技术领域
[0001] 本
发明属于传感器技术领域，涉及力传感器，特别涉及一种差动式电容多维力传感器。
背景技术
[0002] 目前电容式六维力传感器大多基于平行板电容效应原理，其基本工作原理是测量两
电极之间由于距离和介质等参数的变化而随之变化的电容值，通过电容值和力/力矩的数学关系式，换算出力/力矩的数值。这种电容式多维力传感器
温度稳定性好、高阻抗、低功率、动态响应好以及结构简单。但其灵敏度受极板间距的影响较大，电容值会随着极板间距的增大而迅速减小，且容易受到
电路噪声以及外界环境因素干扰。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于，针对目前电容式多维力传感器的不足，提出了一种差动式的电容多维力传感器，采用两种差动式结构电容器以提高电容式多维力传感器的抗干扰能力及灵敏度。
[0004] 一种差动式电容多维力传感器包括传感器主体1、下感应层2、PCB板3、上感应层4；所述传感器主体1至少包括
变形梁5、传感器外壁6以及PCB板安装台7；所述变形梁5一端连接于传感器主体1的主体中心圆盘8外侧，另一端连接于传感器外壁6内侧，呈
轮辐状分布；
所述传感器外壁6上开有走线孔9，用于外部引线；所述PCB板安装台7设置于传感器外壁6内侧，且PCB板安装台7上设有第一
螺纹孔22；所述下感应层2、上感应层4通过螺钉连接于传感器主体1的主体中心圆盘8上，主体中心圆盘8上设有第二
螺纹孔23以及沉头孔24；所述PCB板3安装于PCB板安装台7上；所述传感器外壁6上设有第三螺纹孔25，用于传感器与外接
法兰的连接。
[0005] 所述下感应层2上有下平行板电容动电极10，其数目为3，且一端固定连接于下感应层中心圆盘11外侧，另一端悬空。下感应层中心圆盘11上设有通孔26，用于将下感应层固定在主体1的主体中心圆盘8上。
[0006] 所述PCB板3至少包括下平行板电容静电极12、上平行板电容静电极13、左垂直型电容静电极14、右垂直型电容静电极15以及PCB板安装孔16。左垂直型电容静电极14与右垂直型电容静电极15均有两层，分别设置于PCB板3上下表面，且中间通过
铜线连接，以提高传感器灵敏度。
[0007] 所述上感应层4至少包括上平行板电容动电极17、垂直型电容动电极18，其数目均为3，且都为一端固定连接于上感应层中心圆盘19外侧，另一端悬空，上感应层中心圆盘19设有第四螺纹孔27和第五螺纹孔28。第四螺纹孔27用于将其与下感应层2一起固定在主体1的主体中心圆盘8上。第五螺纹孔28用于传感器与外接法兰的连接。
[0008] 所述下平行板电容动电极10和上平行板电容动电极17关于PCB板3对称分布，且都与PCB板3保持一定间隙，并与下平行板电容静电极12及上平行板电容静电极13形成差动式结构平行电极型电容器20，其数目为3且绕Z轴均匀分布；所述左垂直型电容静电极14和右垂直型电容静电极15关于垂直型电容动电极18对称分布，且都与垂直型电容动电极18保持一定间隙，形成差动式结构垂直电极型电容器21，其数目为3且绕Z轴均匀分布。
[0009] 所述差动式结构平行电极型电容器20，当下平行板电容动电极10与下平行板电容静电极12距离改变Δd时，上平行板电容动电极17与上平行板电容静电极13距离改变-Δd；所述差动式结构垂直电极型电容器21，当左垂直型电容静电极14与垂直型电容动电极18距离改变Δh时，右垂直型电容静电极15与垂直型电容动电极18的距离改变-Δh。
[0010] 本发明的特点和有益效果在于：
[0011] 构成差动式结构平行电极型电容器20的一对电容器零点电容值与噪声电容值均分别为C0与CC。当下平行板电容动电极10与下平行板电容静电极12距离改变Δd时，上平行板电容动电极17与上平行板电容静电极13距离改变-Δd。对应的电容量分别为-ΔC1与ΔC2，以电容量差值C1-C2作为输出
信号，则电容的改变量为(C0+CC-ΔC1)-(C0+CC+ΔC2)即-ΔC1-ΔC2。构成差动式垂直极电极型电容器21的一对电容器零点电容值与噪声电容值均分别为C0'与CC'。当左垂直型电容静电极14与垂直型电容动电极18距离改变Δh时，右垂直型电容静电极15与垂直型电容动电极18的距离改变-Δh。对应的电容量分别为与-ΔC3与ΔC4，以电容量差值C3-C4作为
输出信号，则电容的改变量为(C0'+CC'-ΔC3)-(C0'+CC'+ΔC4)即-ΔC3-ΔC4。从而采用两种差动式结构电容器提高了电容式多维力传感器的灵敏度，同时减小了由静电引力噪声电容，提高了抗干扰能力。
附图说明
[0012] 图1为本发明整体结构爆炸图；
[0013] 图2为本发明差动式结构平行电极型电容器示意图；
[0014] 图3为本发明差动式结构垂直电极型电容器示意图；
[0015] 图4为本发明PCB板Z轴正向且绕Z逆
时针旋转120°示意图；
[0016] 图5为本发明传感器主体底部斜视示意图；
[0017] 附图中：1.传感器主体；2.下感应层；3.PCB板；4.上感应层；5.变形梁；6.传感器外壁；7.PCB板安装台；8.主体中心圆盘；9.走线孔；10.下平行板电容动电极；11.下感应层中心圆盘；12.下平行板电容静电极；13.上平行板电容静电极；14.左垂直型电容静电极；15.右垂直型电容静电极；16.PCB板安装孔；17.上平行板电容动电极；18.垂直型电容动电极；19.上感应层中心圆盘；20.差动式结构平行电极型电容器；21.差动式结构垂直电极型电容器；22.第一螺纹孔；23.第二螺纹孔；24.沉头孔；25.第三螺纹孔；26.通孔；27.第四螺纹孔；
28第五螺纹孔。
具体实施方式
[0018] 为了更好地理解本发明，在下文将结合附图对本发明的示范性
实施例进行描述。
[0019] 如附图1至5所示，一种差动式电容多维力传感器包括传感器主体1、下感应层2、PCB板3、上感应层4；所述传感器主体1至少包括变形梁5、传感器外壁6以及PCB板安装台7；所述变形梁5一端连接于传感器主体主体中心圆盘8外侧，另一端连接于传感器外壁6内侧，呈轮辐状分布；所述传感器外壁6上开有走线孔9，用于外部引线；所述PCB板安装台7设置于传感器外壁6内侧，且PCB板安装台7上设有第一螺纹孔22；所述下感应层2、上感应层4通过螺钉连接于传感器主体1的主体中心圆盘8上，主体中心圆盘8上设有第二螺纹孔23以及沉头孔24；所述PCB板3安装于PCB板安装台7上；所述传感器外壁6上设有第三螺纹孔25，用于传感器与外接法兰的连接。
[0020] 所述下感应层2上有下平行板电容动电极10，其数目为3，且一端固定连接于下感应层中心圆盘11外侧，另一端悬空。下感应层中心圆盘11上设有通孔26，用于将下感应层固定在主体1的主体中心圆盘8上。
[0021] 所述PCB板3至少包括下平行板电容静电极12、上平行板电容静电极13、左垂直型电容静电极14、右垂直型电容静电极15以及PCB板安装孔16。左垂直型电容静电极14与右垂直型电容静电极15均有两层，分别设置于PCB板3上下表面，且中间通过铜线连接，以提高传感器灵敏度。
[0022] 所述上感应层4至少包括上平行板电容动电极17、垂直型电容动电极18，其数目均为3，且都为一端固定连接于上感应层中心圆盘19外侧，另一端悬空，上感应层中心圆盘19设有第四螺纹孔27和第五螺纹孔28。第四螺纹孔27用于将其与下感应层2一起固定在主体1的主体中心圆盘8上。第五螺纹孔28用于传感器与外接法兰的连接。
[0023] 所述下平行板电容动电极10和上平行板电容动电极17关于PCB板3对称分布，且都与PCB板3保持一定间隙，并与下平行板电容静电极12及上平行板电容静电极13形成差动式结构平行电极型电容器20，其数目为3且绕Z轴均匀分布；所述左垂直型电容静电极14和右垂直型电容静电极15关于垂直型电容动电极18对称分布，且都与垂直型电容动电极18保持一定间隙，形成差动式结构垂直电极型电容器21，其数目为3且绕Z轴均匀分布。
[0024] 所述差动式结构平行电极型电容器20，当传感器受力时，下平行板电容动电极10与下平行板电容静电极12的距离改变Δd，上平行板电容动电极17与上平行板电容静电极13的距离改变-Δd。对应的电容量分别为C1与C2，以电容量差值C1-C2作为输出信号；所述差动式结构垂直电极型电容器21，当垂直型电容动电极18与左垂直型电容静电极14的距离改变Δh时，右垂直型电容静电极15与垂直型电容动电极18的距离改变-Δh，对应的电容量分别为C3与C4，以电容量差值C3-C4作为输出信号。
[0025] 其工作原理，当传感器受到任意力时都可以分解为FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六维空间力，其使变形梁发生变形，从而使构成六对差动式结构电容器的十二个电容器极距发生改变，数值为Δd1、-Δd1、Δh1、-Δh1、Δd2、-Δd2、Δh2、-Δh2、Δd3、-Δd3、Δh3、-Δh3，相应的电容改变值为-ΔC1、ΔC2、-ΔC3、ΔC4、-ΔC5、ΔC6、-ΔC7、ΔC8、-ΔC9、ΔC10、-ΔC11、ΔC12，且ΔC1≈ΔC2,ΔC3≈ΔC4,ΔC5≈ΔC6,ΔC7≈ΔC8,ΔC9≈ΔC10,ΔC11≈ΔC12。
[0026] 平行板电极型电容器极板距离与电容之间的数学关系：
[0027]
[0028] 其中，ε为两极板间介质的
介电常数；S为两极板间的相对有效面积；d两极板间距。
[0029] 由式上可知当，极板间距d0改变Δd时，初始电容C0的改变量为ΔC1，有：
[0030]
[0031] 当 极小时，由泰勒公式展开得：
[0032]
[0033] 即可用 进行线性拟合，则变极距电容器灵敏度计算公式为：
[0034]
[0035] 当采用差动式结构时，即当其中一电容器极距d改变Δd时，另一电容器极距d改变-Δd，电容的改变量分别为-ΔC1和ΔC2，且ΔC1≈ΔC2。并以两电容器的容差C1-C2作为输出信号，则电容的改变量ΔC＝(C0+CC-ΔC1)-(C0+CC+ΔC2)＝-ΔC1-ΔC2＝-2ΔC1，故灵敏度为：
[0036]
[0037] 由上式可知当采用差动式结构后，平行电极型电容器灵敏度由 提高到同时还减小了噪声电容CC。
[0038] 垂直电极型电容器极板间距与电容之间的数学关系：
[0039]
[0040] 其中，h为两极间距离；H为垂直电极的高度；W为垂直电极的宽度；ε为两极板间介质的介电常数。
[0041] 由上式可知，当极板间距h0改变Δh时，初始电容C0'的改变量为ΔC3,即有：
[0042]
[0043] 当 极小时，由泰勒公式展开得：
[0044]
[0045] 即，可用 进行线性拟合，其灵敏度为：
[0046]
[0047] 当采用差动式结构时，即当其中一电容器极距h改变Δh时，另一电容器极距h改变-Δh，电容的改变量分别为-ΔC3和ΔC4，且ΔC3≈ΔC4。并以两电容器的容差C3-C4作为输出信号，则电容的改变量ΔC＝(C0'+CC'-ΔC3)-(C0'+CC'+ΔC4)＝-ΔC3-ΔC4＝-2ΔC4，故灵敏度为：
[0048]
[0049] 由上式可知当采用差动式结构后，垂直极板型电容器灵敏度由 提高到同时还减小了噪声电容CC'。
[0050] 最后以六对差动式结构电容器容值C1-C2,C3-C4,C5-C6,C7-C8,C9-C10,C11-C12作为输出信号,并通过试验可得6×6解耦矩阵A,建立下列解耦公式：
[0051] F＝AΔC
[0052] 式中，F＝(FX,FY,FZ,MX,MY,MZ)T，ΔC＝(C1-C2,C3-C4,C5-C6,C7-C8,C9-C10,C11-C12)T[0053] FX、FY、FZ分别表示X方向的力、Y方向的力、Z方向的力，单位为N；
[0054] MX、MY、MZ分别表示X方向力矩、Y方向力矩、Z方向力矩，单位为N·m。
[0055] 最后说明的是以上仅是本发明的优选实施方式，而本发明并非仅局限于以上实施例，还可以做各种
修改或变形。因此，
说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡运用本发明原理所研究的等效技术变化，均包含于本发明的
专利范围内。
