器。