CN111780909A - 一种六分力测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六分力测量传感器，由弹性体和应变片组成，弹性体由固定端、圆周加载端以及连接在固定端与加载端之间的应变梁组成，四个应变梁分布在固定端上下左右，且应变梁均设有沿轴向对称的轴向第一贴片面和轴向第二贴片面，沿径向对称的周向第一贴片面和周向第二贴片面四个贴片面，同一贴片面上的同一对应变片的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，应变片分别成对地对应粘贴在应变梁的贴片面上，以实现测量车轮水平径向、车轮垂直径向和车轮轴向的受力，和沿车轮水平径向、车轮垂直径向和车轮轴向的力矩；测量同一分力方向上的应变片电连接形成独立的惠斯通全桥电路。本发明灵敏度高，维间耦合度小，测量精度较高。

Description

一种六分力测量传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种六分力测量传感器。

背景技术

车轮是车辆唯一与地面直接接触的关键功能总成构件，车辆的所有基本使用性能与车轮密切相关，因此，车轮力的测量对于分析车辆的动力学性能具有重要意义。

在车轮坐标系中，车轮受到包括Fx，Fy，Fz三个力和Mx，My，Mz三个力矩在内的六个方向上的载荷。六分力传感器广泛用于采集汽车从轮胎传递到车身的三个方向力和三个方向力矩。目前，国外对车轮六分力传感器的研究较多，美国、德国、瑞士、日本等都生产出了传感器产品。而国内对车轮六分力传感器技术掌握较少，没有完全自主的六分力传感器产品。因此，国内汽车厂家使用的都是国外进口的传感器产品，存在着价格昂贵，无法掌握关键技术等问题，限制了国产车辆的自主开发。

而在现有技术中，现有的六分力传感器也存在着应变片数量多，电桥线路、传感器结构复杂，维度间力的测量影响较大，加工成本高等不足之处。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种六分力测量传感器，在保持测量六分力功能的基础上，减小不同维度间力的耦合，避免串扰现象，提高测量精度，降低传感器制造成本。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种六分力测量传感器，由一体成型的弹性体和应变片组成；

所述弹性体由圆周内侧的固定端、圆周外侧的加载端以及连接在固定端与加载端环形间隙之间的应变梁组成；

所述应变梁包括：环形间隙垂直径向两侧的第一应变梁和第二应变梁，环形间隙水平径向两侧的第三应变梁和第四应变梁；

所述应变梁均设有四个贴片面，分别为：中间的轴向端板两侧的轴向第一贴片面和轴向第二贴片面，应变梁两侧的周向侧板外侧的周向第一贴片面和周向第二贴片面；

所述应变片分别成对地对应粘贴在应变梁的贴片面上，应变梁的每个贴片面分别贴有两对应变片，以实现测量车轮水平径向、车轮垂直径向和车轮轴向三个方向上的受力，以及沿车轮水平径向、车轮垂直径向和车轮轴向三个方向的力矩；

所述轴向第一贴片面和轴向第二贴片面上的应变片沿轴向镜面对称布置，周向第一贴片面与周向第二贴片面对应粘贴的应变片沿径向镜面对称设置；

同一贴片面上的同一对应变片的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧；

测量同一分力方向上的应变片电连接形成独立的惠斯通全桥电路，通过电路中各电桥臂上的应变片电阻值变化引起的测量端电压变化，实现对应六个方向分力的检测。

进一步地，所述应变梁的轴向端板的轴向两侧形成有两个沿轴向对称的应变凹槽；在所述应变梁的径向外侧对应的加载端外沿上，开有弧形的应变通孔。

进一步地，所述应变片中，测量车轮水平径向受力的应变片有8个，分别布置在第一应变梁和第二应变梁上；其中：

第一应变片R1和第二应变片R2粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第三应变片R3和第四应变片R4粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第五应变片R5和第六应变片R6粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第七应变片R7和第八应变片R8粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

测量车轮水平径向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第一应变片R1和第三应变片R3依次串联组成的第一桥臂；

第二应变片R2和第四应变片R4依次串联组成的第二桥臂；

第五应变片R5和第七应变片R7依次串联组成的第三桥臂；

第六应变片R6和第八应变片R8依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮水平径向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二应变片R2与第三应变片R3之间，电压测量端另一端连接至第七应变片R7和第六应变片R6之间。

进一步地，所述应变片中，测量车轮轴向受力的应变片有16个，分别布置在第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁和第四应变量上；其中：

第九应变片R9和第十应变片R10粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十一应变片R11和第十二应变片R12粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第十三应变片R13和第十四应变片R14粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十五应变片R15和第十六应变片R16粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第十七应变片R17和第十八应变片R18粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十九应变片R19和第二十应变片R20粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第二十一应变片R21和第二十二应变片R22粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第二十三应变片R23和第二十四应变片R24粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置；

测量车轮轴向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第九应变片R9、第十一应变片R11、第二十一应变片R21和第二十三应变片R23依次串联组成的第一桥臂；

第十应变片R10、第十二应变片R12、第二十二应变片R22和第二十四应变片R24依次串联组成的第二桥臂；

第十五应变片R15、第十三应变片R13、第十九应变片R19和第十七应变片R17依次串联组成的第三桥臂；

由第十六应变片R16、第十四应变片R14、第二十应变片R20和第十八应变片R18依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮轴向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二十三应变片R23与第十应变片R10之间，电压测量端另一端连接至第十六应变片R16和第十七应变片R17之间。

进一步地，所述应变片中，测量车轮垂直径向受力的应变片有8个，分别布置在第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第二十五应变片R25和第二十六应变片R26粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第二十七应变片R27和第二十八应变片R28粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第二十九应变片R29和第三十应变片R30粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第三十一应变片R31和第三十二应变片R32粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

测量车轮垂直径向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第二十六应变片R26和第二十八应变片R28依次串联组成的第一桥臂；

第二十五应变片R25和第二十七应变片R27依次串联组成的第二桥臂；

第三十应变片R30和第三十二应变片R32依次串联组成的第三桥臂；

第二十九应变片R29和第三十一应变片R31依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮垂直径向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二十八应变片 R28与第二十五应变片R25之间，电压测量端另一端连接至第三十二应变片R32和第二十九应变片R29之间。

进一步地，所述应变片中，测量沿车轮水平径向力矩的应变片有8个，分别布置在第一应变梁和第二应变梁上；其中：

第三十三应变片R33和第三十四应变片R34粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第三十五应变片R35和第三十六应变片R36粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第三十七应变片R37和第三十八应变片R38粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第三十九应变片R39和第四十应变片R40粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置；

测量车轮水平径向力矩的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第三十三应变片R33和第三十五应变片R35依次串联组成第一桥臂；

第三十四应变片R34和第三十六应变片R36依次串联组成第二桥臂；

第三十七应变片R37和第三十九应变片R39依次串联组成第三桥臂；

第三十八应变片R38和第四十应变片R40依次串联组成第四桥臂；

测量沿车轮水平径向力矩的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第三十四应变片 R34与第三十五应变片R35之间，电压测量端另一端连接至第三十七应变片R37和第四十应变片R40之间。

进一步地，所述应变片中，测量沿车轮轴向力矩的应变片有16个，分别布置在第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第四十一应变片R41和第四十二应变片R42粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第四十三应变片R43和第四十四应变片R44粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第四十五应变片R45和第四十六应变片R46粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第四十七应变片R47和第四十八应变片R48粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第四十九应变片R49和第五十应变片R50粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第五十一应变片R51和第五十二应变片R52粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第五十三应变片R53和第五十四应变片R54粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第五十五应变片R55和第五十六应变片R56粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

测量沿车轮轴向力矩的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第五十应变片R50、第五十二应变片R52、第四十五应变片R45和第四十七应变片R47 依次串联组成第一桥臂；

第四十九应变片R49、第五十一应变片R51、第四十六应变片R46和第四十八应变片R48依次串联组成第二桥臂；

第四十二应变片R42、第四十四应变片R44、第五十三应变片R53和第五十五应变片R55依次串联组成第三桥臂；

第四十一应变片R41、第四十三应变片R43、第五十四应变片R54和第五十六应变片R56依次串联组成的第四桥臂；

测量沿车轮轴向力矩的应变片所组成的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第四十七应变片R47与第四十九应变片R49之间，电压测量端另一端连接至第四十一应变片R41 和第五十五应变片R55之间。

进一步地，所述应变片中，测量沿车轮垂直径向力矩的应变片有8个，分别布置在第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第五十七应变片R57和第五十八应变片R58粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第五十九应变片R59和第六十应变片R60粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第六十一应变片R61和第六十二应变片R62粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第六十三应变片R63和第六十四应变片R64粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置；

测量沿车轮垂直径向力矩的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第五十八应变片R58和第六十应变片R60依次串联组成的第一桥臂；

第五十七应变片R57和第五十九应变片R59依次串联组成的第二桥臂；

第六十一应变片R61和第六十三应变片R63依次串联组成的第三桥臂；

第六十二应变片R62和第六十四应变片R64依次串联组成的第四桥臂；

测量沿车轮垂直径向力矩的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第五十七应变片 R57与第六十应变片R60之间，电压测量端另一端连接至第六十二应变片R62和第六十三应变片R63之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述六分力测量传感器采用六组应变贴片组成的对应六个电桥，六个电桥各自对应六个空间力的测量，六分力的维间耦合度小，理论上无相互干扰，有效提高测量的精度。

2、本发明所述六分力测量传感器结构简单、紧凑，易于加工制造，成本较低。

附图说明

图1为本发明所述六分力测量传感器立体结构示意图；

图2为本发明所述六分力测量传感器中，应变片的分布位置示意图；

图3a为本发明所述六分力测量传感器中，用于测量X方向力Fx的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图3b为本发明所述六分力测量传感器中，用于测量Y方向力Fy的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图3c为本发明所述六分力测量传感器中，用于测量Z方向力Fz的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图3d为本发明所述六分力测量传感器中，用于测量沿X方向力矩Mx的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图3e为本发明所述六分力测量传感器中，用于测量沿Y方向力矩My的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图3f为本发明所述六分力测量传感器中，用于测量沿Z方向力矩Mz的应变片组成的惠斯通全桥电路示意图；

图4为本发明所述六分力测量传感器测量信号传递流程框图。

图中：

1-固定端， 2-加载端， 3-应变梁，

4-应变凹槽， 5-应变通孔， 6-加载端螺纹孔，

7-固定端螺纹孔。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

本发明公开了一种六分力测量传感器，所述传感器由弹性体和应变片组成，所述应变片对应安装在弹性体上，从传递至弹性体的六个方向作用载荷Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz，使对应位置上的应变片因产生形变而使阻值发生变化，使得应变片连接组成的电路所输出的电信号发生变化，最终通过测量所输出的电信号变化，计算获得包括：水平径向受力(Fx)，垂直径向受力(Fz)，轴向受力(Fy)，沿水平径向力矩(Mx)，沿垂直径向力矩(Mz)以及沿轴向力矩(My)在内的六个方向的作用载荷。

如图1所示，所述弹性体为一体成型结构，包括：固定端1、加载端2和应变梁3。

所述固定端1为环形结构，在固定端1的圆周外侧设有4个连接耳，每个连接耳上分别开有一个轴向的固定端连接孔7，所述固定端连接孔7为螺纹孔，用于与待测量装置的固定端螺纹固定相连。

所述加载端2为环形结构，加载端2同心设置在所述固定端1的圆周外侧，且与固定端 1之间留有环形间隙，在所述加载端2的圆周外侧设有一环形的连接外沿，在所述环形连接外沿的端面上，沿圆周方向均匀地开有4组加载端连接孔组，每组加载端连接孔组由两个沿圆周方向分布的加载端连接孔6组成，所述加载端连接孔6为螺纹孔，用于与待测量装置的加载端螺纹固定相连。

所述应变梁3有四个，分别分布在所述加载端2与固定端1之间环形间隙的上侧、下侧、左侧和右侧，应变梁3沿径向一端与加载端2圆周内侧相连，应变梁3沿径向另一端与固定端1圆周外侧相连；

所述应变梁3用于粘贴安装应变片，为了更加准确地描述所述应变片在应变梁3上的粘贴位置，现对本发明所涉及到的参考方向说明如下：

如图1所示，以加载端2和固定端1为原点的直角坐标，以水平径向为X方向，以轴向为Y方向，以垂直径向为Z方向，其中，水平向右为X方向正向，水平向左为X方向负向，垂直向上为Z方向正向，垂直向下为Z方向正负向，轴向垂直纸面向内为Y方向正向，轴向垂直纸面向外为Y方向正向。

如前所述，四个所述应变梁3分别分布在所述加载端2与固定端1之间环形间隙的上、下、左和右侧，即分别为：分布在环形间隙的Z方向正向(上)的第一应变梁、Z方向正负向(下)的第二应变梁、X方向负向(左)的第三应变梁和X方向正向(右)的第四应变梁；

四个所述应变梁3的结构完全相同，所述应变梁3的中间设有轴向端板，所述轴向端板的圆周两侧设有径向对称的周向侧板，所述周向侧板的轴向尺寸大于轴向端板的轴向尺寸，使得轴向端板的轴向两侧形成两个沿轴向对称的应变凹槽4，使所述应变梁3的径向截面为工字型结构，在每个所述应变梁3的径向外侧所对应的加载端2的连接外沿上对应开有一弧形的应变通孔5，所述应变通孔5与加载端2同圆心设置。截面形状为工字型的应变凹槽4 与弧形的应变通孔5既保证了传感器整体结构的刚度，又增加了传感器测量的灵敏度以及应变的均匀度；

所述应变梁3上共有四个应变片贴片面，其中：轴向端板的Y方向负向端面为轴向第一贴片面，轴向端板的Y方向正向端面为轴向第二贴片面；应变梁3所在径向左侧或径向上侧的周向侧板外侧面为周向第一贴片面，应变梁3所在径向右侧或径向下侧的周向侧板外侧面为周向第二贴片面。

如图3所示，所述应变片均成对地粘贴在应变梁3的应变片贴片面上，且每个应变梁3 的应变片贴片面上均贴有两对应变片；

一方面：轴向第一贴片面与轴向第二贴片面上对应粘贴的应变片沿轴向镜面对称布置，周向第一贴片面与周向第二贴片面对应粘贴的应变片沿径向镜面对称设置；

另一方面：所述应变片中的敏感栅由一组与应变片安装轴线呈同样倾斜角度的电阻丝组成，本具体实施方式中采用敏感栅的倾斜角度为45°的应变片，同一贴片面上的每对应变片均沿安装轴向对称设置，使得每对应变片的敏感栅之间形成羽毛片形状，即羽毛片式应变片，且每对应变片的敏感栅形成的夹角的指向方向为沿径向指向圆周外侧，即：同一贴片面上的每对应变片粘贴方向均从传感器圆心指向圆周外侧。

本发明所述传感器是通过粘贴在所述应变梁3上的应变片来检测六分向载荷的，故，所述应变片在所述四个应变梁3上的粘贴分布位置即电连接关系是实现传感器测量的关键，故所述应变片在应变梁3上的粘贴分布位置如下所述：

一、测量X方向受力F_x的应变片：

1、测量X方向受力F_x的应变片的分布：

如图2所示，测量X方向受力F_x的应变片有8个，分别布置在Z方向正向(上)的第一应变梁和Z方向正负向(下)的第二应变梁上；

第一应变片R1和第二应变片R2粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置，第三应变片R3和第四应变片R4粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置，第五应变片R5和第六应变片R6粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置，第七应变片R7和第八应变片R8粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

所述第一应变片R1与第三应变片R3轴向前后对称设置，所述第二应变片R2和第四应变片R4轴向前后对称设置，第五应变片R5和第七应变片R7轴向对称设置，第六应变片 R6和第八应变片R8轴向前后对称设置；

所述第一应变片R1和第二应变片R2的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，所述第三应变片R3和第四应变片R4的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第五应变片R5和第六应变片R6的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第七应变片R7和第八应变片R8的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量X方向受力F_x的应变片的电连接关系：

如图3a所示，所述测量X方向受力F_x的8个应变片组成测量X方向受力的惠斯通全桥电路，其中，测量X方向受力的惠斯通全桥的四个桥臂分别为：由第一应变片R1和第三应变片R3依次串联组成的第一桥臂ab，由第二应变片R2和第四应变片R4依次串联组成的第二桥臂bd，由第五应变片R5和第七应变片R7依次串联组成的第三桥臂dc，由第六应变片R6和第八应变片R8依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量X方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab和第二桥臂bd连接处，即第二应变片R2与第三应变片R3之间，所述测量X方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc和第四桥臂ca连接处，即第七应变片 R7和第六应变片R6之间。

所述应变片的灵敏系数k计算如下：

上述公式(1)中，dR/R为应变片因应变所产生的阻值变化量；ε为应变片的应变量；

根据惠斯通全桥电路原理，测量X方向受力的惠斯通全桥电路检测端的输出电压U0计算如下：

上述公式(2)中，ε1、ε3、ε5、ε7、ε2、ε4、ε6、ε8分别依次为第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3、第四应变片R4、第五应变片R5、第六应变片R6、第七应变片 R7和第八应变片R8因受力而产生的应变输出；k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当所述加载端2受到X方向的正向力Fx时，应变片R1、R3、R5、R7受拉力作用，其应变输出均为正；应变片R2、R4、R6、R8受压力作用，其应变输出均为负，且应变片R1、 R3、R5、R7输出的阻值相等，应变片R2、R4、R6、R8出的阻值相等。如图3a所示，根据惠斯顿电桥原理，在没有外力作用时，电桥的四个桥臂电阻值相等，电桥达到平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，根据计算公式(2)按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述8个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量X方向受力F_x的测力通道有最大灵敏度。

基于上述8个应变片的安装位置及组桥方式：

当加载端2受到Y方向的正向力Fy时，应变片R1、R2、R5、R6受拉力，其应变输出为正；应变片R3、R4、R7、R8受压力，其应变输出为负，且应变片R1、R2、R5、R6的阻值相等，应变片R3、R4、R7、R8的阻值相等。根据上述公式(2)，施加Y方向的正向任意载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无Y方向的载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到Z方向的正向力Fz时，应变片R5、R6、R7、R8受拉力，其应变输出为正；应变片R1、R2、R3、R4受压力，其应变输出为负，且应变片R5、R6、R7、R8的阻值相等，应变片R1、R2、R3、R4的阻值相等。根据上述公式(2)，Z方向的正向施加任意载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无Z方向载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿X方向的正向力矩Mx时，应变片R1、R2、R7、R8受拉力，其应变输出为正；应变片R3、R4、R5、R6受压力，其应变输出是负，且应变片R1、R2、R7、 R8的阻值相等，应变片R3、R4、R5、R6的阻值相等。根据上述公式(2)，沿X方向施加任意正向力矩载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无沿X方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Y方向的正向力矩My时，应变片R2、R4、R5、R7受拉力，其应变输出为正；应变片R1、R3、R6、R8受压力，其应变输出是负，且应变片R2、R4、R5、 R7的阻值相等，应变片R1、R3、R6、R8的阻值相等。根据上述公式(2)，沿Y方向施加任意正向力矩载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无沿Y方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Z方向的正向力矩Mz时，应变片R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7 和R8均发生相同的扭转变形，且阻值相等；根据上述公式(2)，沿Z方向施加任意正向力矩载荷，测量X方向受力F_x的测力通道输出电压均为0，即测量X方向受力F_x的测力通道无沿Z方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

二、测量Y方向受力F_y的应变片：

1、测量Y方向受力F_y的应变片的分布：

如图2所示，测量Y方向受力F_y的应变片有16个，分别布置在Z方向正向(上)第一应变梁、Z方向正负向(下)的第二应变梁、X方向负向(左)的第三应变梁和X方向正向 (右)的第四应变梁上；

第九应变片R9和第十应变片R10粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置；第十一应变片R11和第十二应变片R12粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置；第十三应变片R13和第十四应变片R14粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置；第十五应变片R15和第十六应变片R16粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置；第十七应变片R17和第十八应变片R18粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置；第十九应变片 R19和第二十应变片R20粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置；第二十一应变片 R21和第二十二应变片R22粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置；第二十三应变片R23和第二十四应变片R24粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置；

所述第九应变片R9和第十一应变片R11径向对称设置，所述第十应变片R10和第十二应变片R12径向对称设置，所述第十三应变片R13和第十五应变片R15径向对称设置，所述第十四应变片R14和第十六应变片R16径向对称设置，所述第十七应变片R17和第十九应变片R19径向对称设置，所述第十八应变片R18和第二十应变片R20径向对称设置，所述第二十一应变片R21和第二十三应变片R23径向对称设置，所述第二十二应变片R22和第二十四应变片R243径向对称设置；

第九应变片R9和第十应变片R10的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十一应变片R11和第十二应变片R12的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十三应变片R13和第十四应变片R14的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十五应变片R15和第十六应变片R16的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十七应变片R17和第十八应变片R18 的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第十九应变片R19和第二十应变片R20的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第二十一应变片R21和第二十二应变片R22的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第二十三应变片R23和第二十四应变片R24的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量Y方向受力F_y的应变片的电连接关系：

如图3b所示，所述测量Y方向受力F_y的16个应变片组成测量Y方向受力的惠斯通全桥电路，其中，测量Y方向受力的惠斯通全桥的四个桥臂分别为：由第九应变片R9、第十一应变片R11、第二十一应变片R21和第二十三应变片R23依次串联组成的第一桥臂ab，由第十应变片R10、第十二应变片R12、第二十二应变片R22和第二十四应变片R24依次串联组成的第二桥臂bd，由第十五应变片R15、第十三应变片R13、第十九应变片R19和第十七应变片R17依次串联组成的第三桥臂dc，由第十六应变片R16、第十四应变片R14、第二十应变片R20和第十八应变片R18依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量Y方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab和第二桥臂bd连接处，即第二十三应变片R23与第十应变片R10之间，所述测量Y方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc和第四桥臂ca连接处，即第十六应变片R16和第十七应变片R17之间。

根据惠斯通全桥电路原理，测量Y方向受力的惠斯通全桥电路检测端的输出电压U0计算如下：

上述公式(3)中，ε9、ε10、ε11、ε12、ε13、ε14、ε15、ε16、ε17、ε18、ε19、ε20、ε21、ε22、ε23、ε24分别依次为第九应变片R9、第十应变片R10、第十一应变片R11、第十二应变片R12、第十三应变片R13、第十四应变片R14、第十五应变片R15、第十六应变片R16、第十七应变片R17、第十八应变片R18、第十九应变片R19、第二十应变片R20、第二十一应变片R21、第二十二应变片R22、第二十三应变片R23、第二十四应变片R24因受力而产生的应变输出；k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当所述加载端2受到Y方向的正向力F_y时，相应的应变片R9、R11、R13、R15、R17、R19、R21、R23受拉力，相应的应变输出为正；相应的应变片R10、R12、R14、R16、R18、 R20、R22、R24受压力，相应的应变输出为负，且应变片R9、R11、R13、R15、R17、R19、 R21、R23的阻值相等，应变片R10、R12、R14、R16、R18、R20、R22、R24的阻值相等。根据惠斯顿电桥原理，在没有外力作用时，电桥的四个桥臂电阻值相等，电桥达到平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，根据计算公式(3)按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述16个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量Y方向受力F_y的测力通道有最大灵敏度。

基于上述8个应变片的安装位置及组桥方式：

当加载端2受到X向的正向力Fx时，应变片R9、R10、R13、R14、R21、R22、R23、 R24受拉力，其应变输出为正；应变片R11、R12、R15、R16、R17、R18、R19、R20受压力，其应变输出为负；其中，应变片R9、R10、R13、R14阻值相等，应变片R21、R22、R23、R24阻值相等，应变片R11、R12、R15、R16阻值相等，应变片R17、R18、R19、R20 阻值相等。根据上述公式(3)，X向的正向施加任意载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量 Y方向受力F_y的测力通道无X向的正向力载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到Z向的正向力F_z时，应变片R13、R14、R15、R16、R19、R20、R23、 R24受拉力，其应变输出为正；应变片R9、R10、R11、R12、R17、R18、R21、R22受压力，应变输出为负；其中，应变片R13、R14、R15、R16的阻值相等，应变片R19、R20、 R23、R24的阻值相等，应变片R9、R10、R11、R12的阻值相等，应变片R17、R18、R21、 R22的阻值相等。根据上述公式(3)，Z向的正向施加任意载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无Z向的正向力载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿X向的正向力矩Mx时，应变片R9、R11、R14、R16受拉力，其应变输出为正；应变片R10、R12、R13、R15受压力，其应变输出为负；应变片R17、R18、 R19、R20、R21、R22、R23、R24产生相同的扭转变形，且应变片R9、R11、R14、R16的阻值相等，应变片R10、R12、R13、R15的阻值相等，应变片R17、R18、R19、R20、R21、 R22、R23、R24的阻值相等。根据上述公式(3)，沿X向施加任意正向力矩载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无沿X向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Y向的正向力矩My时，应变片R11、R12、R13、R14、R19、R20、R21、R22受拉力，其应变输出为正；应变片R9、R10、R15、R16、R17、R18、R23、R24 受压力，其应变输出为负，且应变片R11、R12、R13、R14、R19、R20、R21、R2的阻值相等，应变片R9、R10、R15、R16、R17、R18、R23、R24的阻值相等。根据上述公式(3)，沿Y向施加任意正向力矩载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无沿Y向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Z向的正向力矩Mz时，应变片R18、R20、R21、R23受拉力，应变输出为正；应变片R17、R19、R22、R24受压，其应变输出为负，应变片R9、R10、R11、 R12、R13、R14、R15、R16产生相同的扭转变形，且应变片R18、R20、R21、R23的阻值相等，应变片R17、R19、R22、R24的阻值相等，应变片R9、R10、R11、R12、R13、R14、 R15、R16的阻值相等。根据上述公式(3)，沿Z向施加任意正向力矩载荷，Fy通道输出电压均为0，即测量Y方向受力F_y的测力通道无沿Z向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

三、测量Z方向受力F_z的应变片：

1、测量Z方向受力F_z的应变片的分布：

如图2所示，测量Z方向受力F_z的应变片有8个，分别布置在X方向正负向(左)的第三应变梁和X方向正向(右)的第四应变梁上；

第二十五应变片R25和第二十六应变片R26粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置，第二十七应变片R27和第二十八应变片R28粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置，第二十九应变片R29和第三十应变片R30粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置，第三十一应变片R31和第三十二应变片R32粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

所述第二十五应变片R25与第二十七应变片R27轴向前后对称设置，所述第二十六应变片R26和第二十八应变片R28轴向前后对称设置，第二十九应变片R29和第三十一应变片R31轴向对称设置，第三十应变片R30和第三十二应变片R32轴向前后对称设置；

所述第二十五应变片R25和第二十六应变片R26的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，所述第二十七应变片R27和第二十八应变片R28的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第二十九应变片R29和第三十应变片R30的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第三十一应变片R31和第三十二应变片R32的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量Z方向受力F_z的应变片的电连接关系：

如图3c所示，所述测量Z方向受力F_z的8个应变片组成测量Z方向受力的惠斯通全桥电路，其中，测量Z方向受力的惠斯通全桥的四个桥臂分别为：由第二十六应变片R26和第二十八应变片R28依次串联组成的第一桥臂ab，由第二十五应变片R25和第二十七应变片R27依次串联组成的第二桥臂bd，由第三十应变片R30和第三十二应变片R32依次串联组成的第三桥臂dc，由第二十九应变片R29和第三十一应变片R31依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量Z方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab和第二桥臂bd连接处，即第二十八应变片R28与第二十五应变片R25之间，所述测量Z方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc和第四桥臂ca连接处，即第三十二应变片R32和第二十九应变片R29之间。

根据惠斯通全桥电路原理，测量Z方向受力的惠斯通全桥电路检测端的输出电压U0计算如下：

上述公式(4)中，ε26、ε28、ε30、ε32、ε25、ε27、ε29、ε31分别依次为第二十六应变片R26、第二十八应变片R28、第三十应变片R30、第三十二应变片R32、第二十五应变片R25、第二十七应变片R27、二十九应变片R29和第三十一应变片R31因受力而产生的应变输出；k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当加载端2受到Fz正向力时，应变片R26、R28、R30、R32受拉力，其应变输出为正；应变片R25、R27、R29、R31受压力，其变输出为负，且应变片R26、R28、R30、R32阻值相等，应变片R25、R27、R29、R31阻值相等。根据惠斯顿电桥原理，不受力时电桥四个桥臂电阻相等，电桥平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，根据上述算公式(4)按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述8个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量Z方向受力F_z的测力通道有最大灵敏度。

基于上述8个应变片的安装位置及组桥方式：

当加载端2受到X方向的正向力Fx时，应变片R29、R30、R31、R32受拉力，应变输出为正；应变片R25、R26、R27、R28受压力，其应变输出为负，且应变片R29、R30、R31、 R32阻值相等，应变片R25、R26、R27、R28阻值相等。根据上述公式(4)，X方向施加任意正正向力载荷，测量Z方向受力F_z的测力通道输出电压均为0，即测量Z方向受力F_z的测力通道无X方向的正向力载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到Y方向的正向力Fy时，应变片R25、R26、R29、R30受拉力，其应变输出为正；应变片R27、R28、R31、R32受压力，其应变输出是为负，且应变片R25、R26、 R29、R30阻值相等，应变片R27、R28、R31、R32阻值相等。根据上述公式(4)，Y方向施加任意正向载荷，测量Z方向受力F_z的测力通道输出电压均为0，即测量Z方向受力F_z的测力通道无Y方向的正向力载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿X方向的正向力矩Mx时，应变片R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31、R32产生相同的扭转变形，且应变片R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31、R32 的阻值相等。根据上述公式(4)，沿X方向施加任意正向力矩载荷，Fz通道输出电压均为 0，即该测力通道无沿X方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Y方向的正向力矩My时，应变片R26、R28、R29、R31受拉力，其应变输出为正；应变片R25、R27、R30、R32受压力，其应变输出为负，且应变片R26、 R28、R29、R31阻值相等，应变片R25、R27、R30、R32的阻值相等。根据上述公式(4)，沿Y方向施加任意正向力矩载荷，测量Z方向受力F_z的测力通道输出电压均为0，即该测力通道无沿Y方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到Mz正向力矩时，应变片R27、R28、R29、R30受拉，应变输出是正；R25、R26、R31、R32受压，应变输出是负，且R27、R28、R29、R30阻值相等，R25、R26、 R31、R32阻值相等。根据上述公式(4)，沿Z方向施加任意正向力矩载荷，测量Z方向受力F_z的测力通道输出电压均为0，即该测力通道无沿Z方向的正向力矩载荷产生的串扰影响。

四、测量沿X方向所受力矩Mx的应变片：

1、测量沿X方向所受力矩Mx的应变片的分布：

如图2所示，测量沿X方向所受力矩Mx的应变片有8个，分别布置在Z方向正向(上)的第一应变梁和Z方向正负向(下)的第二应变梁上；

第三十三应变片R33和第三十四应变片R34粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置，且第三十三应变片R33和第三十四应变片R34布置在第九应变片R9和第十应变片R10之间；第三十五应变片R35和第三十六应变片R36粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置，且第三十五应变片R35和第三十六应变片R36布置在第十一应变片R11和第十二应变片R12之间；第三十七应变片R37和第三十八应变片R38粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置，且第三十七应变片R37和第三十八应变片R38布置在第十三应变片R13和第十四应变片R14之间；第三十九应变片R39和第四十应变片R40粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置，且第三十九应变片R39和第四十应变片R40布置在第十五应变片R15和第十六应变片R16之间；

所述第三十三应变片R33和第三十五应变片R35径向对称设置，所述第三十四应变片 R34和第三十六应变片R36径向对称设置，所述第三十七应变片R37和第三十九应变片R39 径向对称设置，所述第三十八应变片R38和第四十应变片R40径向对称设置；

第三十三应变片R33和第三十四应变片R34的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第三十五应变片R35和第三十六应变片R36的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第三十七应变片R37和第三十八应变片R38的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第三十九应变片R39和第四十应变片R40的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量沿X方向所受力矩Mx的应变片的电连接关系：

如图3d所示，所述测量沿X方向所受力矩Mx的8个应变片组成测量沿X方向所受力矩的惠斯通全桥电路，其中，测量测量沿X方向所受力矩的惠斯通全桥的四个桥臂分别为：由第三十三应变片R33和第三十五应变片R35依次串联组成的第一桥臂ab，由第三十四应变片R34和第三十六应变片R36依次串联组成的第二桥臂bd，由第三十七应变片R37和第三十九应变片R39依次串联组成的第三桥臂dc，由第三十八应变片R38和第四十应变片R40 依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量沿X方向所受力矩的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab 和第二桥臂bd连接处，即第三十四应变片R34与第三十五应变片R35之间，所述测量X方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc和第四桥臂ca连接处，即第三十七应变片R37和第四十应变片R40之间。

根据惠斯通全桥电路原理，测量沿X方向所受力矩的惠斯通全桥电路检测端的输出电压U0计算如下：

上述公式(5)中，ε33、ε34、ε35、ε36、ε37、ε38、ε39、ε40分别依次为第三十三应变片R33、第三十四应变片R34、第三十五应变片R35、第三十六应变片R36、第三十七应变片R37、第三十八应变片R38、第三十九应变片R39和第四十应变片R40因受力而产生的应变输出；k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当加载端2受到沿X方向的正向力矩Mx时，应变片R33、R35、R38、R40受拉力作用，其应变输出为正；，应变片R34、R36、R37、R39受压力作用，其应变输出为负，且应变片R33、R35、R38、R40输出的阻值相等，应变片R34、R36、R37、R39输出阻值相等。如图3d所示，根据惠斯顿电桥原理，在没有外力作用时，电桥四个桥臂阻值相等，电桥达到平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，，根据上述计算公式(5) 按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述8个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道有最大灵敏度。

当加载端2受到沿X方向的正向力Fx时，应变片R33、R34、R37、R38受拉力作用，其应变输出为正；应变片R35、R36、R39、R40受压力作用，应变输出为负，且应变片R33、 R34、R37、R38输出的阻值相等，应变片R35、R36、R39、R40输出的阻值相等。根据上述公式(5)，施加X方向的任意正向力载荷，测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道输出电压均为0，即测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道无X方向的载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Y方向的正向力Fy时，应变片R33、R35、R37、R39受拉力作用，其应变输出为正；R34、R36、R38、R40受压例作用，其应变输出为负，且应变片R33、R35、 R37、R39输出的阻值相等，应变片R34、R36、R38、R40输出的阻值相等。根据上述公式(5)，施加Y方向的任意正向力载荷，测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道输出电压均为0，即测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道无Y方向的载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Z方向的正向力Fz时，应变片R37、R38、R39、R40受拉力作用，其应变输出为正；应变片R33、R34、R35、R36受压力作用，其应变输出为负，且应变片 R37、R38、R39、R40输出的阻值相等，应变片R33、R34、R35、R36输出的阻值相等。根据上述公式(5)，施加Z方向的任意正向力载荷，测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道输出电压均为0，即测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道无Z方向的载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Y方向的正向力矩My时，应变片R35、R36、R37、R38受拉力作用，其应变输出为正；应变片R33、R34、R39、R40受压力作用，其应变输出为负，且应变片R35、R36、R37、R38输出的阻值相等，应变片R33、R34、R39、R40输出的阻值相等。根据上述公式(5)，施加沿Y方向的任意正向力矩载荷，测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道输出电压均为0，即测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道无沿Y方向的力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Z方向的正向力矩Mz时，应变片R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40均发生相同的扭转变形，且应变片R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40 输出的阻值均相等。根据上述公式(5)，施加沿Z方向的任意正向力矩载荷，测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道输出电压均为0，即测量沿X方向所受力矩Mx的测力通道无沿 Z方向的力矩载荷产生的串扰影响。

五、测量沿Y方向所受力矩My的应变片：

1、测量沿Y方向所受力矩My的应变片的分布：

如图2所示，测量沿Y方向所受力矩My的应变片有16个，分别布置在Z方向正向(上)第一应变梁、Z方向正负向(下)的第二应变梁、X方向负向(左)的第三应变梁和X方向正向(右)的第四应变梁上；

第四十一应变片R41和第四十二应变片R42粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置，且第四十一应变片R41和第四十二应变片R42布置在第一应变片R1和第二应变片R2之间；第四十三应变片R43和第四十四应变片R44粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置，且第四十三应变片R43和第四十四应变片R44布置在第三应变片R3和第四应变片R4之间；第四十五应变片R45和第四十六应变片R46粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置，且第四十五应变片R45和第四十六应变片R46布置在第五应变片R5和第六应变片R6之间；第四十七应变片R47和第四十八应变片R48粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置，且第四十七应变片R47和第四十八应变片R48布置在第七应变片R7和第八应变片R8之间；第四十九应变片R49和第五十应变片R50粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置，且第四十九应变片R49和第五十应变片R50布置在第二十五应变片R25和第二十六应变片R26之间；第五十一应变片R51和第五十二应变片R52粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置，且第五十一应变片R51和第五十二应变片R52布置在第二十七应变片R27和第二十八应变片R28之间；第五十三应变片R53和第五十四应变片R54粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置，且第五十三应变片R53和第五十四应变片R54 布置在第二十九应变片R29和第三十应变片R30之间；第五十五应变片R55和第五十六应变片R56粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置，且第五十五应变片R55和第五十六应变片R56布置在第三十一应变片R31和第三十二应变片R32之间；

所述第四十一应变片R41和第四十三应变片R43轴向对称设置，所述第四十二应变片 R42和第四十四应变片R44轴向对称设置，所述第四十五应变片R45和第四十七应变片R47 轴向对称设置，所述第四十六应变片R46和第四十八应变片R48轴向对称设置，所述第四十九应变片R49和第五十一应变片R51轴向对称设置，所述第五十应变片R50和第五十二应变片R52轴向对称设置，所述第五十三应变片R53和第五十五应变片R55轴向对称设置，所述第五十四应变片R54和第五十六应变片R56轴向对称设置；

第四十一应变片R41和第四十二应变片R42的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第四十三应变片R43和第四十四应变片R44的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第四十五应变片R45和第四十六应变片R46的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第四十七应变片R47和第四十八应变片R48的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第四十九应变片R49和第五十应变片R50的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第五十一应变片R51 和第五十二应变片R52的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第五十三应变片R53和第五十四应变片R54的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第五十五应变片R55和第五十六应变片R56的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量沿Y方向所受力矩My的应变片的电连接关系：

如图3e所示，所述测量沿Y方向所受力矩My的16个应变片组成测量沿Y方向所受力矩的惠斯通全桥电路，其中，测量沿Y方向所受力矩的惠斯通全桥电路的四个桥臂分别为：由第五十应变片R50、第五十二应变片R52、第四十五应变片R45和第四十七应变片 R47依次串联组成的第一桥臂ab，由第四十九应变片R49、第五十一应变片R51、第四十六应变片R46和第四十八应变片R48依次串联组成的第二桥臂bd，由第四十二应变片R42、第四十四应变片R44、第五十三应变片R53和第五十五应变片R55依次串联组成的第三桥臂dc，由第四十一应变片R41、第四十三应变片R43、第五十四应变片R54和第五十六应变片R56依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量Y方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab和第二桥臂bd连接处，即第四十七应变片R47与第四十九应变片R49之间，所述测量Y方向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc和第四桥臂ca连接处，即第四十一应变片R41和第五十五应变片R55之间。

根据惠斯通全桥电路原理，测量沿Y方向所受力矩的惠斯通全桥电路检测端的输出电压U0计算如下：

上述公式(6)中，ε41、ε42、ε43、ε44、ε45、ε46、ε47、ε48、ε49、ε50、ε51、ε52、ε53、ε54、ε55、ε56分别依次为第四十一应变片R41、第四十二应变片R42、第四十三应变片R43、第四十四应变片R44、第四十五应变片R45、第四十六应变片R46、第四十七应变片R47、第四十八应变片R48、第四十九应变片R49、第五十应变片R50、第五十一应变片R51、第五十二应变片R52、第五十三应变片R53、第五十四应变片R54、第五十五应变片R55和第五十六应变片R56因受力而产生的应变输出；k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当加载端2受到沿Y方向的正向力矩时，应变片R42、R44、R45、R47、R50、R52、 R53、R55受拉力作用，其应变输出为正；应变片R41、R43、R46、R48、R49、R51、R54、 R56受压力作用，其应变输出为负，且应变片R42、R44、R45、R47、R50、R52、R53、R55 输出的阻值相等，应变片R41、R43、R46、R48、R49、R51、R54、R56输出的阻值相等。如图3e所示，根据惠斯顿电桥原理，在没有外力作用时，电桥的四个桥臂阻值相等，电桥达到平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，根据上述计算公式 (6)按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述16个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量沿Y方向的正向力矩My的测力通道有最大灵敏度。

当加载端2受到X方向的正向力Fx时，应变片R41、R43、R45、R47、R53、R54、 R55、R56受拉力作用，其变输出为正；应变片R42、R44、R46、R48、R49、R50、R51、 R52受压力作用，其应变输出为负，且应变片R41、R43、R45、R47输出的阻值相等，应变片R53、R54、R55、R56输出的阻值相等，应变片R42、R44、R46、R48输出的阻值相等，应变片R49、R50、R51、R52输出的阻值相等。根据上述公式(6)，X方向施加任意正向力载荷，Fx通道输出电压均为0，即测量沿Y方向的正向力矩My的测力通道无X方向的载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到Y方向的正向力Fy时，应变片R41、R42、R45、R46、R49、R50、 R53、R54受拉力作用，其应变输出为正；应变片R43、R44、R46、R48、R49、R50、R51、R52受压力作用，其应变输出为负，且应变片R41、R43、R45、R47、R53、R54、R55、R56 输出的阻值相等，应变片R42、R44、R46、R48、R49、R50、R51、R52输出的阻值相等。根据上述公式(6)，Y方向施加任意正向载荷，My通道输出电压均为0，即测量沿Y方向的正向力矩My的测力通道无Y方向的载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到Z方向的正向力Fz时，应变片R45、R46、R47、R48、R50、R52、R54、 R56受拉力作用，应变输出为正；应变片R41、R42、R43、R44、R49、R51、R53、R55受压力作用，其应变输出为负，且应变片R45、R46、R47、R48输出的阻值相等，应变片R50、 R52、R54、R56输出的阻值相等，应变片R41、R42、R43、R44输出的阻值相等，应变片 R49、R51、R53、R55输出的阻值相等。根据公式(6)，Z方向施加任意正方向载荷，My 通道输出电压均为0，即测量沿Y方向的正向力矩My的测力通道无Z方向的载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿X方向的正向力矩Mx时，应变片R41、R42、R47、R48受拉力作用，其应变输出为正；应变片R43、R44、R45、R46受压力作用，其应变输出为负，应变片 R49、R50、R51、R52、R53、R54、R55、R56产生相同的扭转变形，且应变片R41、R42、 R47、R48输出的阻值相等，应变片R43、R44、R45、R46输出的阻值相等，应变片R49、 R50、R51、R52、R53、R54、R55、R56输出的阻值相等。根据上述公式(6)，施加沿X方向的任意正向力矩载荷，My通道输出电压均为0，即测量沿Y方向的正向力矩My的测力通道无沿X方向的力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Z方向的正向力矩Mz时，应变片R51、R52、R53、R54受拉力作用，其应变输出为正；应变片R49、R50、R55、R56受压力作用，其应变输出为负，应变片R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48产生相同的扭转变形，且应变片R51、R52、R53、 R54输出的阻值相等，应变片R49、R50、R55、R56输出的阻值相等，应变片R41、R42、 R43、R44、R45、R46、R47、R48输出的阻值相等。根据上述公式(6)，施加沿Z方向的任意正力矩载荷，My通道输出电压均为0，即测量沿Y方向的正向力矩My的测力通道无沿Z方向的力矩载荷产生的串扰影响。

六、测量沿Z方向所受力矩Mz的应变片：

1、测量沿Z方向所受力矩Mz的应变片的分布：

如图2所示，测量沿Z方向所受力矩Mz的应变片有8个，分别布置在X方向正负向(左) 的第三应变梁和X方向正向(右)的第四应变梁上；

第五十七应变片R57和第五十八应变片R58粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置，且第五十七应变片R57和第五十八应变片R58布置在第十七应变片R17和第十八应变片R18之间；第五十九应变片R59和第六十应变片R60粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置，且第五十九应变片R59和第六十应变片R60布置在第十九应变片R19和第二十应变片R20之间；第六十一应变片R61和第六十二应变片R62粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置，且第六十一应变片R61和第六十二应变片R62布置在第二十一应变片R21和第二十二应变片R22之间；第六十三应变片R63和第六十四应变片R64粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置，且第六十三应变片R63和第六十四应变片R64布置在第二十三应变片R23和第二十四应变片R24之间；

所述第五十七应变片R57和第五十九应变片R59径向对称设置，所述第五十八应变片 R58和第六十应变片R60径向对称设置，所述第六十一应变片R61和第六十三应变片R63径向对称设置，所述第六十二应变片R62和第六十四应变片R64径向对称设置；

第五十七应变片R57和第五十八应变片R58的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第五十九应变片R59和第六十应变片R60的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第六十一应变片R61和第六十二应变片R62的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧，第六十三应变片R63和第六十四应变片R64的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧。

2、测量沿Z方向所受力矩Mz的应变片的电连接关系：

如图3f所示，所述测量沿Z方向所受力矩Mz的8个应变片组成测量沿Z方向所受力矩的惠斯通全桥电路，其中，测量沿Z方向所受力矩的惠斯通全桥电路的四个桥臂分别为：由第五十八应变片R58和第六十应变片R60依次串联组成的第一桥臂ab，由第五十七应变片R57和第五十九应变片R59依次串联组成的第二桥臂bd，由第六十一应变片R61和第六十三应变片R63依次串联组成的第三桥臂dc，由第六十二应变片R62和第六十四应变片R64 依次串联组成的第四桥臂ca；

所述测量沿Z方向所受力矩的惠斯通全桥电路的电压测量端U0一端连接至第一桥臂ab 和第二桥臂bd连接处，即第五十七应变片R57与第六十应变片R60之间，所述测量沿Z方向所受力矩的惠斯通全桥电路的电压测量端U0另一端连接至第三桥臂dc和第四桥臂ca连接处，即第六十二应变片R62和第六十三应变片R63之间。

根据惠斯通全桥电路原理，测量沿Z方向所受力矩的惠斯通全桥电路的电压测量端U0 计算如下：

上述公式(7)中，ε57、ε58、ε59、ε60、ε61、ε62、ε63、ε64分别依次为第五十七应变片R57、第五十八应变片R58、第五十九应变片R59、第六十应变片R60、第六十一应变片R61、第六十二应变片R62、第六十三应变片R63和第六十四应变片R64因受力而产生的应变输出；k为应变片的灵敏系数，通常为常数系数；U_ad为惠斯通全桥电路电源端电压；

当加载端2受到沿Z方向的正向力矩Mz时，应变片R58、R60、R61、R63受拉力作用，且应变输出为正；应变片R57、R59、R62、R64受压力作用，且应变输出为负，且应变片 R58、R60、R61、R63输出的阻值相等，应变片R57、R59、R62、R64输出的阻值相等。如图3f，根据惠斯顿电桥原理，当没有外力作用时，电桥四个桥臂阻值相等，电桥达到平衡，测量端的输出电压U0为0，而当受外力作用时电桥不平衡，根据上述计算公式(7)按照如上组桥方式可输出最大的电压，即上述8个应变片的安装位置及所连接组成的惠斯顿电桥电路所形成的，测量沿Z方向的正向力矩Mz的测力通道有最大灵敏度。

当加载端2受到X方向正向力Fx时，应变片R61、R62、R63、R64受拉力作用，其应变输出为正；应变片R57、R58、R59、R60受压力作用，其应变输出为负，且应变片R61、 R62、R63、R64输出的阻值相等，应变片R57、R58、R59、R60输出的阻值相等。根据上述公式(7)，施加沿X方向的任意正向力载荷，Mz通道输出电压均为0，即测量沿Z方向的正向力矩Mz的测力通道无X方向载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到Y方向正向力Fy时，应变片R57、R59、R61、R63受拉力作用，其应变输出为正；应变片R58、R60、R62、R64受压力作用，其应变输出为负，且应变片R57、 R59、R61、R63输出的阻值相等，应变片R58、R60、R62、R64输出的阻值相等。根据上述公式(7)，施加Y方向任意正向力载荷，Mz通道输出电压均为0，即测量沿Z方向的正向力矩Mz的测力通道无Y方向载荷产生的串扰影响

当加载端2受到Z方向正向力Fz时，应变片R59、R60、R63、R64受拉力作用，其应变输出为正；应变片R57、R58、R61、R62受压力作用，其应变输出为负，且应变片R59、 R60、R63、R64输出的阻值相等，应变片R57、R58、R61、R62输出的值相等。根据上述公式(7)，施加Z方向任意正向力载荷，Mz通道输出电压均为0，即测量沿Z方向的正向力矩Mz的测力通道无Z方向载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿X方向的正向力矩Mx时，应变片R57、R58、R59、R60、R61、R62、R63、R64均发生相同的扭转变形，且应变片R57、R58、R59、R60、R61、R62、R63、R64 输出的阻值均相等。根据上述公式(7)，施加沿X方向的任意正向力矩载荷，Mz通道输出电压均为0，即测量沿Z方向的正向力矩Mz的测力通道无沿X方向的力矩载荷产生的串扰影响。

当加载端2受到沿Y方向的正向力矩My时，应变片R59、R60、R61、R62受拉力作用，其应变输出为正；应变片R57、R58、R63、R64受压力作用，其应变输出为负，且应变片R59、R60、R61、R62输出的阻值相等，应变片R57、R58、R63、R64输出的阻值相等。根据上述公式(7)，施加沿Y方向的任意正向力矩载荷，Mz通道输出电压均为0，即测量沿Z方向的正向力矩Mz的测力通道无沿Y方向的力矩载荷产生的串扰影响。

如图4所示，所述测量X方向受力的惠斯通电桥、测量Y方向受力的惠斯通电桥、测量Z方向受力的惠斯通电桥、测量沿X方向所受力矩的惠斯通全桥电路、测量沿Y方向所受力矩的惠斯通全桥电路以及测量沿Z方向所受力矩的惠斯通全桥电路中，应变片因受力产生的应变阻值变化转化为电压变化并输出，相应的惠斯通电桥输出的测量电压经放大电路放大处理后进行数据采集，并将采集到的数据导入PC终端，进而实现对传感器检测到的六分力进行进一步分析处理。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种六分力测量传感器，其特征在于：

由一体成型的弹性体和应变片组成；

所述弹性体由圆周内侧的固定端、圆周外侧的加载端以及连接在固定端与加载端环形间隙之间的应变梁组成；

所述应变梁包括：环形间隙垂直径向两侧的第一应变梁和第二应变梁，环形间隙水平径向两侧的第三应变梁和第四应变梁；

所述应变梁均设有四个贴片面，分别为：中间的轴向端板两侧的轴向第一贴片面和轴向第二贴片面，应变梁两侧的周向侧板外侧的周向第一贴片面和周向第二贴片面；

所述应变片分别成对地对应粘贴在应变梁的贴片面上，应变梁的每个贴片面分别贴有两对应变片，以实现测量车轮水平径向、车轮垂直径向和车轮轴向三个方向上的受力，以及沿车轮水平径向、车轮垂直径向和车轮轴向三个方向的力矩；

所述轴向第一贴片面和轴向第二贴片面上的应变片沿轴向镜面对称布置，周向第一贴片面与周向第二贴片面对应粘贴的应变片沿径向镜面对称设置；

同一贴片面上的同一对应变片的粘贴方向从传感器圆心指向圆周外侧；

测量同一分力方向上的应变片电连接形成独立的惠斯通全桥电路，通过电路中各电桥臂上的应变片电阻值变化引起的测量端电压变化，实现对应六个方向分力的检测。

2.如权利要求1所述一种六分力测量传感器，其特征在于：

所述应变梁的轴向端板的轴向两侧形成有两个沿轴向对称的应变凹槽；

在所述应变梁的径向外侧对应的加载端外沿上，开有弧形的应变通孔。

3.如权利要求1所述一种六分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量车轮水平径向受力的应变片有8个，分别布置在第一应变梁和第二应变梁上；其中：

第一应变片R1和第二应变片R2粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第三应变片R3和第四应变片R4粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第五应变片R5和第六应变片R6粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第七应变片R7和第八应变片R8粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

测量车轮水平径向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第一应变片R1和第三应变片R3依次串联组成的第一桥臂；

第二应变片R2和第四应变片R4依次串联组成的第二桥臂；

第五应变片R5和第七应变片R7依次串联组成的第三桥臂；

第六应变片R6和第八应变片R8依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮水平径向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二应变片R2与第三应变片R3之间，电压测量端另一端连接至第七应变片R7和第六应变片R6之间。

4.如权利要求1所述一种六分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量车轮轴向受力的应变片有16个，分别布置在第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁和第四应变量上；其中：

第九应变片R9和第十应变片R10粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十一应变片R11和第十二应变片R12粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第十三应变片R13和第十四应变片R14粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十五应变片R15和第十六应变片R16粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第十七应变片R17和第十八应变片R18粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第十九应变片R19和第二十应变片R20粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第二十一应变片R21和第二十二应变片R22粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第二十三应变片R23和第二十四应变片R24粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置；

测量车轮轴向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第九应变片R9、第十一应变片R11、第二十一应变片R21和第二十三应变片R23依次串联组成的第一桥臂；

第十应变片R10、第十二应变片R12、第二十二应变片R22和第二十四应变片R24依次串联组成的第二桥臂；

第十五应变片R15、第十三应变片R13、第十九应变片R19和第十七应变片R17依次串联组成的第三桥臂；

由第十六应变片R16、第十四应变片R14、第二十应变片R20和第十八应变片R18依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮轴向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二十三应变片R23与第十应变片R10之间，电压测量端另一端连接至第十六应变片R16和第十七应变片R17之间。

5.如权利要求1所述一种六分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量车轮垂直径向受力的应变片有8个，分别布置在第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第二十五应变片R25和第二十六应变片R26粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第二十七应变片R27和第二十八应变片R28粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第二十九应变片R29和第三十应变片R30粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第三十一应变片R31和第三十二应变片R32粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

测量车轮垂直径向受力的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第二十六应变片R26和第二十八应变片R28依次串联组成的第一桥臂；

第二十五应变片R25和第二十七应变片R27依次串联组成的第二桥臂；

第三十应变片R30和第三十二应变片R32依次串联组成的第三桥臂；

第二十九应变片R29和第三十一应变片R31依次串联组成的第四桥臂；

测量车轮垂直径向受力的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第二十八应变片R28与第二十五应变片R25之间，电压测量端另一端连接至第三十二应变片R32和第二十九应变片R29之间。

6.如权利要求1所述一种六分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量沿车轮水平径向力矩的应变片有8个，分别布置在第一应变梁和第二应变梁上；其中：

第三十三应变片R33和第三十四应变片R34粘贴在第二应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第三十五应变片R35和第三十六应变片R36粘贴在第二应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第三十七应变片R37和第三十八应变片R38粘贴在第一应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第三十九应变片R39和第四十应变片R40粘贴在第一应变梁的周向第二贴片面中间位置；

测量车轮水平径向力矩的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第三十三应变片R33和第三十五应变片R35依次串联组成第一桥臂；

第三十四应变片R34和第三十六应变片R36依次串联组成第二桥臂；

第三十七应变片R37和第三十九应变片R39依次串联组成第三桥臂；

第三十八应变片R38和第四十应变片R40依次串联组成第四桥臂；

测量沿车轮水平径向力矩的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第三十四应变片R34与第三十五应变片R35之间，电压测量端另一端连接至第三十七应变片R37和第四十应变片R40之间。

7.如权利要求1所述一种六分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量沿车轮轴向力矩的应变片有16个，分别布置在第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第四十一应变片R41和第四十二应变片R42粘贴在第二应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第四十三应变片R43和第四十四应变片R44粘贴在第二应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第四十五应变片R45和第四十六应变片R46粘贴在第一应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第四十七应变片R47和第四十八应变片R48粘贴在第一应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第四十九应变片R49和第五十应变片R50粘贴在第三应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第五十一应变片R51和第五十二应变片R52粘贴在第三应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

第五十三应变片R53和第五十四应变片R54粘贴在第四应变梁的轴向第一贴片面中间位置；

第五十五应变片R55和第五十六应变片R56粘贴在第四应变梁的轴向第二贴片面中间位置；

测量沿车轮轴向力矩的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第五十应变片R50、第五十二应变片R52、第四十五应变片R45和第四十七应变片R47依次串联组成第一桥臂；

第四十九应变片R49、第五十一应变片R51、第四十六应变片R46和第四十八应变片R48依次串联组成第二桥臂；

第四十二应变片R42、第四十四应变片R44、第五十三应变片R53和第五十五应变片R55依次串联组成第三桥臂；

第四十一应变片R41、第四十三应变片R43、第五十四应变片R54和第五十六应变片R56依次串联组成的第四桥臂；

测量沿车轮轴向力矩的应变片所组成的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第四十七应变片R47与第四十九应变片R49之间，电压测量端另一端连接至第四十一应变片R41和第五十五应变片R55之间。

8.如权利要求1所述一种六分力测量传感器，其特征在于：

所述应变片中，测量沿车轮垂直径向力矩的应变片有8个，分别布置在第三应变梁和第四应变梁上；其中：

第五十七应变片R57和第五十八应变片R58粘贴在第三应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第五十九应变片R59和第六十应变片R60粘贴在第三应变梁的周向第二贴片面中间位置；

第六十一应变片R61和第六十二应变片R62粘贴在第四应变梁的周向第一贴片面中间位置；

第六十三应变片R63和第六十四应变片R64粘贴在第四应变梁的周向第二贴片面中间位置；

测量沿车轮垂直径向力矩的应变片所组成的惠斯通全桥电路结构如下：

第五十八应变片R58和第六十应变片R60依次串联组成的第一桥臂；

第五十七应变片R57和第五十九应变片R59依次串联组成的第二桥臂；

第六十一应变片R61和第六十三应变片R63依次串联组成的第三桥臂；

第六十二应变片R62和第六十四应变片R64依次串联组成的第四桥臂；

测量沿车轮垂直径向力矩的惠斯通全桥电路的电压测量端一端连接至第五十七应变片R57与第六十应变片R60之间，电压测量端另一端连接至第六十二应变片R62和第六十三应变片R63之间。

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