扩展桥XY力传感器的制作方法

扩展桥xy力传感器
1.优先权的权利
2.本技术是2019年11月15日提交的美国专利申请序列号62/936,349和2019年11月15日提交的美国专利申请序列号62/936,350和2019年11月15日提交的美国专利申请序列号62/936,351的继续并要求其优先权权益，上述专利申请中的每一个都通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.在微创外科手术期间的力感测和反馈可以为执行手术的外科医生带来更好的沉浸感、真实感和直观性。为了获得最佳的触觉渲染性能和准确性，力传感器可以放置在手术器械上并尽可能靠近相互作用的解剖组织。一种方法是在手术器械轴的远端嵌入力传感器，在力换能器上形成电应变计，通过例如铺设具有切割电路图案的导电片、印刷或添加剂沉积工艺，以测量施加给手术器械的应变。
4.图1是表示现有力传感器的示意图，该力传感器包括具有四个全惠斯通电桥(全桥)的矩形梁。典型的电桥电路包括一个电路拓扑，其中两个电路分支(通常彼此并联)由前两个分支之间的第三分支桥接，以在两个分支之间的某个中间点处提供偏移电压。说明性的力传感器包括在梁的两个相邻正交侧的每一个上的两个全桥，以测量与梁的纵向轴线正交的力。梁可以固定到手术器械轴的远侧部分以感测与轴的纵向轴线正交的力。例如，垂直于梁的一侧施加的力(即x或y力)可以通过减去由梁的该侧的近端和远端部分的全桥确定的力测量值来确定。
5.力传感器可以承受各种不同的应变源，包括：待测量的正交力、力矩、离轴力、离轴力矩、压缩/拉伸、扭转、环境温度和梯度温度。每个示例全桥都可以抵消以下应力：温度、扭转、离轴力和离轴力矩。每个单独的全桥输出可以指示由力、力矩和压缩/拉伸引起的应力。在示例力传感器中，从在一侧的远侧全桥产生的输出值减去由同一侧形成的近侧全桥产生的输出值可以抵消力矩，从而产生表示待测量的正交力的输出值。
6.手术器械力传感器对于确保患者安全至关重要。因此，可能需要力传感器错误检测以通过检测力传感器故障来防止伤害。错误检测的一种方法是提供额外的全桥，以产生冗余的可以进行比较的力测量值以检测错误。然而，梁侧有限的空间会使在一侧添加更多的全桥变得不切实际。此外，一些制造工艺通常限于至多在两侧形成电桥。在四个侧面形成电桥显著增加了制造成本。


技术实现要素：

7.力传感器包括具有位于梁表面上的四个惠斯通半桥(“半桥”)的梁。梁包括近侧部分和远侧部分、纵向中心轴线和沿梁表面平行于中心轴线延伸的中性轴线。第一和第二半桥包括拉伸电阻器。第三和第四半桥包括压缩电阻器。第一和第三半桥沿第一侧轴线布置。第二和第四半桥沿第二侧轴线布置。第一和第二侧轴线在中性轴线的相对两侧上沿着平行于中性轴线的梁表面并且与中性轴线等距延伸。
8.三个半桥的四种组合中的每一种都可以用于产生施加到梁上的力的正交分量的单独测量值。单独测量值的比较提供了一个或多个半桥是否有故障的指示。故障被报告为传感器错误。
附图说明
9.在不一定按比例绘制的附图中，相同的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似部件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文中讨论的各种实施例。
10.图1是表示示例现有力传感器的示意图，该力传感器包括具有四个全惠斯通电桥(全桥)的矩形梁。
11.图2是根据一些示例的具有细长轴的手术器械的远侧部分的说明性侧视图，该细长轴具有安装在其上的力传感器梁。
12.图3a是包括矩形梁的示例力传感器的说明性透视图，在矩形梁的两个相邻侧的每一个上具有两个扩展的惠斯通电桥电路。
13.图3b示出了图3a的力传感器的说明性透视图，该图进一步示出了假想的第一平面和假想的第二平面。
14.图3c示出了图3a的力传感器的说明性透视图，该图进一步示出了假想的第三平面和假想的第四平面。
15.图4是图3a-3b的示例梁的说明性近侧方向横截面视图，该图示出了假想平面在纵向中心轴线处的相交。
16.图5a是示出电阻器在梁的第一侧308上的布置的侧视图。
17.图5b是示出电阻器在梁的第二侧上的布置的侧视图。
18.图6a是示例梁的说明性侧视图，该图示出了示例全惠斯通电桥的第一示例电路布局拓扑。
19.图6b是全惠斯通电桥布局拓扑的说明性第一示意电路图表示。
20.图7a是示例梁的说明性侧视图，该图示出了示例全惠斯通电桥的第二示例电路布局拓扑。
21.图7b是第二全惠斯通电桥布局拓扑的说明性第一示意电路图表示。
22.图8a是示例梁的两个相邻侧的说明性平面侧视图，该图示出了第一和第二全惠斯通电桥的布局和中心导体迹线的布线。
23.图8b是图8a的第一和第二全惠斯通电桥的说明性第一示意电路图表示。
24.图9a是图4的示例梁的说明性横截面端视图，该图指示第一侧上的电阻器并指示第一平面力和第二平面力。
25.图9b是一种说明性力图，其指示响应于施加的力而施加到第一近侧电阻器和第一远侧电阻器的第一平面力的x力分量和y力分量。
26.图9c是一种说明性力图，其指示响应于施加的力而施加到第二近侧电阻器和第二远侧电阻器的第二平面力的x力分量和y力分量。
27.图10是图4的示例梁的说明性横截面端视图，其指示梁第二侧上的电阻器并指示第三平面力和第四平面力。
28.图11是表示包含切口(cut-out)的金属片的说明性图，所述切口限定示例电阻器，以用于组装到梁的相邻第一和第二侧上的相应电桥电路中。
29.图12a是表示围绕金属片的第一和第二侧缠绕第一和第二区域的过程的示意图，所述金属片围绕梁。
30.图12b是梁的说明性透视图，该图示出了铺在示例梁的相应第一和第二侧上面的金属片的第一和第二区域。
31.图13a-13b示出了示例力传感器的说明性顶部透视图(图13a)和底部透视图(图13b)，该示例力传感器包括矩形梁，其中两个四应变量规电阻器耦合在位于矩形梁的两个相反侧的每一个上的两个半惠斯通电桥电路中。
32.图14a示出了说明性的第一示例半桥电路布局，其具有串联电耦合的近侧和远侧拉伸量规应变电阻器并且具有耦合在它们之间的电压节点。
33.图14b是第一半桥电路布局的说明性第一示意电路图表示。
34.图15a示出了说明性的第二示例半桥电路布局，其具有串联电耦合的近侧和远侧压缩量规应变电阻器并且具有耦合在它们之间的电压节点。
35.图15b是第二半桥电路布局的说明性第二示意电路图表示。
36.图16是示出了第一和第二假想平面的图13a-13b的示例梁的说明性近侧方向横截面视图。
37.图17a是梁的侧视图，该图示出了图13a-13b的梁的第一侧。
38.图17b是梁的侧视图，该图示出了图13a-13b的梁的相反的第二侧。
39.图18a是示例梁的说明性近侧方向横截面视图，该图指示施加到第二和第三半桥的第二平面应变力和第三平面应变力。
40.图18b是指示第二平面应变力对第二半桥的x力分量和y力分量的说明性力图。
41.图18c是指示施加到第三半桥的第三平面应变力的x力分量和y力分量的说明性力图。
42.图19是示例梁的说明性近侧方向横截面视图，该图指示施加到第一和第四半桥的第一平面应变力和第四平面应变力。
43.图20是示例梁的说明性近侧方向横截面视图，该图指示施加到第一和第二半桥的第一平面应变力和第二平面应变力。
44.图21是示例梁的说明性近侧方向横截面视图，该图指示施加到第三和第四半桥的第三平面应变力和第四平面应变力。
45.图22示出了示例力传感器的说明性俯视透视图，该示例力传感器包括矩形梁，该矩形梁具有位于其第一侧的两个拉伸电阻器半桥电路和两个压缩电阻器半桥电路。
46.图23是图22的示例梁的说明性近侧方向横截面视图。
47.图24是图22的示例梁的第一侧的侧视图，两个拉伸电阻器半桥和两个压缩电阻器半桥位于该示例梁上。
48.图25是示例梁的说明性横截面端视图，该图指示施加到第一和第二半桥的第一平面应变力和第二平面应变力。
49.图26是示例梁的说明性横截面端视图，该图指示施加到第三和第四半桥的第一平面应变力和第二平面应变力。
50.图27是示例梁的说明性横截面端视图，该图指示施加到第一和第四半桥的第一平面应变力和第四平面应变力。
51.图28是示例梁的说明性横截面端视图，该图指示施加到第二和第三半桥的第二平面应变力和第三平面应变力。
52.图29是示例梁的说明性横截面端视图，该图指示施加到位于其上的三个示例半桥的力。
53.图30是表示配置为监测力传感器电压测量值的计算机系统的说明图。
54.图31是表示用于检测在力传感器内故障应变量规电阻器的发生的示例诊断过程的说明性流程图。
55.图32a-32b示出了示例力传感器的说明性顶部透视图(图32a)和底部透视图(图32b)，该示例力传感器包括矩形梁，在该矩形梁的两个相反侧上具有惠斯通电桥电路。
56.图33是图32a-32b的示例梁的说明性近侧方向横截面视图。
57.图34a是梁的侧视图，该图示出了梁的第一侧。
58.图34b是梁的侧视图，该图示出了梁的第二侧。
59.图35a是示例梁的说明性侧视图，该图示出了第一全惠斯通电桥电路的第一示例布局。
60.图35b是第一全惠斯通电桥布局拓扑的说明性第一示意电路图表示。
61.图36a是示例梁的说明性侧视图，该图示出了第一全惠斯通电桥电路的替代第二示例布局。
62.图36b是第一全惠斯通电桥电路的替代示例第二布局拓扑的说明性第一示意电路图表示。
63.图37a是示例梁的说明性侧视图，该图示出了位于梁的第二侧的第二全惠斯通电桥电路的示例第一电路布局。
64.图37b是第二全桥电路的第一示例布局的说明性示意电路图表示。
65.图37c是示例梁的说明性侧视图，该图示出了位于梁3304的第二侧的第二示例全惠斯通电桥的示例第二布局。
66.图37d是第二全桥电路的第二示例布局的说明性示意电路图表示。
67.图38a是示例梁的说明性侧视图，该图示出了惠斯通电桥的扩展布局并且示出了中心导体迹线的布线。
68.图38b是图38a的第一和第二全惠斯通电桥的说明性第一示意电路图表示。
69.图39a是图33的示例梁的说明性横截面端视图，该图指示第一侧上的电阻器并指示第一平面力和第二平面力。
70.图39b是一种说明性力图，其指示响应于施加的力而施加到第一近侧电阻器和第一远侧电阻器的第一平面力的x力分量和y力分量。
71.图39c是一种说明性力图，其指示响应于施加的力而施加到第二近侧电阻器和第二远侧电阻器的第二平面力的x力分量和y力分量。
72.图40是图33的示例梁的指示电阻器指示x轴力的说明性近侧方向横截面视图。
73.图41是表示包含切口的金属片的说明图，所述切口限定示例电阻器，以用于组装到梁的反向面向的第一侧和第二侧上的相应第一和第二全惠斯通电桥中。
74.图42a是表示围绕示例梁缠绕金属片以将第一组电阻器定位在梁的第一侧并且将第二组电阻器定位在梁的第二侧的过程的说明性图。
75.图42b是梁的示意性顶部透视图，其中金属片围绕梁的三个侧面缠绕。
76.图42c是梁的说明性底部透视图，其中金属片围绕梁的三个侧面缠绕。
77.图43是一种梁的说明性横截面视图。
具体实施方式
78.扩展桥相邻侧xy力传感器
79.图2是示例手术器械202的远侧部分的说明性侧视图，其具有以部分切割方式示出的细长轴204和力传感器205。力传感器205安装到轴204的远侧部分并且包括具有位于其上的多个应变量规电阻器212的梁206。手术器械202包括末端执行器208，例如，末端执行器208可以包括可铰接的钳口。在外科手术期间，末端执行器208接触解剖组织，这可能导致向力传感器206施加x、y或z方向的力，并且可能导致力矩，例如，诸如绕y方向轴线的力矩my。包括纵向轴线210的力传感器205可用于测量垂直于纵向轴线210的x和y力。
80.图3a是示例力传感器302的说明性透视图，该示例力传感器302包括矩形梁304，在其两个相邻侧的每一个上具有扩展的惠斯通电桥电路。第一全惠斯通电桥352(由虚线指示)包括第一(r
p1
)、第二(r
d1
)、第三(r
p2
)和第四(r
d2
)电阻器。第二全惠斯通电桥354(由虚线指示)包括第五(r
p3
)、第六(r
d3
)、第七(r
p4
)和第八(r
d4
)电阻器。在示例第一全惠斯通电桥352中，第一和第二电阻器耦合在第一半桥中，而第三和第四电阻器耦合在第二半桥中。在示例第二全惠斯通电桥中，第五和第六电阻器耦合在第三半桥中，而第七和第八电阻器耦合在第四半桥中。(x，y，z)梁坐标系305被示出以解释相对于梁304的力方向。示例梁304可以具有带有平坦/平面(planar)侧面的矩形横截面。更具体地，示例梁可以具有正方形横截面。梁304包括近侧梁部分304p和远侧梁部分304d并且包括在近侧梁部分和远侧梁部分之间延伸的纵向中心轴线306。力传感器302包括具有匹配电阻器值的示例电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
。
81.电阻器可以手动或使用自动机械被放置在梁304上，并且可以使用粘合剂诸如环氧树脂将电阻器粘附到梁上。可替代地，可以将电阻器直接沉积并激光蚀刻到梁304上。在这两种情况下，都可以使用引线键合和柔性印刷电路在外部完成电路。
82.第一近侧应变量规电阻器(“电阻器”)r
p1
和第二近侧电阻器r
p2
位于梁304的第一侧308的近侧梁部分304p处。第一远侧电阻器r
d1
和第二远侧电阻器r
d2
位于梁304的第一侧308的远侧梁部分处。如下所述，位于梁的第一侧308上的第一组电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
被布置在第一扩展全惠斯通电桥中。第三近侧电阻器r
p3
和第四近侧电阻器r
p4
位于梁304的第二侧310的近侧梁部分304p处。第三远侧电阻器r
d3
和第四远侧电阻器r
d4
位于梁304的第二侧310的远侧梁部分304d处。示例梁304的第一侧308与示例梁304的第二侧310相邻。如下所述，第二组电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
布置在第二扩展全惠斯通电桥中。
83.如下文更全面地解释，第一和第二全桥电路是“展开”的，因为每个全桥电路的部分在梁304上彼此横向间隔开。例如，每个全桥可以包括彼此横向扩展分开的两个半桥。横向扩展分开的半桥的一个优点在于，例如，将电阻器耦合到偏置电压或使电阻器彼此耦合的导体迹线可以被布线为穿过梁304的面的中间或在梁的每个面上靠近梁304的中性轴线。
可替代地，在圆形横截面梁(未示出)中，导体迹线可以有利地沿着各个半桥的中性轴线布线。这种布线有助于减少迹线的应变，从而通过拒绝不需要的信号来提高传感器的准确性。如下文更全面地解释的，位于梁304的第一侧308的第一和第二近侧电阻器r
p1
、r
p2
以及第一和第二远侧电阻器r
d1
、r
d2
用作y方向力传感器元件，而位于梁的第二侧310的第三和第四近侧电阻器r
p3
、r
p4
以及第三和第四远侧电阻器r
d3
、r
d4
用作x方向力传感器元件。
84.电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
中的每一个都是相同类型的应变量规电阻器。更具体地，在本文描述的示例力传感器302中，电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
是用于测量拉伸应变的拉伸型量规电阻器。在一种替代示例力传感器中，该组电阻器可以是用于测量压缩应变的压缩型量规电阻器。如本文所用，提及具有“匹配类型”的一组电阻器是指其中所有电阻器都是拉伸电阻器或所有电阻器都是压缩电阻器的一组电阻器。具有匹配类型的电阻器更有可能具有相似的灵敏度和性能，从而使传感器更适合共模消除至关重要的低信噪比情况，并且效果更好。一般而言，尽管拉伸或压缩量规电阻器能够用于确定彼此正交的x方向和y方向力，但拉伸应变量规电阻器通常比压缩量规电阻器更敏感。
85.图3b示出了图3a的力传感器302的说明性透视图，该图进一步示出了假想的第一平面p1和假想的第二平面p2。第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
被布置在第一假想平面p1内的梁304的第一侧上，中心轴线306在第一假想平面p1中延伸，并且平面p1在梁304的第一侧308上、第一平面p1沿其与第一侧相交的位置处限定第一横向侧轴线312。第一横向轴线312和中心轴线306彼此平行地延伸。示例第一横向侧轴线312延伸穿过第一近侧电阻器r
p1
并穿过第一远侧电阻器r
d1
。此外，示例第一横向侧轴线312平分示例第一近侧电阻器r
p1
并且平分示例第一远侧电阻器r
d1
。
86.仍然参考图3b，第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
被布置在第二假想平面p2内的梁304的第一侧上，中心轴线306在该平面p2中延伸，并且平面p2在梁304的第一侧308上、第二平面p2沿其与第一侧308相交的位置处限定第二横向侧轴线314。第二横向轴线314和中心轴线306彼此平行地延伸。示例第二横向侧轴线314延伸穿过第二近侧电阻器r
p2
并穿过第二远侧电阻器r
d2
。此外，示例第二横向侧轴线314平分示例第二近侧电阻器r
p2
并且平分示例第二远侧电阻器r
d2
。
87.图3c示出了图3a的力传感器302的说明性透视图，该图进一步示出了假想的第三平面p3和假想的第四平面p4。第三近侧电阻器r
p3
和第三远侧电阻器r
d3
布置在第三假想平面p3内的梁304的(与第一侧308相邻的)第二侧310上，中心轴线306在该平面p3中延伸，并且第三假想平面p3在梁304的第二侧310上的位置处限定第三横向侧轴线316，第三平面p3沿该位置与第二侧310相交。示例第三横向侧轴线316延伸穿过第三近侧电阻器r
p3
并穿过第三远侧电阻器r
d3
。此外，示例第三侧轴线平分示例第三近侧电阻器r
p3
并且平分示例第三远侧电阻器r
d3
。
88.仍然参考图3c，第四近侧电阻器r
p4
和第四远侧电阻器r
d4
被布置在第四假想平面p4内的梁304的第二侧310上，中心轴线306在该平面p4中延伸，并且平面p4在梁304的第二侧310上、第四平面p4沿其与梁304的第二侧310相交的位置处限定第四横向侧轴线318，并且第四假想平面p4包括中心轴线306。示例第四横向侧轴线318延伸穿过第四近侧电阻器r
p4
并穿过第四远侧电阻器r
d4
。更具体地，示例第四横向侧轴线平分示例第四近侧电阻器r
p4
并且平分示例第一远侧电阻器r
d4
。
89.图4是图3a-3b的示例梁304的说明性近侧方向横截面视图，该图示出了假想平面在纵向中心轴线306处的相交。图5a是示出电阻器r
p1-r
p2
、r
d1-r
d2
在梁304的第一侧308上的布置的侧视图。图5b是示出电阻器r
p3-r
p4
、r
d3-r
d4
在梁304的第二侧310上的布置的侧视图。
90.参考图4，梁304的近侧方向端视图示出了沿纵向中心轴线306相交的假想的第一至第四平面p1-p4的侧视图。(x，y，z)梁坐标系305被示出以解释相对于梁304的力方向。需注意，在图4中，z轴线被示出为从页面中出现。第一平面p1和第二平面p2围绕中心轴线彼此隔开第一分离角a1。第二和第三假想平面彼此隔开第二分离角b1。在示例力传感器302中，第一分离角等于第二分离角。
91.参考图5a，第一平面p1被示为延伸穿过第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
，它们沿梁304的第一侧308上的第一横向侧轴线312布置，以及第二平面p2被示为延伸穿过第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
，它们沿梁304的第一侧308上的第二横向侧轴线314布置。(x，y，z)梁坐标系305被示出以解释相对于梁304的力方向。需注意，在图5a中，x轴示出为指向页面。第一分离角a1的大小对应于第一侧308处第一侧轴线312和第二侧轴线314之间的横向间隔距离，并因此，对应于包括第一近侧和远侧电阻器r
p1
、r
d1
的第一电阻器对和包括第二近侧和远侧电阻器r
p2
、r
d2
的第二电阻器对之间的横向间隔。在示例力传感器302中，第一横向侧轴线312和第二横向侧轴线314与梁304的第一侧308的中性轴线315等距，该中性轴线315在第一侧面内延伸并且与第一侧308的相对横向边缘等距，尽管不需要等距间隔。
92.参考图5b，第三平面p3被示为延伸穿过沿梁304的第二侧310上的第三横向侧轴线316布置的第三近侧电阻器r
p3
和第三远侧电阻器r
d3
，以及第四平面p4被示为延伸穿过沿梁304的第二侧310上的梁304的第四横向侧轴线318布置的第四近侧电阻器r
p4
和第四远侧电阻器r
d4
。(x，y，z)梁坐标系305被示出以解释相对于梁304的力方向。需注意，在图5b中，y轴线被示出为从页面中出现。第二分离角b1的大小对应于第二侧310处第三横向侧轴线316和第四横向侧轴线318之间的横向间隔距离，并因此对应于包括第三近侧和远侧电阻器r
p3
、r
d3
的第三电阻器对和包括布置的第四近侧和远侧电阻器r
p4
、r
d4
的第四电阻器对之间的横向间隔。在示例力传感器302中，第三横向侧轴线316和第四横向侧轴线318与梁304的第二侧310的中性轴线319等距，该中性轴线319在第二侧面内延伸并且与第二侧310的相对横向边缘等距。
93.因此，第一对电阻器r
p1
、r
d1
和第二对电阻器r
p2
、r
d2
横向扩展分开地位于梁304的第一侧308上。在示例梁304中，第一对电阻器定位成与第一横向侧轴线312对齐并且第二对或多个电阻器定位成与第二横向侧轴线314对齐，并且第一和第二横向侧轴线与梁304的第一侧的中性轴线315等距横向隔开并且在中性轴线315的相对侧上。更具体地，第一对电阻器定位成与第一横向侧轴线312对齐并且第二对或多个电阻器定位成与第二横向侧轴线314对齐。此外，第三对电阻器r
p3
、r
d3
和第四对电阻器r
p4
、r
d4
横向扩展分开地位于梁304的第二侧310上。在示例梁304中，第三对电阻器定位成与第三横向侧轴线316对齐，并且第四对或多个电阻器定位成与第四横向侧轴线318对齐，并且第一和第二横向侧轴线316、318与梁304的第二侧的中性轴线319等距横向间隔开并且在中性轴线319的相对侧上。更具体地，第三对电阻器定位成与第三横向侧轴线316对齐并且第四对或多个电阻器定位成与第四横向侧轴线318对齐。
94.在示例力传感器中，作为同一全桥的一部分的近侧和远侧电阻器横向对齐。此外，在示例力传感器中，第一和第二横向侧轴线之间的间隔匹配第三和第四横向侧轴线之间的间隔。在示例力传感器中，近侧电阻器r
p1-r
p4
定位在梁的匹配纵向位置处。在示例力传感器中，远侧电阻器r
d1-r
d4
定位在梁的匹配纵向位置处。
95.如下文解释的，第一桥352的电阻器横向分开布置以基于沿第一平面p1和第二平面p2施加的偏中性轴线力测量垂直于梁中心轴线306的第一方向上的力。类似地，基于测量沿第二和第三平面p3、p4施加的离轴力，第二桥354的电阻器横向布置以测量在垂直于梁中心轴线306且垂直于第一方向的第二方向上的力。如图8a所示，第一桥352的电阻器的横向分离使得第一中心导体迹线356在第一桥352的近侧电阻器和远侧电阻器之间的梁304区域中平行于梁中心轴线306的布线成为可能。同样地，第二桥352的电阻器的横向分离使得第二中心导体迹线358在第二桥354的近侧电阻器和远侧电阻器之间的梁304区域中平行于梁中心轴线306的布线成为可能。
96.图6a是示例梁304的说明性侧视图，该图示出示例全惠斯通电桥602的第一示例布局拓扑。第一示例全惠斯通电桥布局包括电阻器r
pa-r
pb
和r
da-r
db
。在示例力传感器304中，位于梁304的第一侧308上的电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
可以与第一全惠斯通电桥布局的拓扑相一致地耦合，同样地，位于梁304的第二侧310上的电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
可以与第一全惠斯通电桥布局的拓扑相一致地耦合。第一惠斯通电桥布局在第一配置中耦合到输入偏置电压导体(ep、en)和输出电压导体(vo-、vo+)。图6b是全惠斯通电桥布局拓扑的说明性第一示意电路图604表示。参考图6a-6b，第一近侧电阻器r
pa
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第二(也称为“负”电位)输出vo-之间。第二近侧电阻器r
pb
电耦合在负的第二dc电位(en)和第二输出vo-之间。第一远侧电阻器r
da
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第一输出vo+(也称为“正”输出)之间。第二远侧电阻器r
db
电耦合在负的第二dc电位(en)和第一输出vo+之间。
97.图7a是示例梁304的说明性侧视图，该图示出示例全惠斯通电桥702的第二电路布局拓扑。第二示例全惠斯通电桥布局包括电阻器r
pa-r
pb
和r
da-r
db
。在示例力传感器304中，位于梁304的第一侧308上的电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
可以与第二全惠斯通电桥布局的拓扑相一致地耦合，同样地，位于梁304的第二侧310上的电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
可以与第二全惠斯通电桥布局的拓扑相一致地耦合。第二惠斯通电桥布局在第二配置中耦合到输入偏置电压导体(ep、en)和输出电压导体(vo-、vo+)。图7b是第二全惠斯通电桥布局拓扑的说明性第一示意电路图704表示。参考图7a-7b，第一近侧电阻器r
pa
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第一输出vo+之间。第二近侧电阻器r
pb
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第二输出vo-之间。第一远侧电阻器r
da
电耦合在负的第二dc电位(en)和第一输出vo+之间。第二远侧电阻器r
db
电耦合在负的第二dc电位(en)和第二输出vo-之间。
98.一般来说，图6a中的布局更适合减少必须跨越梁长度的迹线数量，并且还可以减少迹线拾取应变的影响。另一方面，如果力传感器使用半桥电压测量，则图7a中的布局是优选的。
99.图8a是示例梁304的两个相邻侧的说明性平面侧视图，该图示出了第一和第二全惠斯通电桥352、354的展开布局以及在电桥的中心内、在电桥的近侧电阻器和远侧电阻器之间延伸的中心导体迹线356、358的布线。第一桥352位于梁304的第一侧304-1处。第二桥354位于梁304的第二侧304-2处。第一侧304-1和第二侧304-2共享梁304的侧边缘303。
100.第一全惠斯通电桥352包括r
p1
、r
p2
和远侧电阻器r
d1
、r
d2
，并且具有第一中性轴线362，其在近侧电阻器r
p1
、r
p2
和远侧电阻器r
d1
、r
d2
之间平行于梁轴线306延伸。在示例第一桥中，第一中性线与r
p1
和r
p2
中的每一个均等间隔并且与r
d1
和r
d2
中的每一个均等间隔。第一桥352纵向分开，其中近侧电阻器r
p1
、r
p2
与远侧电阻器r
d1
、r
d2
纵向分开。第一桥横向扩展，其中近侧电阻器r
p1
、r
p2
横向扩展分开且远侧电阻器r
d1
、r
d2
彼此横向扩展分开。第二全惠斯通电桥354具有第一中性轴线364，其沿着梁304的外表面平行于近侧电阻器r
p3
、r
p4
之间和远侧电阻器r
d3
、r
d4
之间的梁轴线306延伸。在示例第二桥中，第二中性线与r
p3
和r
p4
中的每一个均等间隔并且与r
d3
和r
d4
中的每一个均等间隔。第二桥354纵向分开，其中近侧电阻器r
p3
、r
p4
与远侧电阻器r
d3
、r
d4
纵向分开。第二桥横向扩展，其中近侧电阻器r
p3
、r
p4
横向扩展分开且远侧电阻器r
d3
、r
d4
彼此横向扩展分开。
101.应当理解，由于第一全惠斯通电桥352的电阻器横向扩展分开，它们不占据第一中性轴线362。同样，由于第二全惠斯通电桥354的电阻器横向扩展分开，它们不占据第二中性轴线364。因此，导体迹线可以靠近并平行于第一和第二中性轴线362、364布线，这可以减少施加到迹线的应变量。此外，沿电桥电路的中性轴线的迹线布线可以更容易生产、制造或组装。
102.示例第一全桥包括第一组中心导体迹线356，其沿着第一桥352的中心部分、平行于第一中性轴线362、沿着梁304的外表面304-1的在第一桥352的一对近侧电阻器r
p1
、r
p2
和一对远侧电阻器r
d1
、r
d2
之间的区域纵向延伸。第一组中心迹线356包括耦合到第一正输出电压vo1+的迹线段356-1。第一组中心迹线356包括耦合到第一负电压输出vo1-的迹线段356-1。第一组中心迹线356包括耦合到负电压电位en的迹线段356-3。
103.类似地，示例第二全桥包括第二组中心导体迹线358，其沿第二桥354的中心部分、平行于第二中性轴线364、沿着梁304的外表面304-2的在第二桥352的一对近侧电阻器r
p3
、r
p4
和一对远侧电阻器r
d3
、r
d4
之间的区域纵向延伸。第二组中心迹线358包括耦合到第二正输出电压vo2+的迹线段358-1。第二组中心迹线358包括耦合到第二负电压输出vo2-的迹线段358-2。第二组中心迹线358包括耦合到负电压电位en的迹线段358-3。
104.图8b是图8a的第一和第二全惠斯通电桥的说明性第一示意电路图表示。第一全惠斯通电桥352包括耦合在ep和en之间的r
p1
和r
d1
以提供第一半桥分压器电路，该第一半桥分压器电路包括耦合到第一正输出电压vo1+的迹线导体。第一全惠斯通电桥352还包括耦合在ep和en之间的r
p2
和r
d2
以提供第二半桥分压器电路，该第二半桥分压器电路包括耦合到第一负输出电压vo1-的迹线导体。第二全惠斯通电桥354包括耦合在ep和en之间的r
p3
和r
d3
以提供第三半桥分压器电路，该第三半桥分压器电路包括耦合到第二负输出电压vo2-的迹线导体。第二全惠斯通电桥354还包括耦合在ep和en之间的r
p4
和r
d4
以提供第四半桥分压器电路，该第四半桥分压器电路包括耦合到第二正输出电压vo2+的迹线导体。
105.图9a是图4的示例梁304的说明性横截面端视图，该图指示第一侧上的电阻器并指示第一平面力fp1和第二平面力fp2。图9b是指示响应于施加的力f而施加到第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
的第一平面力fp1的正交x力分量和y力分量的说明性力图。图9c是指示响应于施加的力f而施加到第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
的第二平面力fp2的x力分量和y力分量的说明性力图。
106.在示例力传感器302中，第一对电阻器r
p1
、r
d1
的电阻值与第二对电阻器r
p2
、r
d2
的电
阻值匹配。在示例力传感器302中，第一和第二对电阻器定位在示例梁304上，使得施加到示例梁304的施加的力f将第一平面应变力fp1施加到第一平面p1内的第一对电阻器并将第二平面应变力fp2施加到第二平面p2内的第二对电阻器。应当理解，第一平面应变力fpl是离轴力，因为它是沿第一横向侧轴线312施加的力，第一横向侧轴线312从第一桥352的中性轴线315横向偏移。同样，应当理解，第二平面应变力fp2是离轴力，因为它是沿第二横向侧轴线314施加的力，第二横向侧轴线314从第一桥352的中性轴线315横向偏移。第一和第二对电阻器定位在示例梁304上，使得第一平面应变力fp1的分量的大小与第二平面应变力fp2的分量的大小相匹配。第一平面应变力fp1和第二平面应变力fp2的力方向彼此隔开第一分离角“a”。
107.使用相同类型的应变量规电阻器的一个优点在于垂直于梁304的中心轴线306施加的力的大小可以基于施加到位于梁上的全桥的不同半桥的离轴力大小的差异来确定。在示例力传感器302中，由施加的力f施加到梁304的y方向力分量fy的大小可以基于第一离轴力fp1和第二离轴力fp2之间的差值如下确定。
108.设a为p1和p2之间的角度。
109.设x轴线平分角度a。因此，p1与x之间的角度为a/2，p2与x之间的角度为a/2。
110.设θ为x轴线与施加的力f之间的角度。
111.沿x轴线的力f
x
＝fcosθ
112.沿y轴线的力fy＝fsinθ
113.参考图9b，沿p1的力＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)＝fp1
114.参考图9c，沿p2的力＝f
x
cosa/2+fycos(90-a/2)＝fp2
115.fp1＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
116.fp2＝f
x
cosa/2+fycos(90-a/2)
117.使用cos(θ)＝-cos(180-θ)
118.我们得到
119.fp2＝f
x
cosa/2-fycos(90+a/2)
120.当我们使fp1和fp2相减时
121.我们得到fp1-fp2＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0122]-f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0123]
因此，fp1-fp2＝2fycos(90+a/2)
[0124]
因此，fp1-fp2
∝fy
[0125]
因此，fp1和fp2之间的差值与施加的力f对梁施加的y方向力分量fy成正比。
[0126]
此外，应当理解的是，
[0127]fy
αv
s1o+
–vs1o-，
[0128]
其中v
s1o+
是第一桥电路352的正输出电压，v
s1o-是负输出电压，以及v
s1o+-v
s1o-是由位于梁304的第一侧308上的第一桥电路352产生的电压偏移。
[0129]
图10是图4的示例梁的说明性横截面端视图，该图指示梁304的第二侧310上的电阻器并指示第三平面x-力和第四平面x-力。在示例力传感器302中，第三对电阻器r
p3
、r
d3
的电阻值与第四对电阻器r
p4
、r
d4
的电阻值匹配。在示例力传感器302中，第三和第四对电阻器定位在示例梁304上，使得施加到示例梁304的施加的力将第三平面应变力fp3施加到第三
平面内的第三对电阻器p3并向第四平面p4内的第四对电阻器施加第四平面应变力fp4。应当理解，第三平面应变力fp3是离轴力，因为它是沿第三横向侧轴线316施加的力，第三横向侧轴线316横向偏离第二桥354的中性轴线315。同样，应当理解，第四平面应变力fp4是离轴力，因为它是沿第四横向侧轴线318施加的力，第四横向侧轴线318横向偏离第二桥354的中性轴线315。第三和第四对电阻器定位在示例梁304上，使得第三平面应变力fp3的分量的大小与第四平面应变力fp4的分量的大小相匹配。第三平面应变力fp3和第四平面应变力fp4的力方向彼此隔开第二分离角a。
[0130]
在该示例中，fp3和fp4之间的差值与由施加的力f施加到梁的x方向力分量f
x
成正比。本领域技术人员将理解用于确定fp3和fp4之间差值的过程基于以上确定fp1和fp2之间的差值的说明。
[0131]
此外，应当理解的是，
[0132]fx
＝fp3
–
fp4
[0133]fx
αv
s2o+
–vs2o-，
[0134]
其中v
s2o+
是正输出电压，v
s2o-是第二桥354的负输出电压，v
s2o+-v
s2o-是由梁304的第二侧310上的第二桥电路354产生的电压偏移。
[0135]
图11是表示金属片1102的示意图，该金属片1102包含限定示例电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
的切口，以用于组装到梁304的相邻第一侧308和第二侧310上的相应第一和第二全惠斯通电桥中。金属片1102的第一区域1104包括用于在位于梁304的第一侧308上的第一全桥配置中耦合的电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
。金属片1102的第二区域1106包括用于在位于示例梁的第二(y轴线)侧的第二全桥配置中耦合的电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
。第一和第二区域由折线1108分开。
[0136]
图12a是表示在折线1108处折叠金属片1102以围绕梁304缠绕金属片的第一和第二区域以将第一对电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
定位在梁304的第一侧308处，并将第二对电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
定位在梁304的第二侧310处。图12b是梁304的说明性透视图，该图示出了金属片1102的第一和第二区域1104-1106铺在示例梁304的相应第一和第二侧308-310上面。在示例矩形梁中，第一侧和第二侧包括梁的相邻侧面。金属片1102可以胶合或焊接到梁304上或两者的组合。在附接过程中，注意将金属片1102与梁304对齐。
[0137]
冗余多半桥xy力传感器
[0138]
在第一侧和相反侧具有四个半桥和所有相同类型量规的传感器中，减去相邻两个半桥的半桥电压提供了在平行于具有两个半桥的所有量规的平面的轴线上的力测量值。有四种方法可以提供f
x
和fy的两种测量值。
[0139]
图13a-13b示出了示例力传感器2302的说明性第一侧透视图(图13a)和第二侧透视图(图13b)，该力传感器包括矩形梁2304，其中两个四应变量规电阻器r
p1-r
p4
、r
d1-r
d4
耦合在位于矩形梁的两个相反侧中的每一个上的两个半惠斯通电桥电路(“半桥”)中。图13b中所示的梁2304的第二侧308朝向与图13a中所示的梁2304的第一侧308所面对的方向相反的方向。提供(x，y，z)梁坐标系2305来解释相对于梁2304的力方向。示例梁2304可以具有带有平坦侧面的矩形横截面。更具体地，示例梁可以具有正方形横截面。梁2304包括近侧梁部分2304p和远侧梁部分2304d并且包括在近侧梁部分2304p和远侧梁部分2304d之间延伸的纵向中心轴线306。
[0140]
参考图13a，第一近侧应变量规电阻器(“电阻器”)r
p1
和第二近侧电阻器r
p2
位于梁2304的第一侧308的近侧梁部分2304p处。第一远侧电阻器r
d1
和第二远侧电阻器r
d2
位于梁2304的第一侧308的远侧梁部分2304d处。如以下参考图14a-4b、15a-15b所解释的，第一对电阻器r
p1-r
d1
串联电耦合并布置在第一半桥中，第二对电阻器r
p2-r
d2
串联电耦合并布置在第二半桥中。
[0141]
参考图13b，第三近侧电阻器r
p3
和第四近侧电阻器r
p4
位于梁2304的在相反方向上面对由梁2304的第一侧308所面对的方向的第二侧2310(也称为“相反”侧)的近侧梁部分2304p处。第三远侧电阻器r
d3
和第四远侧电阻器r
d4
位于梁2304的相反第二侧2310的远侧梁部分2304d处。如以下参考图14a-14b、15a-15b所解释的，第三对电阻器r
p3-r
d3
串联电耦合并布置在第三半桥中，第四对电阻器r
p4-r
d4
串联电耦合并布置在布置在第四半桥中的第四半桥中。
[0142]
图14a是示例梁的说明性侧视图，该示例梁包括第一示例半桥电路布局2402，电路布局2402具有串联电耦合的近侧和远侧拉伸量规应变电阻器rtp、rtd并且具有耦合在它们之间的电压节点。第一示例半桥电桥电路布局2402包括输入偏置电压导体(ep、en)并在近侧和远侧拉伸电阻器rt
p
、rtd之间输出电压节点(vo)。图14b是第一半桥电路布局2402的说明性第一示意电路图2404表示。参考图14a-14b，近侧拉伸电阻器rt
p
电耦合在正的第一dc电位(ep)和输出电压节点vo之间。远侧拉伸电阻器rtd电耦合在负的第二dc电位(en)和输出电压节点vo之间。在示例力传感器2302中，第一、第二、第三和第四半桥中的每一个具有在图14a-14b中表示的布局2402和电路示意图2404。
[0143]
图15a是示出了第二示例半桥电路布局2502的示例梁的说明性侧视图，电路布局2502具有串联电耦合的近侧和远侧压缩量规应变电阻器rc
p
、rcd并且具有耦合在它们之间的电压节点。第二示例半桥电桥电路布局2502包括输入偏置电压导体(ep、en)并在近侧和远侧压缩电阻器rc
p
、rcd之间输出电压节点(vo)。图15b是第二半桥电路布局2502的说明性第二示意电路图2504表示。参考图15a-15b，近侧压缩电阻器rc
p
电耦合在正的第一dc电位(ep)和输出电压节点vo之间。远侧压缩电阻器rcd电耦合在负的第二dc电位(en)和输出电压节点vo之间。在另一示例力传感器2302中，第一、第二、第三和第四半桥中的每一个具有在图15a-15b中表示的布局2502和电路示意图2504。
[0144]
如图14a-14b和图15a-15b所示，示例力传感器2302的每个半桥包括一对具有匹配类型的应变量规电阻器，该匹配类型可以是拉伸型(图14a-14b)或压缩型(图15a-15b)。如本文所用，提及具有“匹配类型”的一组电阻器是指所有电阻器都是拉伸电阻器或所有电阻器都是压缩电阻器的一组电阻器。尽管拉伸或压缩量规电阻器都可用于确定x方向和y方向的力，但一般来说，拉伸应变量规电阻器比压缩量规电阻器更敏感。
[0145]
再次参考图13a-13b，如下面更充分解释的，在第一对电阻器r
p1
、r
d1
之间的第一电压节点处的第一半桥电压与在第二对电阻器r
p2
、r
d2
之间的第二电压节点处的第二半桥电压之间的电压偏移可用于测量施加到梁2304的x方向力。另外，在第三对电阻器r
p3
、r
d3
之间的第三电压节点处的第三半桥电压与在第四对电阻器r
p4
、r
d4
之间的第四电压节点处的第四半桥电压之间的电压偏移可用于测量施加到梁2304的x方向力。因此，第一、第二、第三和第四半桥一起提供了梁上x方向力的冗余度量。
[0146]
此外，如下文更全面地解释的，在第一对电阻器r
p1
、r
d1
之间的第一电压节点处的
第一半桥电压与第四对电阻器r
p4
、r
d4
之间的第四电压节点处的第四半桥电压之间的电压偏移可用于测量施加到梁2304的y方向力。另外，在第二对电阻器r
p2
、r
d2
之间的第二电压节点处的第二半桥电压与第三对电阻器r
p3
、r
d3
之间的第三电压节点处的第三半桥电压之间的偏移可用于测量施加到梁2304的y方向力。
[0147]
因此，第一、第二、第三和第四半桥一起可以提供梁2304上的x方向力的冗余度量并且可以提供梁2304上的y方向力的冗余度量。电阻r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
中的任何一个的故障都会导致一方面使用第一和第二半桥确定的x方向力测量值和另一方面使用第三和第四半桥确定的x方向力测量值的差异。类似地，电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
中的任何一个的故障导致一方面使用第一和第四半桥确定的y方向力测量值和另一方面使用第二和第三半桥确定的y方向力测量值的差异。
[0148]
仍然参考图13a，第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
布置在第一假想平面p1内的梁2304的第一侧308上，中心轴线306在该平面p1中延伸，并且平面p1在梁2304的第一侧308上、第一平面p1沿其与第一侧308相交的位置处限定第一横向侧轴线2312。第一横向侧轴线2312和中心轴线306彼此平行地延伸。示例第一横向侧轴线2312延伸穿过第一近侧电阻器r
p1
并穿过第一远侧电阻器r
d1
。更具体地，在示例力传感器中，示例第一横向侧轴线2312平分示例第一近侧电阻器r
p1
并且平分示例第一远侧电阻器r
d1
。
[0149]
参考图13a，第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
被布置在第二假想平面p2内的梁的第一侧308上，中心轴线306在该平面p2中延伸，并且面p2在梁2304的第一侧308上、第二平面p2沿其与第一侧相交的位置处限定了第二横向侧轴线2314。第二横向轴线2314和中心轴线306彼此平行地延伸。示例第二横向侧轴线2314延伸穿过第二近侧电阻器r
p2
并穿过第二远侧电阻器r
d2
。更具体地，在示例力传感器中，示例第二横向侧轴线2314平分示例第二近侧电阻器r
p2
并且平分示例第二远侧电阻器r
d2
。
[0150]
参考图13b，第三近侧电阻器r
p3
和第三远侧电阻器r
d3
布置在第一假想平面p1内的梁2304的相反第二侧2310上，中心轴线306在该平面p1中延伸，并且平面p1在梁2304的第二侧2310上、第一平面p1沿其与第二侧2310相交的位置处限定了第三横向侧轴线2316。示例第三横向侧轴线2316延伸穿过第三近侧电阻器r
p3
并穿过第三远侧电阻器r
d3
。更具体地，在示例力传感器中，示例第三侧轴线2316平分示例第三近侧电阻器r
p3
并且平分示例第三远侧电阻器r
d3
。
[0151]
参考图13b，第四近侧电阻器r
p4
和第四远侧电阻器r
d4
布置在第二假想平面p2内的梁2304的相反第二侧2310上，中心轴线306在该平面p2中延伸，并且平面p2在梁2304的第二侧2310上、第二平面p2沿其与梁2304的第二侧2310相交的位置处限定了第四横向侧轴线2318，并且平面p2包括中心轴线306。示例第四横向侧轴线2318延伸穿过第四近侧电阻器r
p4
并穿过第四远侧电阻器r
d4
。更具体地，在示例力传感器中，示例第四横向侧轴线平分示例第四近侧电阻器r
p4
并且平分示例第一远侧电阻器r
d4
。
[0152]
图16是图13a-13b的示例梁2304的说明性近侧方向横截面视图，该图示出了第一和第二假想平面p1、p2。图17a是梁2304的侧视图，该图示出了图13a-13b的梁的第一侧308，其包括耦合在第一半桥hb1中的第一(r
p1
)和第二(r
d1
)和第二电阻器并且包括耦合在第二半桥hb2中的第三(r
p2
)和第四(r
d2
)电阻器。图17b是梁2304的侧视图，该图示出了图13a-13b的梁的相反第二侧308，其包括第二桥，第二桥包括耦合在第三半桥hb3中的第五(r
p3
)和
第六(r
d3
)电阻器，以及包括耦合在第四半桥hb4中的第七(r
p4
)和第八(r
d4
)电阻器。
[0153]
电阻器可以手动或使用自动机械放置在梁2304上，并且可以使用粘合剂诸如环氧树脂将电阻器粘附到梁上。可替代地，可以将电阻器直接沉积并激光蚀刻到梁2304上。在这两种情况下，都可以使用引线键合和柔性印刷电路在外部完成电路。
[0154]
参考图16，梁2304的近侧方向端视图示出了沿中心轴线306彼此相交的第一平面p1和第二平面p2的侧视图，中心轴线306在第一和第二平面内延伸。第一平面p1延伸穿过第一和第三半桥hb1、hb3并穿过中心轴线306。第二平面p1延伸穿过第二和第四半桥hb2、hb4并穿过中心轴线306。延伸穿过相应的第一和第二半桥hb1、hb2的第一平面p1和第二平面p2的部分以第一分离角a1相交于中心轴线306。延伸穿过相应的第三和第四半桥hb3、hb4的第一平面p1和第二平面p2的部分也以第一分离角a1相交于中心轴线306。
[0155]
参考图17a，第一平面p1被示为延伸穿过第一半桥hb1，该第一半桥hb1包括沿第一横向侧轴线2312布置在梁2304的第一侧308上的第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
，并且第二平面p2被示为延伸穿过第二半桥hb2，该第二半桥hb2包括沿第二横向侧轴线2314布置在梁2304的第一侧308上的第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
。第一分离角a1的大小对应于第一侧308处第一和第二横向侧轴线2312、2314之间的横向间隔距离，因此，对应于包括第一近侧和远侧电阻器r
p1
、r
d1
的第一半桥hb1和包括第二近侧和远侧电阻器r
p2
、r
d2
的第二电阻器对之间的横向间隔。在示例力传感器2302中，第一横向侧轴线2312和第二横向侧轴线2314与梁2304的第一侧的中性轴线等距，该中性轴线与梁2304的第一侧308的第一和第二横向侧边缘2312、2314等距。
[0156]
参考图17b，第一平面p1被示为延伸穿过第三半桥hb3，该第三半桥hb3包括第三近侧电阻器r
p3
和第三远侧电阻器r
d3
，它们沿第三横向侧轴线2316布置在梁2304的第二侧2310上，并且第二平面p2被示为延伸穿过第四半桥hb4，该第四半桥hb4包括第四近侧电阻器r
p4
和第四远侧电阻器r
d4
，它们沿第四横向侧轴线2318布置在梁2304的第二侧2310上。第一分离角a1的大小对应于梁2304的第二侧2310处第三和第四横向侧轴线2316-2318之间的横向间隔距离，并因此，对应于包括包含rp3、rd3的第三电阻器对的第三半桥hb3和包括包含r
p4
、r
d4
的第四电阻器对的第四半桥hb4之间的横向间隔。在示例力传感器中，第三横向侧轴线2316和第四横向侧轴线2318与梁2304的第二侧2310的中性轴线等距，该中性轴线与梁2304的第二侧2310的第三和第四横向侧边缘2316、2318等距。
[0157]
半桥hb1-hb4关于梁2304对称地横向定位。第一半桥和第二半桥之间的分离角a1与第三半桥hb3和第四半桥hb4之间的第一分离角a1相匹配。此外，在示例力传感器2302中，第一横向侧轴线2312和第二横向侧轴线2314之间的间隔匹配第三横向侧轴线2316和第四横向侧轴线2318之间的间隔，尽管不需要等距间隔。半桥hb1-hb4沿梁2304纵向对称地定位。近侧电阻器r
p1-r
p4
定位在梁的匹配纵向位置处。在示例力传感器中，远侧电阻器r
d1-r
d4
定位在梁的匹配纵向位置处。
[0158]
图18a是图13a-13b的示例梁2304的说明性近侧方向横截面视图，该图指示由施加在梁2304上的力f施加到相应的第二和第三半桥hb2、hb3的第二平面应变力fp2和第三平面应变力fp3。在图18a的示例梁中，第二和第三半桥hb2、hb3仅包含拉伸电阻器。图18b是指示响应于施加的力f而施加到第二半桥hb2的第二平面应变力fp2的x力分量和y力分量的说明性力图，该半桥hb2包括第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
。图18c是指示响应于施加
的力而施加到第三半桥hb3的第三平面应变力fp3的正交x力分量和y力分量的说明性力图，该半桥hb3包括第三近侧电阻器r
p3
和第三远侧电阻器r
d3
。
[0159]
在示例力传感器2302中，第二半桥hb2的第二对电阻器r
p2
、r
d2
的电阻值与第三半桥hb3的第三对电阻器r
p3
、r
d3
的电阻值匹配。在示例力传感器2302中，第二和第三半桥hb2、hb3定位在示例梁2304上，使得施加到示例梁2304的施加力将第二平面应变力fp2施加到第二平面p2内的第二半桥hb2，并将第三平面应变力fp3施加到第三平面p3内的第三半桥hb3。应当理解，第二平面应变力fp2是离轴力，因为它是沿第二横向侧轴线2314施加的力。同样，应当理解，第三平面应变力fp3是离轴力，因为它是沿第三横向侧轴线2316施加的力。在示例力传感器2302中，第二和第三半桥hb2、hb3定位在示例梁2304上，使得第二平面应变力fp2的分量的大小匹配第三平面应变力fp3的分量的大小。
[0160]
使用相同类型的应变量规电阻器的一个优点在于垂直于梁2304的中心轴线306施加的力的大小可以基于施加到位于梁上的全桥的不同半桥的离轴力大小的差异来确定。在示例力传感器2302中，由施加的力f施加到梁2304的y方向力分量fy的大小可以基于第一离轴力fp2和第二离轴力fp3之间的差值如下确定。
[0161]
设a为p2和p3之间的角度。
[0162]
设x轴线平分角度a。因此，p2与x之间的角度为a/2，而p3与x之间的角度为a/2。
[0163]
设θ为x轴线与施加的力f之间的角度。
[0164]
沿x轴线的力f
x
＝fcosθ
[0165]
沿y轴线的力fy＝fsinθ
[0166]
参考图18b，沿p2的力＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)＝fp2
[0167]
参考图18c，沿p3的力＝f
x
cosa/2+fycos(90-a/2)＝fp3
[0168]
fp2＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0169]
fp3＝f
x
cosa/2+fycos(90-a/2)
[0170]
使用cos(θ)＝-cos(180-θ)
[0171]
我们得到
[0172]
fp3＝f
x
cosa/2-fycos(90+a/2)
[0173]
当我们使fp1和fp2相减时
[0174]
我们得到fp2
–
fp3＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0175]-f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0176]
因此，fp2
–
fp2＝2fycos(90+a/2)
[0177]
因此，fp2
–
fp3
∝fy
[0178]
因此，fp2和fp3之间的差值与施加的力f对梁施加的y方向力分量fy成正比。
[0179]
此外，应当理解的是，
[0180]fy
＝fp2-fp2
[0181]fy
αv
o2
–vo3
[0182]
其中v
o2
是hb2的输出电压，v
o3
是hb3的输出电压。
[0183]
图19是图13a-13b的示例梁的说明性近侧方向横截面视图，该图指示通过施加在梁2304上的力f施加到相应第一和第四半桥hb1、hb4的第一平面应变力fp1和第四平面应变力fp4。在图19的示例梁中，第一和第四半桥hb1、hb4仅包含拉伸电阻电阻器。在示例力传感
器2302中，第一半桥hb1的第一对电阻器r
p1
、r
d1
的电阻值与第四半桥hb4的第四对电阻器r
p4
、r
d4
的电阻值匹配。在示例力传感器2302中，第一和第四半桥hb1、hb4定位在示例梁2304上，使得施加到示例梁2304的施加力f将第一平面应变力fp1施加到第一平面p1内的第一半桥hb1并且将第四平面应变力fp4施加到第二平面p4内的第四半桥hb4。在示例力传感器2302中，第一和第四半桥hb1、hb4定位在示例梁2304上，使得第一平面应变力fp1的分量大小与第四平面应变力fp4的分量的大小匹配。
[0184]
在该示例中，fp1和fp4之间的差值与由施加的力f施加到梁的y方向的力分量fy成正比。本领域技术人员将理解用于确定fp1和fp4之间的差值的过程基于以上确定fp2和fp3之间的差值的说明。
[0185]
此外，应当理解的是，
[0186]fy
＝fp1
–
fp4
[0187]fy
αv
o1
–vo4
[0188]
其中v
o1
是hb1的输出电压，v
o4
是hb4的输出电压。
[0189]
图20是图13a-13b的示例梁2304的说明性近侧方向横截面视图，该图指示由施加在梁2304上的力施加到相应第一和第二半桥hb1、hb2的第一平面应变力fp1和第二平面应变力fp2。在示例力传感器2302中，第一半桥hb1的第一对电阻器r
p1
、r
d1
的电阻值与第二半桥hb2的第二对电阻器r
p2
、r
d2
的电阻值匹配。在示例力传感器2302中，第一和第二半桥hb1、hb2定位在示例梁2304上，使得施加到示例梁2304的施加力将第一平面应变力fp1施加到第一平面p1内的第一半桥hb1并且将第二平面应变力fp2施加到第二平面p2内的第二半桥hb2。应当理解，第一平面应变力fp1是离轴力，因为它是沿第一横向侧轴线2312施加的力。同样，应当理解，第二平面应变力fp2是离轴力，因为它是沿第二横向侧轴线2314施加的力。第一和第二半桥hb1、hb2定位在示例梁2304上，使得第一平面应变力fp1
x
的大小与第二平面应变力fp2的大小匹配。第一平面应变力fp1
x
的力方向和第一平面p1彼此分开第一分离角a1。
[0190]
在该示例中，fp1和fp2之间的差值与由施加的力f施加到梁的x方向力分量fx成正比。本领域的技术人员将理解用于确定fp1和fp2之间的差值的过程基于以上确定fp2和fp3之间的差值的说明。
[0191]
此外，应当理解的是，
[0192]fx
＝fp1-fp2
[0193]fx
αv
o1
–vo2
[0194]
其中v
o1
是hb1的输出电压，而v
o2
是hb2的输出电压。图21是图13a-13b的示例梁2304的说明性近侧方向横截面视图，该图指示了由施加在梁上的力f
x
施加到相应第三和第四半桥hb3、hb4的第三平面应变力fp3和第四平面应变力fp4的。在示例力传感器2302中，第三半桥hb3的第三对电阻器r
p3
、r
d3
的电阻值与第四半桥hb4的第四对电阻器r
p4
、r
d4
的电阻值匹配。在示例力传感器2302中，第三和第四半桥hb3、hb4定位在示例梁2304上，使得施加到示例梁2304的施加力将第三平面应变力fp3施加到第三平面p3内的第三半桥hb3，并且将第四平面应变力fp4施加到第四平面p4内的第四半桥hb4。应当理解，第三平面应变力fp3是离轴力，因为它是沿第三横向侧轴线2316施加的力。同样，应当理解，第四平面应变力fp4是离轴力，因为它是沿第四横向侧轴线2318施加的力。在示例力传感器2302中，第三和第四半桥
hb3、hb4定位在示例梁2304上，使得图21的大小是图13a-13b的示例梁2304的指示了由施加在梁上的力f
x
施加到相应第三和第四半桥hb3、hb4的第三平面应变力fp3和第四平面应变力fp4的说明性近侧方向横截面视图。
[0195]
在该示例中，fp3和fp4之间的差值与由施加的力f施加到梁的x方向力分量f
x
成正比。本领域技术人员将理解用于确定fp3和fp4之间差值的过程基于以上确定fp2和fp3之间的差值的说明。
[0196]
此外，应当理解的是，
[0197]fx
＝fp3
–
fp4
[0198]fx
αv
o3
–vo4
[0199]
其中v
o3
是hb3的输出电压，而v
o4
是hb4的输出电压。
[0200]
因此，假设所有电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
正常工作，
[0201]fx
αv
o1
–vo2
＝v
o3
–vo4
和fyαv
o1
–vo4
＝v
o2
–vo3
[0202]
此外，应当理解，f
x
和fy可以更一般地基于下表1中列出的三个半桥(hb)的以下四种组合中的每一种来确定。
[0203]
表1
[0204]
hb组合编号适合确定f
x
和fy的hb组合1hb1、hb2、hb32hb1、hb2、hb43hb3、hb4、hb24hb4、hb3、hb1
[0205]
因此，上表1中的半桥组合可用于对f
x
和fy进行冗余确定。基于上述半桥组合确定的f
x
和fy值的比较可用于确定力传感器2304是否包含故障电阻器。如果即使是单个电阻器发生故障，那么所有四种组合都会产生不同的fx和fy值，从而指示故障。由于所有四个hb在发生故障时都会产生不同的结果，因此无法确定发生故障的电阻器。向梁添加一个或多个额外的半桥可用于实现容错设计，因为可以使用三个桥的五个或更多组合的比较来确定哪个半桥有缺陷，因此来自有缺陷的半桥的测量值可以忽略不计。
[0206]
冗余单侧xy力传感器
[0207]
示例单侧xy力传感器包括梁，该梁包括位于其单侧上的四个半桥。两个半桥是压缩型中的一种，以及两个半桥是拉伸型。由于压缩和拉伸应变量规电阻器测量响应于施加到梁的力而经历相反方向的应变，因此通过位于梁同一侧的三个半桥的组合的测量值可用于测量x方向力和y方向力，其中，三个半桥中的一个比其他两个具有不同的应变量规电阻器类型。示例单侧xy力传感器可以执行冗余xy测量，其中该示例单侧xy力传感器包括四个半桥，其中两个是压缩型，两个是拉伸型。
[0208]
在第一侧和相反侧具有四个半桥和所有相同类型量规的传感器中，减去相邻两个半桥的半桥电压提供了在平行于具有两个半桥的所有量规的平面的轴线上的力测量值。有四种方法可以提供fx和fy的两种测量值。
[0209]
图13a-13b示出了示例力传感器2302的说明性第一侧透视图(图13a)和第二侧透视图(图13b)，该力传感器包括矩形梁2304，其中两个四应变量规电阻器r
p1-r
p4
、r
d1-r
d4
耦合在位于梁的两个相反侧中的每一个上的两个半惠斯通电桥电路(“半桥”)中。图13b中所示
的梁2304的第二侧308朝向与图13a中所示的梁2304的第一侧308所面对的方向相反的方向。提供(x，y，z)梁坐标系2305来解释相对于梁2304的力方向。示例梁2304可以具有带有平坦侧面的矩形横截面。更具体地，示例梁可以具有正方形横截面。梁2304包括近侧梁部分2304p和远侧梁部分2304d并且包括在近侧梁部分2304p和远侧梁部分2304d之间延伸的纵向中心轴线306。
[0210]
参考图13a，第一近侧应变量规电阻器(“电阻器”)r
p1
和第二近侧电阻器r
p2
位于梁2304的第一侧308的近侧梁部分2304p处。第一远侧电阻器r
d1
和第二远侧电阻器r
d2
位于梁2304的第一侧308的远侧梁部分2304d处。如以下参考图14a-4b、15a-15b所解释的，第一对电阻器r
p1-r
d1
串联电耦合并布置在第一半桥中，而第二对电阻器r
p2-r
d2
串联电耦合并布置在第二半桥中。
[0211]
参考图13b，第三近侧电阻器r
p3
和第四近侧电阻器r
p4
位于梁2304的在相反方向上面对由梁2304的第一侧308所面对的方向的第二侧2310(也称为“相反”侧)的近侧梁部分2304p处。第三远侧电阻器r
d3
和第四远侧电阻器r
d4
位于梁2304的相反第二侧2310的远侧梁部分2304d处。如以下参考图14a-14b、15a-15b所解释的，第三对电阻器r
p3-r
d3
串联电耦合并布置在第三半桥中，第四对电阻器r
p4-r
d4
串联电耦合并布置在布置在第四半桥中的第四半桥中。
[0212]
图14a是示例梁的说明性侧视图，该示例梁包括第一示例半桥电路布局2402，该电路布局2402具有串联电耦合的近侧和远侧拉伸量规应变电阻器rt
p
、rtd并且具有耦合在它们之间的电压节点。第一个示例半桥电桥电路布局2402包括输入偏置电压导体(ep、en)并在近侧和远侧拉伸电阻器rt
p
、rtd之间输出电压节点(vo)。图14b是第一半桥电路布局2402的说明性第一示意电路图2404表示。参考图14a-14b，近侧拉伸电阻器rt
p
电耦合在正的第一dc电位(ep)和输出电压节点vo之间。远侧拉伸电阻器rtd电耦合在负的第二dc电位(en)和输出电压节点vo之间。在示例力传感器2302中，第一、第二、第三和第四半桥中的每一个具有在图14a-14b中表示的布局2402和电路示意图2404。
[0213]
图15a是示出了第二示例半桥电路布局2502的示例梁的说明性侧视图，电路布局2502具有串联电耦合的近侧和远侧压缩量规应变电阻器rc
p
、rcd并且具有耦合在它们之间的电压节点。第二示例半桥电桥电路布局2502包括输入偏置电压导体(ep、en)并在近侧和远侧压缩电阻器rc
p
、rcd之间输出电压节点(vo)。图15b是第二半桥电路布局2502的说明性第二示意电路图2504表示。参考图15a-15b，近侧压缩电阻器rc
p
电耦合在正的第一dc电位(ep)和输出电压节点vo之间。远侧压缩电阻器rcd电耦合在负的第二dc电位(en)和输出电压节点vo之间。在另一示例力传感器2302中，第一、第二、第三和第四半桥中的每一个具有在图15a-15b中表示的布局2502和电路示意图2504。
[0214]
如图14a-14b和图15a-15b所示，示例力传感器2302的每个半桥包括一对具有匹配类型的应变量规电阻器，该匹配类型可以是拉伸型(图14a-14b)或压缩型(图15a-15b)。如本文所用，提及具有“匹配类型”的一组电阻器是指所有电阻器都是拉伸电阻器或所有电阻器都是压缩电阻器的一组电阻器。尽管拉伸或压缩量规电阻器都可用于确定x方向和y方向的力，但一般来说，拉伸应变量规电阻器比压缩量规电阻器更敏感。
[0215]
再次参考图13a-13b，如下面更充分解释的，在第一对电阻器r
p1
、r
d1
之间的第一电压节点处的第一半桥电压与在第二对电阻器r
p2
、r
d2
之间的第二电压节点处的第二半桥电
压之间的电压偏移可用于测量施加到梁2304的x方向力。另外，在第三对电阻器r
p3
、r
d3
之间的第三电压节点处的第三半桥电压与在第四对电阻器r
p4
、r
d4
之间的第四电压节点处的第四半桥电压之间的电压偏移可用于测量施加到梁2304的x方向力。因此，第一、第二、第三和第四半桥一起提供了梁上x方向力的冗余度量。
[0216]
此外，如下文更全面地解释的，在第一对电阻器r
p1
、r
d1
之间的第一电压节点处的第一半桥电压与第四对电阻器r
p4
、r
d4
之间的第四电压节点处的第四半桥电压之间的电压偏移可用于测量施加到梁2304的y方向力。另外，在第二对电阻器r
p2
、r
d2
之间的第二电压节点处的第二半桥电压与第三对电阻器r
p3
、r
d3
之间的第三电压节点处的第三半桥电压之间的偏移可用于测量施加到梁2304的y方向力。
[0217]
因此，第一、第二、第三和第四半桥一起能够提供梁2304上的x方向力的冗余度量并且能够提供梁2304上的y方向力的冗余度量。电阻r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
中的任何一个的故障都会导致一方面使用第一和第二半桥确定的x方向力测量值和另一方面使用第三和第四半桥确定的x方向力测量值的差异。类似地，电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
中的任何一个的故障导致一方面使用第一和第四半桥确定的y方向力测量值和另一方面使用第二和第三半桥确定的y方向力测量值的差异。
[0218]
仍然参考图13a，第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
布置在第一假想平面p1内的梁2304的第一侧308上，中心轴线306在该平面p1中延伸，并且平面p1在梁2304的第一侧308上、第一平面p1沿其与第一侧308相交的位置处限定第一横向侧轴线2312。第一横向侧轴线2312和中心轴线306彼此平行地延伸。示例第一横向侧轴线2312延伸穿过第一近侧电阻器r
p1
并穿过第一远侧电阻器r
d1
。更具体地，在示例力传感器中，示例第一横向侧轴线2312平分示例第一近侧电阻器r
p1
并且平分示例第一远侧电阻器r
d1
。
[0219]
参考图13a，第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
被布置在第二假想平面p2内的梁的第一侧308上，中心轴线306在该平面p2中延伸，并且平面p2在梁2304的第一侧308上、第二平面p2沿其与第一侧相交的位置处限定了第二横向侧轴线2314。第二横向轴线2314和中心轴线306彼此平行地延伸。示例第二横向侧轴线2314延伸穿过第二近侧电阻器r
p2
并穿过第二远侧电阻器r
d2
。更具体地，在示例力传感器中，示例第二横向侧轴线2314平分示例第二近侧电阻器r
p2
并且平分示例第二远侧电阻器r
d2
。
[0220]
参考图13b，第三近侧电阻器rp3和第三远侧电阻器r
d3
布置在第一假想平面p1内的梁2304的相反第二侧2310上，中心轴线306在该平面p1中延伸，并且平面p1在梁2304的第二侧2310上、第一平面p1沿其与第二侧2310相交的位置处限定了第三横向侧轴线2316。示例第三横向侧轴线2316延伸穿过第三近侧电阻器r
p3
并穿过第三远侧电阻器r
d3
。更具体地，在示例力传感器中，示例第三侧轴线2316平分示例第三近侧电阻器r
p3
并且平分示例第三远侧电阻器r
d3
。
[0221]
参考图13b，第四近侧电阻器r
p4
和第四远侧电阻器r
d4
布置在第二假想平面p2内的梁2304的相反第二侧2310上，中心轴线306在该平面p2中延伸，并且平面p2在梁2304的第二侧2310上、第二平面p2沿其与梁2304的第二侧2310相交的位置处限定了第四横向侧轴线2318，并且平面p2包括中心轴线306。示例第四横向侧轴线2318延伸穿过第四近侧电阻器r
p4
并穿过第四远侧电阻器r
d4
。更具体地，在示例力传感器中，示例第四横向侧轴线平分示例第四近侧电阻器r
p4
并且平分示例第一远侧电阻器r
d4
。
[0222]
图16是图13a-13b的示例梁2304的说明性近侧方向横截面视图，该图示出了第一和第二假想平面p1、p2。图17a是梁2304的侧视图，该图示出了图13a-13b的梁的第一侧308，其包括耦合在第一半桥hb1中的第一电阻器(r
p1
)和第二电阻器(r
d1
)并且包括耦合在第二半桥hb2中的第三电阻器(r
p2
)和第四电阻器(r
d2
)。图17b是梁2304的侧视图，该图示出了图13a-13b的梁的相反第二侧308，其包括第二桥，第二桥包括耦合在第三半桥hb3中的第五电阻器(r
p3
)和第六电阻器(r
d3
)，以及包括耦合在第四半桥hb4中的第七电阻器(r
p4
)和第八电阻器(r
d4
)。
[0223]
电阻器可以手动或使用自动机械放置在梁2304上，并且可以使用粘合剂诸如环氧树脂将电阻器粘附到梁上。可替代地，可以将电阻器直接沉积并激光蚀刻到梁2304上。在这两种情况下，都可以使用引线键合和柔性印刷电路在外部完成电路。
[0224]
参考图16，梁2304的近侧方向端视图示出了沿中心轴线306彼此相交的第一平面p1和第二平面p2的侧视图，中心轴线306在第一和第二平面内延伸。第一平面p1延伸穿过第一和第三半桥hb1、hb3并穿过中心轴线306。第二平面p1延伸穿过第二和第四半桥hb2、hb4并穿过中心轴线306。延伸穿过相应的第一和第二半桥hb1、hb2的第一平面p1和第二平面p2的部分以第一分离角a1相交于中心轴线306。延伸穿过相应的第三和第四半桥hb3、hb4的第一平面p1和第二平面p2的部分也以第一分离角相交与中心轴线306。
[0225]
参考图17a，第一平面p1被示为延伸穿过第一半桥hb1，该第一半桥hb1包括沿第一横向侧轴线2312布置在梁2304的第一侧308上的第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
，并且第二平面p2被示为延伸穿过第二半桥hb2，该第二半桥hb2包括沿第二横向侧轴线2314布置在梁2304的第一侧308上的第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
。第一分离角a1的大小对应于第一侧308处第一和第二横向侧轴线2312、2314之间的横向间隔距离，因此，对应于包括第一近侧和远侧电阻器r
p1
、r
d1
的第一半桥hb1和包括第二近侧和远侧电阻器r
p2
、r
d2
的第二电阻器对之间的横向间隔。在示例力传感器2302中，第一横向侧轴线2312和第二横向侧轴线2314与梁2304的第一侧的中性轴线等距，该中性轴线与梁2304的第一侧308的第一和第二横向侧边缘2312、2314等距。
[0226]
参考图17b，第一平面p1被示为延伸穿过第三半桥hb3，该第三半桥hb3包括沿第三横向侧轴线2316布置在梁2304的第二侧2310上的第三近侧电阻器r
p3
和第三远侧电阻器r
d3
，并且第二平面p2被示为延伸穿过第四半桥hb4，该第四半桥hb4包括沿第四横向侧轴线2318布置在梁2304的第二侧2310上的第四近侧电阻器r
p4
和第四远侧电阻器r
d4
。第一分离角a1的大小对应于梁2304的第二侧2310处第三和第四横向侧轴线2316-2318之间的横向间隔距离，并因此，对应于包括包含r
p3
、r
d3
的第三电阻器对的第三半桥hb3和包括包含r
p4
、r
d4
的第四电阻器对的第四半桥hb4之间的横向间隔。在示例力传感器中，第三横向侧轴线2316和第四横向侧轴线2318与梁2304的第二侧2310的中性轴线等距，该中性轴线与梁2304的第二侧2310的第三和第四横向侧边缘2316、2318等距。
[0227]
半桥hb1-hb4关于梁2304对称地横向定位。第一和第二半桥之间的分离角a1与第三和第四半桥hb3-hb4之间的第一分离角a1相匹配。此外，在示例力传感器2302中，第一横向侧轴线2312和第二横向侧轴线2314之间的间隔匹配第三横向侧轴线2316和第四横向侧轴线2318之间的间隔，尽管不需要等距间隔。半桥hb1-hb4沿梁2304纵向对称地定位。近侧电阻器r
p1-r
p4
定位在梁的匹配纵向位置处。在示例力传感器中，远侧电阻器r
d1-r
d4
定位在梁
的匹配纵向位置处。
[0228]
图18a是图13a-13b的示例梁2304的说明性近侧方向横截面视图，该图指示由施加在梁2304上的力f施加到相应的第二和第三半桥hb2、hb3的第二平面应变力fp2和第三平面应变力fp3。在图18a的示例梁中，第二和第三半桥hb2、hb3仅包含拉伸电阻器。图18b是指示响应于施加的力f而施加到第二半桥hb2的第二平面应变力fp2的x力分量和y力分量的说明性力图，该半桥hb2包括第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
。图18c是指示响应于施加的力而施加到第三半桥hb3的第三平面应变力fp3的正交x力分量和y力分量的说明性力图，该半桥hb3包括第三近侧电阻器r
p3
和第三远侧电阻器r
d3
。
[0229]
在示例力传感器2302中，第二半桥hb2的第二对电阻器r
p2
、r
d2
的电阻值与第三半桥hb3的第三对电阻器r
p3
、r
d3
的电阻值匹配。在示例力传感器2302中，第二和第三半桥hb2、hb3定位在示例梁2304上，使得施加到示例梁2304的施加力将第二平面应变力fp2施加到第二平面p2内的第二半桥hb2，并将第三平面应变力fp3施加到第三平面p3内的第三半桥hb3。应当理解，第二平面应变力fp2是离轴力，因为它是沿第二横向侧轴线2314施加的力。同样，应当理解，第三平面应变力fp3是离轴力，因为它是沿第三横向侧轴线2316施加的力。在示例力传感器2302中，第二和第三半桥hb2、hb3定位在示例梁2304上，使得第二平面应变力fp2的分量的大小匹配第三平面应变力fp3的分量的大小。
[0230]
使用相同类型的应变量规电阻器的一个优点在于垂直于梁2304的中心轴线306施加的力的大小可以基于施加到位于梁上的全桥的不同半桥的离轴力大小的差异来确定。在示例力传感器2302中，由施加的力f施加到梁2304的y方向力分量fy的大小可以基于第一离轴力fp2和第二离轴力fp3之间的差值如下确定。
[0231]
设a为p2和p3之间的角度。
[0232]
设x轴线平分角a度。因此，p2与x之间的角度为a/2，而p3与x之间的角度为a/2。
[0233]
设θ为x轴线与施加的力f之间的角度。
[0234]
沿x轴线的力f
x
＝fcosθ
[0235]
沿y轴线的力fy＝fsinθ
[0236]
参考图18b，沿p2的力＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)＝fp2
[0237]
参考图18c，沿p3的力＝f
x
cosa/2+fycos(90-a/2)＝fp3
[0238]
fp2＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0239]
fp3＝f
x
cosa/2+fycos(90-a/2)
[0240]
使用cos(θ)＝-cos(180-θ)
[0241]
我们得到
[0242]
fp3＝f
x
cosa/2-fycos(90+a/2)
[0243]
当我们使fp1和fp2相减时
[0244]
我们得到fp2
–
fp3＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0245]-f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0246]
因此，fp2
–
fp2＝2fycos(90+a/2)
[0247]
因此，fp2
–
fp3
∝fy
[0248]
因此，fp2和fp3之间的差值与施加的力f对梁施加的y方向力分量fy成正比。
[0249]
此外，应当理解的是，
[0250]fy
＝fp2-fp2
[0251]fy
αv
o2
–vo3
[0252]
其中v
o2
是hb2的输出电压，v
o3
是hb3的输出电压。
[0253]
图19是图13a-13b的示例梁的说明性近侧方向横截面视图，该图指示通过施加在梁2304上的力f施加到相应第一和第四半桥hb1、hb4的第一平面应变力fp1和第四平面应变力fp4。在图19的示例梁中，第一和第四半桥hb1、hb4仅包含拉伸电阻电阻器。在示例力传感器2302中，第一半桥hb1的第一对电阻器r
p1
、r
d1
的电阻值与第四半桥hb4的第四对电阻器r
p4
、r
d4
的电阻值匹配。在示例力传感器2302中，第一和第四半桥hb1、hb4定位在示例梁2304上，使得施加到示例梁2304的施加力f将第一平面应变力fp1施加到第一平面p1内的第一半桥hb1并且将第四平面应变力fp4施加到第二平面p4内的第四半桥hb4。在示例力传感器2302中，第一和第四半桥hb1、hb4定位在示例梁2304上，使得第一平面应变力fp1的分量大小与第四平面应变力fp4的分量的大小匹配。
[0254]
在该示例中，fp1和fp4之间的差值与由施加的力f施加到梁的y方向的力分量fy成正比。本领域技术人员将理解用于确定fp1和fp4之间的差值的过程基于以上确定fp2和fp3之间的差值的说明。
[0255]
此外，应当理解的是，
[0256]fy
＝fp1
–
fp4
[0257]fy
αv
o1
–vo4
[0258]
其中v
o1
是hb1的输出电压，v
o4
是hb4的输出电压。
[0259]
图20是图13a-13b的示例梁2304的说明性近侧方向横截面视图，该图指示由施加在梁2304上的力施加到相应第一和第二半桥hb1、hb2的第一平面应变力fp1和第二平面应变力fp2。在示例力传感器2302中，第一半桥hb1的第一对电阻器r
p1
、r
d1
的电阻值与第二半桥hb2的第二对电阻器r
p2
、r
d2
的电阻值匹配。在示例力传感器2302中，第一和第二半桥hb1、hb2定位在示例梁2304上，使得施加到示例梁2304的施加力将第一平面应变力fp1施加到第一平面p1内的第一半桥hb1并且将第二平面应变力fp2施加到第二平面p2内的第二半桥hb2。应当理解，第一平面应变力fp1是离轴力，因为它是沿第一横向侧轴线2312施加的力。同样，应当理解，第二平面应变力fp2是离轴力，因为它是沿第二横向侧轴线2314施加的力。第一和第二半桥hb1、hb2定位在示例梁2304上，使得第一平面应变力fp1
x
的大小与第二平面应变力fp2的大小匹配。第一平面应变力fp1
x
的力方向和第一平面p1彼此分开第一分离角a1。
[0260]
在该示例中，fp1和fp2之间的差值与由施加的力f施加到梁的x方向力分量fx成正比。本领域的技术人员将理解用于确定fp1和fp2之间的差值的过程基于以上确定fp2和fp3之间的差值的说明。
[0261]
此外，应当理解的是，
[0262]fx
＝fp1-fp2
[0263]fx
αv
o1
–vo2
[0264]
其中v
o1
是hb1的输出电压，而v
o2
是hb2的输出电压。图21是图13a-13b的示例梁2304的说明性近侧方向横截面视图，该图指示了由施加在梁上的力f
x
施加到相应第三和第四半桥hb3、hb4的第三平面应变力fp3和第四平面应变力fp4的。在示例力传感器2302中，第
三半桥hb3的第三对电阻器r
p3
、r
d3
的电阻值与第四半桥hb4的第四对电阻器r
p4
、r
d4
的电阻值匹配。在示例力传感器2302中，第三和第四半桥hb3、hb4定位在示例梁2304上，使得施加到示例梁2304的施加力将第三平面应变力fp3施加到第三平面p3内的第三半桥hb3，并且将第四平面应变力fp4施加到第四平面p4内的第四半桥hb4。应当理解，第三平面应变力fp3是离轴力，因为它是沿第三横向侧轴线2316施加的力。同样，应当理解，第四平面应变力fp4是离轴力，因为它是沿第四横向侧轴线2318施加的力。在示例力传感器2302中，第三和第四半桥hb3、hb4定位在示例梁2304上，使得图21的大小是图13a-13b的示例梁2304的指示了由施加在梁上的力f
x
施加到相应第三和第四半桥hb3、hb4的第三平面应变力fp3和第四平面应变力fp4的说明性近侧方向横截面视图。
[0265]
在该示例中，fp3和fp4之间的差值与由施加的力f施加到梁的x方向力分量f
x
成正比。本领域技术人员将理解用于确定fp3和fp4之间差值的过程基于以上确定fp2和fp3之间的差值的说明。
[0266]
此外，应当理解的是，
[0267]fx
＝fp3
–
fp4
[0268]fx
αv
o3
–vo4
[0269]
其中v
o3
是hb3的输出电压，而v
o4
是hb4的输出电压。
[0270]
因此，假设所有电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
正常工作，
[0271]fx
αv
o1
–vo2
＝v
o3
–vo4
和fyαv
o1
–vo4
＝v
o2
–vo3
[0272]
此外，应当理解，f
x
和fy可以更一般地基于下表1中列出的三个半桥(hb)的以下四种组合中的每一种来确定。
[0273]
表1
[0274]
hb组合编号适合确定f
x
和fy的hb组合1hb1、hb2、hb32hb1、hb2、hb43hb3、hb4、hb24hb4、hb3、hb1
[0275]
因此，上表1中的半桥组合可用于对f
x
和fy进行冗余确定。基于上述半桥组合确定的f
x
和fy值的比较可用于确定力传感器2304是否包含故障电阻器。如果即使是单个电阻器发生故障，那么所有四种组合都会产生不同的fx和fy值，从而指示故障。由于所有四个hb在发生故障时都会产生不同的结果，因此无法确定发生故障的电阻器。向梁添加一个或多个额外的半桥可用于实现容错设计，因为可以使用三个桥的五个或更多组合的比较来确定哪个半桥有缺陷，因此来自有缺陷的半桥的测量值可以忽略不计。
[0276]
冗余单侧xy力传感器
[0277]
示例单侧xy力传感器包括梁，该梁包括位于其单侧上的四个半桥。两个半桥是压缩型中的一种，而两个半桥是拉伸型。由于压缩和张力应变量规电阻器测量响应于施加到梁的力而经历相反方向的应变，因此通过位于梁同一侧的三个半桥的组合的测量值可用于测量x方向力和y方向力，其中，三个半桥中的一个比其他两个具有不同的应变量规电阻器类型。示例单侧xy力传感器包括四个半桥，其中两个是压缩型，两个是张力型，该示例单侧xy力传感器可以执行冗余xy测量。
[0278]
然而，一般来说，基于四个半桥测量值中的任何三个，将能够测量fx、fy和温度梯度。对于具有四个半桥(两个拉伸型和两个压缩型)的梁，有四种方法可以选择四个半桥中的三个，因此，我们可以获得fx和fy的四个测量值，从而提供测量值的冗余。
[0279]
图22示出了示例力传感器21102的示例性俯视透视图，其包括矩形梁21104，矩形梁21104包括位于其外部第一侧表面21108上的两个示例拉伸电阻器半桥和两个示例压缩电阻器半桥。示例梁21104包括平坦的第一侧表面21108。梁21104包括近侧梁部分21104p和远侧梁部分21104d并且包括在近侧梁部分和远侧梁部分之间延伸的中心轴线21106。两个示例拉伸半桥具有图14a-14b的第一电路布局2402和第一电路示意图2404。两个示例压缩半桥具有图15a-15b的第二电路布局2502和第二电路示意图2504。
[0280]
第一对拉伸电阻器包括位于近侧梁部分21104p处的第一近侧拉伸电阻器rt
p1
和位于远侧梁部分21104d处的第一远侧拉伸电阻器rt
d1
。第一近侧拉伸电阻器rt
p1
和第一远侧拉伸电阻器rt
d1
串联电耦合并布置在第一拉伸半桥hb1
t
中。第二对拉伸电阻器包括位于近侧梁部分21104p处的第二近侧拉伸电阻器(rt
p2
)和位于远侧梁部分21104d处的第二远侧拉伸电阻器(rt
d2
)。第二近侧拉伸电阻器rt
p2
和第二远侧拉伸电阻器rt
d2
串联电耦合并布置在第二拉伸半桥hb2
t
中。第一对压缩电阻器包括位于近侧梁部分21104p处的第一近侧压缩电阻器(rc
p1
)和位于远侧梁部分21104d处的第一远侧压缩电阻器(rc
d1
)。第一近侧压缩电阻器(rc
p1
)和第一远侧压缩电阻器(rc
d1
)串联电耦合并布置在第三压缩电阻器半桥hb3c中。第二对压缩电阻器包括位于近侧梁部分21104p处的第二近侧压缩电阻器电阻器(rc
p2
)和位于远侧梁部分21104d处的第二远侧压缩电阻器电阻器(rc
d2
)。第二近侧压缩电阻器(rc
p2
)和第二远侧压缩电阻器(rc
d2
)串联电耦合并布置在第四压缩电阻器半桥hb4c中。
[0281]
如从说明性图14a-14b和图15a-15b的解释中将理解的并且如下面更充分地解释的，相应的输出电压节点位于hb1
t
的相应第一对拉伸电阻器rt
p1
、rt
d1
，hb2
t
的相应第二对拉伸电阻器rt
p2
、rt
d2
，hb3c的相应第一对压缩电阻器rc
p1
、rc
d1
以及hb4
t
的相应第二对压缩电阻器rc
p2
、rc
d2
中的每一个之间。这些不同输出电压的某些组合之间的电压偏移可用于确定施加到梁的x力的冗余度量。这些不同输出电压的某些组合之间的电压偏移可用于确定施加到梁的y力的冗余度量。电阻器rt
p1
、rt
p2
、rt
d1
、rt
d2
、rc
p1
、rc
p2
、rc
d1
、rc
d2
中的任何一个发生故障都会导致冗余x方向力测量值的差异。类似地，所述电阻器中的任何一个的故障都会导致冗余y方向力测量值的差异。冗余x方向力测量值和/或冗余y方向力测量值的差值指示力传感器的故障。
[0282]
仍然参考图22，第一近侧拉伸电阻器rt
p1
、第一远侧拉伸电阻器rt
d1
、第一近侧压缩电阻器rc
p1
和第一远侧压缩电阻器rc
d1
布置在第一假想平面p1内的梁的第一侧21108上，中心轴线21108在该平面p1中延伸，并且平面p1在梁21104的第一侧21108上、第一平面p1沿其与第一侧21108相交的位置处限定第一横向侧轴线21112。第一横向侧轴线21112和中心轴线21106彼此平行地延伸。示例第一横向侧轴线21112延伸穿过第一近侧和远侧拉伸电阻器rt
p1-rt
d1
并穿过第一近侧和远侧压缩电阻器rc
p1-rc
d1
。示例第一横向侧轴线21112将示例第一近侧和远侧拉伸电阻器以及示例第一近侧和远侧压缩电阻器平分。
[0283]
第二近侧拉伸电阻器rt
p2
、第二远侧拉伸电阻器rt
d2
、第二近侧压缩电阻器rc
p2
和第二远侧压缩电阻器rc
d2
布置在第二假想平面p2内的梁21104的第一侧21108上，中心轴线21106在该平面p2中延伸，并且平面p2在梁21104的第一侧21108上、第二平面p2沿其与第一
侧21108相交的位置处限定第二横向侧轴线21114。第二横向侧轴线21114和中心轴线21106彼此平行地延伸。示例第二横向侧轴线21114延伸穿过第二近侧和远侧拉伸电阻器rt
p2-rt
d2
并穿过第二近侧和远侧压缩电阻器rc
p2-rc
d2
。示例第二横向侧轴线21114将示例第二近侧和远侧拉伸电阻器以及示例第二近侧和远侧压缩电阻器平分。
[0284]
图23是图22的示例梁21104的说明性近侧方向横截面视图。梁的近侧方向端视图示出了沿中心轴线21106彼此相交的第一平面p1和第二平面p2的侧视图，中心轴线21106在第一和第二平面内延伸。第一和第三半桥hb1
t
、hb3c沿着梁21104的一个横向边缘纵向对齐，并且第二和第四半桥hb2
t
、hb4c沿着梁21104的相对边缘纵向对齐。延伸穿过半桥电路hb1
t
、hb3c的第一平面的一部分和延伸穿过半桥电路hb2
t
、hb4c的第二平面p2的一部分以第一分离角b1相交于中心轴线306。
[0285]
图24是图22的示例梁21104的外表面第一侧21108的侧视图，两个拉伸电阻器半桥hb1
t
、hb2
t
和两个压缩电阻器半桥hb3c、hb4c位于该第一侧上。第一平面fp1被示为延伸穿过包含第一近侧和远侧拉伸电阻器和近侧电阻器rt
p1
、rt
d1
的第一拉伸电阻器半桥hb1
t
，并且穿过包含第一近侧和远侧压缩电阻器rc
p1
、rc
d1
的第三压缩电阻器半桥hb3c。第二平面p2被示为延伸穿过包含第二近侧和远侧拉伸电阻器和近侧电阻器rt
p2
、rt
d2
的第二拉伸电阻器半桥hb2
t
，并且穿过包含第二近侧和远侧压缩电阻器rc
p2
、rc
d2
的第四压缩电阻器半桥hb4c。第一分离角b1的大小对应于第一侧21108处在第一横向侧轴线21112和第二横向侧轴线21114之间的横向间隔距离，因此，对应于一方面是第一拉伸电阻器对r
p1
、r
d1
和第一压缩电阻器对rc
p1
、rc
d1
与另一方面的第二拉伸电阻器对r
p2
、r
d2
和第二压缩电阻器对rc
p2
、rc
d2
之间的横向间隔。在示例力传感器21102中，第一横向侧轴线21112和第二横向侧轴线21114与在梁21104的第一侧21108的表面内延伸的中性轴线21115等距，平行于中心轴线21106并且与第一侧21108的相对横向边缘等距。
[0286]
第一和第三半桥hb1
t
和hb3c的电阻器是交错的。rc
d1
与rt
d1
和rt
p1
之间的第一横向侧轴线21112对齐。rt
p1
沿rc
d1
和rc
p1
之间的第一横向侧轴线21112对齐。
[0287]
第二和第四半桥hb2
t
和hb4c的电阻器是交错的。rc
d4
与rt
d2
和rt
p2
之间的第二横向侧轴线21114对齐。rt
p2
沿rc
d3
和rc
p4
之间的第二横向侧轴线21114对齐。
[0288]
第一电压节点v
o1
耦合在第一拉伸电阻器对rt
d1
和rt
p1
之间。第二电压节点v
o2
耦合在第二拉伸电阻器对rt
d2
和rt
p2
之间。第三电压节点v
o3
耦合在第一压缩电阻器对rc
d1
和rc
p1
之间。第四电压节点v
o4
耦合在第二压缩电阻器对rc
d2
和rc
p2
之间。
[0289]
在示例力传感器中，第一和第二近侧拉伸电阻器rt
p1
、rt
p2
定位在梁21104的匹配纵向位置处。在示例力传感器中，第一和第二远侧拉伸电阻器rt
d1
、rt
d2
定位在梁21104的匹配纵向位置处。类似地，在示例力传感器中，第一和第二近侧压缩电阻器rc
p1
、rc
p2
定位在梁21104的匹配纵向位置处。在示例力传感器中，第一和第二远侧压缩电阻器rc
d1
、rc
d2
定位在梁21104的匹配纵向位置处。
[0290]
图25是图22的示例梁21104的说明性横截面端视图，该图指示通过施加在梁21104上的力f施加到相应的第一和第二拉伸电阻器半桥hb1
t
、hb2
t
的第一平面应变力fp1和第二平面应变力fp2。在示例力传感器21102中，第一半桥hb1
t
的第一对电阻器rt
p1
、rt
d1
的电阻值与第二半桥hb2
t
的第二对电阻器rt
p2
、rt
d2
的电阻值匹配。在示例力传感器21102中，第一和第二半桥hb1
t
、hb2
t
定位在示例梁21104上，使得施加到示例梁21104的x方向力将第一平面
应变力fpl施加到第一平面p1内的第一半桥hb1
t
并将第二平面应变力fp2施加到第二平面p2内的第二半桥hb2
t
。hb1
t
和hb2
t
可用于通过确定平面力之间的差值来确定所施加力的x方向分量。
[0291]
图26是图22的示例梁21104的说明性横截面端部横截面视图，该图指示通过施加在梁21104上的力施加到相应的第三和第四压缩电阻器半桥hb3c、hb4c的第一平面应变力fp1和第二平面应变力fp2。在示例力传感器21102中，第三和第四压缩半桥hb3c、hb4c定位在示例梁21104上，使得施加到示例梁21104的施加的力将第三平面应变力fp3施加到第一平面p1内的第三压缩半桥hb3c并将第四平面应变力fp4施加到第二平面p2内的第四压缩半桥hb4c。hb3c和hb4c可用于通过确定平面力之间的差值来确定所施加的力的x方向分量。
[0292]
图27是图22的示例梁21104的说明性横截面端视图，该图指示了第一平面应变力fp1和第四平面应变力fp2通过施加在梁21104上的力施加到相应的第一拉伸电阻器半桥hb1
t
和第四压缩电阻器半桥hb4c。在示例力传感器21102中，第一拉伸和第四压缩半桥hb1
t
、hb4c定位在示例梁21104上，使得施加到示例梁21104的施加的力将第一平面应变力fp1施加到第一平面p1内的第一拉伸半桥hb1
t
并且将第四平面应变力fp4施加到第二平面p2内的第四压缩半桥hb4c。hb1
t
和hb4c可以与hb2
t
或hb3c中的一个一起使用，以确定所施加力的y方向分量，如下面参考图29所解释的。
[0293]
图28是图22的示例梁21104的说明性横截面端视图，该图指示通过施加在梁21104上的力施加到相应的第二拉伸和第三压缩电阻器半桥hb2
t
、hb3c的反向第二平面应变力fp2和第三平面应变力fp3。在示例力传感器21102中，第二拉伸和第三压缩半桥hb2
t
、hb3c定位在示例梁21104上，使得施加到示例梁21104的所施加的力将第三平面应变力fp2施加到第一平面p1内的第三压缩半桥hb3c并将第二平面应变力fp2施加到第二平面p2内的第二拉伸半桥hb2
t
。hb2
t
和hb3c与hb1
t
或hb4c中的一个一起使用以确定所施加的力的y方向分量，如下面参考图29所解释的。
[0294]
通过减去离轴力分量来确定力分量对于具有不同电阻器类型的半桥对不起作用，因为压缩电阻器和拉伸电阻器具有不匹配的灵敏度。然而，在包括拉伸电阻器型半桥和压缩电阻器型半桥的示例传感器21102中，三个半桥的任意组合都能够用于确定施加的力f的f
x
分量和fy分量，它们彼此正交，参考图29解释如下。
[0295]
图29是示例梁21504的说明性横截面端视图，该图指示施加到位于其上的三个示例半桥hba、hbb、hbc的力。在下面的解释中，两个半桥可以是相同类型(拉伸电阻器型或压缩电阻器型)，而第三半桥可以是相同类型或相反类型。需注意，与在一侧具有四个半桥的图22的梁21102不同，梁21504具有两个半桥hba和hbb，两者一起位于梁的同一侧上并且具有位于梁的相反一侧的第三半桥hbc。本领域技术人员将理解，基于使用三个半桥的力测量值来确定所施加的力f的f
x
和fy分量的以下过程，其中具有匹配电阻器类型的两个半桥与半桥在梁上的圆周位置无关并且与半桥类型无关，该匹配电阻器类型可以匹配也可以不匹配第三半桥的电阻器类型。
[0296]
设施加的力f＝(f
x
,fy)。
[0297]
则力，
[0298]
fp1＝f
x
cosθ1+fysinθ1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0299]
fp2＝f
x
cosθ2+fysinθ2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0300]
fp3＝f
x
cosθ3+fysinθ3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0301]
设v1、v2、v3为hba、hbb、hbc的输出电压
[0302]
则，
[0303]
v1＝g1fp1+vδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0304]
v2＝g2fp2+vδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0305]
v3＝g3fp3+vδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0306]
其中vδt是由于沿半桥的温度梯度引起的电压；gi是hb对沿fpi的力的灵敏度/增益。
[0307]
将(1)、(2)、(3)代入(4)、(5)、(6)，我们得到，
[0308]
v1＝g1cosθ1f
x
+g1sinθ1fy+vδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0309]
v2＝g2cosθ2f
x
+g2sinθ2fy+vδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0310]
v3＝g3cosθ3f
x
+g3sinθ3fy+vδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0311]
gi和θi的值通过设计或校准是已知的，因此，未知数是f
x
、fy和vδt。我们有三个方程和三个未知数。这是一个直接的线性代数问题。
[0312]fx
＝(v1(g3sinθ3
–
g2sinθ2)+v2(g1sinθ1
–
g3sinθ3)+v3(g2sinθ2
–
g1sinθ1))/den
[0313]
(10)
[0314]fy
＝(v1(g2cosθ2
–
g3cosθ3)+v2(g3cosθ3-g1cosθ1)+v3(g1cosθ1
–
g2cosθ2))/den
[0315]
(11)
[0316]
其中：
[0317]
den＝g2g3(sinθ2cosθ3
–
cosθ2sinθ3)
[0318]-g1g3(sinθ1cosθ3
–
cosθ1sinθ3)
[0319]
+g1g2(sinθ1cosθ2
–
cosθ1sinθ2)
[0320]
hbi的gi值取决于hb的类型。
[0321]
如果我们假设所有拉伸量规hbs的灵敏度是g那么下面是gi
[0322]
如果我们假设拉伸量规hb的gi值为g；如果hb是压缩量规，那么gi的值为-ρg，其中ρ是材料的泊松比。
[0323]
因此，可以理解，f
x
和fy可以基于下表2中列出的三个半桥(hb)的以下四种组合中的每一种来确定。
[0324]
表2
[0325][0326][0327]
以下是使用参考图29描述的过程来确定图26示例的示例f
x
和fy力分量的示例。
[0328]
此示例假设表3中的值如下：
[0329]
表3
[0330]
半桥角度灵敏度/增益hb1
t
θ1＝90-θg1＝ghb2
t
θ2＝90+θg2＝ghb3cθ3＝90-θg3＝-ρghb4cθ4＝90+θg4＝-ρg
[0331]
值θ是图26中fp1和fp2力平面之间的半角(a/2)。g值是拉伸量规半桥的灵敏度。
[0332]
在该示例中，我们使用hb1
t
、hb2
t
和hb3c，用方程(10)、(11)来确定，
[0333]
fx＝(v1
–
v2)/2gsinθ
[0334]
fy＝(v1(1-ρ)+v2(1+ρ)-2v3)/2gcosθ(1+ρ)
[0335]
因此，上表2中的半桥组合可用于对f
x
和fy进行冗余确定。基于上述半桥组合确定的f
x
和fy值的比较可用于确定力传感器21102是否包含故障电阻器。如果即使是单个电阻器发生故障，那么所有四种组合都会产生不同的fx和fy值，从而指示故障。由于所有四个hb在发生故障时都会产生不同的结果，因此无法确定发生故障的电阻器。
[0336]
图30是表示配置为监测力传感器2302电压测量值的计算机系统21902的说明图。示例计算机系统21902包括显示屏21904。计算机系统21902被配置为接收由力传感器2302产生的线路21903上的电压测量值v
o1
、v
o2
、v
o3
和v
o4
。图31是表示用于检测力传感器2302或21102中发生故障应变量规电阻器的示例诊断过程的说明性流程图22000。计算机系统21902配置有计算机可读指令以执行诊断过程22000的步骤。在框22002处，计算机系统接收电压测量值v
o1
、v
o2
、v
o3
和v
o4
。在框22004处，确定表1的hb组合1-4中的每一个的各个f
x
值是否匹配以及各个fy值是否匹配。更具体地，例如计算机系统21902使用来自hb1、hb2、hb3和hb4的电压测量值来确定f
x
和fy。如果值匹配，则控制流回到框22002。如果值不匹配，则框22006发送电子信号以报告错误。在示例计算机系统21902中，电子信号促使在显示屏21904上显示错误消息。应当理解，过程200也可以针对传感器21102和表2的组合1-4执行。
[0337]
扩展桥相反侧xy力传感器
[0338]
图32a-32b示出了示例力传感器3302的示例性顶部透视图(图32a)和底部透视图(图32b)，该示例力传感器3302包括矩形梁3304，其中惠斯通电桥电路(“全桥”)位于其两个相反侧中。第一全惠斯通电桥包括第一(r
p1
)、第二(r
d1
)、第三(r
p2
)和第四(r
d2
)电阻器。第二桥包括第五(r
p3
)、第六(r
d3
)、第七(r
p4
)和第八(r
d4
)电阻器。在示例第一全惠斯通电桥3352中，第一和第二电阻器耦合在第一半桥中，而第三和第四电阻器耦合在第二半桥中。图32b中所示的梁3304的第二侧3308朝向与图32a中所示的梁3304的第一侧3308所面对的方向相反的方向。(x，y，z)梁坐标系3305被示出以解释相对于梁3304的力方向。示例梁3304可以具有带有平坦侧面的矩形横截面。更具体地，示例梁可以具有正方形横截面。梁3304包括近侧梁部分3304p和远侧梁部分3304d并且包括在近侧梁部分和远侧梁部分之间延伸的纵向中心轴线3306。参考图32a，第一近侧应变量规电阻器(“电阻器”)r
p1
和第二近侧电阻器r
p2
位于梁3304的第一侧3308的近侧梁部分3304p处。第一远侧电阻器r
d1
和第二远侧电阻器r
d2
位于梁3304的第一侧3308的远侧梁部分3304d处。位于梁的第一侧3308上的第一组电阻器中的电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
布置在第一扩展全惠斯通电桥中，如下所述，其中第一对电阻器r
p1-r
d1
和第二对电阻器p
p2-r
d2
在第一侧中性轴线3315的相对两侧上彼此横向扩展分开地定位。参考图32b，第三近侧应变量规电阻器(“电阻器”)r
p3
和第四近侧电阻器r
p4
位于梁的第
二侧(也称为“相反”侧)的近侧部分处。第三远侧电阻器r
d3
和第四远侧电阻器r
d4
位于梁的第二侧的远侧部分处。第二组电阻器的电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
布置在与梁的第二侧的作为中性轴线的第三轴线3319对齐的第二对开全惠斯通电桥(split full-wheatstone bridge)中。
[0339]
如下文更全面地解释，第一和第二全桥电路是“展开”的，因为每个桥电路的部分在梁3304上彼此横向间隔开。例如，每个全桥可以包括彼此横向扩展分开的两个半桥。横向扩展分开的半桥的一个优点在于，例如，将电阻器耦合到偏置电压或使电阻器彼此耦合的导体迹线可以被布线为穿过梁3304的面的中间或在梁的每个面上靠近梁3304的中性轴线。可替代地，在圆形横截面梁(未示出)中，导体迹线可以有利地沿着各个半桥的中性轴线布线。这种布线有助于减少迹线的应变，从而通过拒绝不需要的信号来提高传感器的准确性。
[0340]
电阻器可以手动或使用自动机械放置在梁3304上，并且可以使用粘合剂诸如环氧树脂将电阻器粘附到梁上。可替代地，可以将电阻器直接沉积并激光蚀刻到梁3304上。在这两种情况下，都可以使用引线键合和柔性印刷电路在外部完成电路。
[0341]
如下文更全面地解释的，位于梁的第一侧3304的第一对电阻器r
p1-r
p2
和第二对电阻器r
d1-r
d2
用作y方向力传感器元件，以及位于梁的相反第二侧的第三对电阻器r
p3-r
p4
和第四对电阻器r
d3-r
d4
用作x方向力传感器元件。再次参考图32a，第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
布置在第一假想平面p1内的梁3304的第一侧3308上，纵向中心轴线3306在该平面p1中延伸并且平面p1在梁3304的第一侧3308上、第一平面p1沿其与第一侧3308相交的位置处限定第一横向侧轴线3312。第一横向轴线3312和中心轴线3306彼此平行并平行于第一侧中性轴线3315延伸。示例第一横向侧轴线3312延伸穿过第一近侧电阻器r
p1
并穿过第一远侧电阻器r
d1
。此外，示例第一横向侧轴线3312平分示例第一近侧电阻器r
p1
并且平分示例第一远侧电阻器r
d1
。
[0342]
仍然参考图32a，第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
布置在第二假想平面p2内的梁3304的相对第一侧3308上，纵向中心轴线3306在该平面p2中延伸并且平面p2在梁3304的第一侧3308上、第二平面p2沿其与第一侧3308相交的位置处限定第二横向侧轴线3314。第二横向轴线3314和中心轴线3306彼此平行并平行于第一侧中性轴线3315延伸。示例第二横向侧轴线3314延伸穿过第二近侧电阻器r
p2
并穿过第二远侧电阻器r
d2
。此外，示例第二横向侧轴线3314平分示例第二近侧电阻器r
p2
并且平分示例第二远侧电阻器r
d2
。
[0343]
第一对电阻器r
p1-r
d1
和第二对电阻器r
p2-r
d2
中的每个电阻器是相同类型的应变量规电阻器。更具体地，在本文描述的示例力传感器3302中，电阻器r
p1-r
d1
和r
p2-r
d2
是用于测量拉伸应变的拉伸型量规电阻器。在替代示例力传感器中，第一和第二对电阻器可以是用于测量压缩应变的压缩型量规电阻器。如本文所用，提及具有“匹配类型”的一组电阻器是指所有电阻器都是拉伸电阻器或所有电阻器都是压缩电阻器的一组电阻器。具有匹配类型的电阻器更有可能具有相似的灵敏度和性能，从而使传感器更适合共模消除至关重要的低信噪比情况，并且效果更好。一般而言，尽管拉伸或压缩量规电阻器可用于确定x方向和y方向的力，但一般来说，拉伸应变量规电阻器比压缩量规电阻器更敏感。
[0344]
参考图32b，第三对电阻器r
p3-r
d3
和第四对电阻器r
p4-r
d4
沿梁3304的第二相反侧3310的第二侧第三轴线3319布置。第二侧第三轴线3319是在第二侧面内延伸、平行于中心轴线3306、与第二侧的横向边缘等距的中性轴线。第三和第四对电阻器包括非匹配类型的
电阻器。具体地，r
p3
、r
p4
中的一个为拉伸电阻器，另一个为压缩电阻器，以及r
d3
、r
d4
中的一个为拉伸电阻器，另一个为压缩电阻器。拉伸量规和压缩量规之间的节距也是匹配的。
[0345]
图33是图32a-32b的示例梁3304的说明性近侧方向横截面视图。图34a是示出了梁3304的第一侧3308的梁的侧视图。图34b是示出了梁3304的第二侧3310的梁的侧视图。
[0346]
参考图33，梁3304的近侧方向端视图示出了沿纵向中心轴线3306彼此相交的第一平面p1和第二平面p2的侧视图，中心轴线3306在第一平面p1和第二平面p2内延伸。(x，y，z)梁坐标系3305被示出以解释相对于梁3304的力方向。需注意，在图33中，z轴线被示出为从页面中出现。第一平面p1和第二平面p2围绕中心轴线3306彼此隔开第一分离角a1。
[0347]
参考图34a，第一横向侧轴线3312被示为延伸穿过梁3304的第一侧3308上的第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
。需注意，在图34a中，x轴线延伸到页面中。第二横向侧轴线3314被示为延伸穿过梁3304的第一侧3308上的第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
。第一分离角a1的大小对应于在第一侧3308处、在第一侧轴线3312和第二侧轴线3314之间的横向间隔距离，因此，对应于第一电阻器对r
p1
、r
d1
与第二电阻器对r
p2
、r
d2
之间的横向间隔。在示例力传感器中，第一横向侧轴线3312和第二横向侧轴线3314与第一侧中性轴线3315等距，第一侧中性轴线3315在梁的第一侧面内延伸并且与第一侧3308的相对横向边缘等距。
[0348]
参考图34b，电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
沿第三轴线3319对齐，第三轴线3319在梁3304的第二侧面内延伸并且与第二侧3310的相对横向边缘等距。需注意，在图34a中，x轴线从页面中出现。
[0349]
如下文解释的，第一桥电路的电阻器横向分开布置以基于沿第一平面p1和第二平面p2施加的偏中性轴线力测量垂直于梁中心轴线3306的第一方向上的力。如图37a所示，第一桥3352的电阻器的横向分离使得第一中心导体迹线3356在梁3304的在全惠斯通电桥的近侧电阻器和远侧电阻器之间的区域中平行于梁中心轴线3306的布线成为可能。
[0350]
图35a是示例梁3304的说明性侧视图，该图示出了包括电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
的第一全惠斯通电桥3602的第一示例布局。第一惠斯通电桥布局在第一配置中耦合到输入偏置电压导体(ep、en)和输出电压导体(vo-、vo+)。图35b是第一全惠斯通电桥布局拓扑的说明性第一示意电路图3604表示。参考图35a-35b，第一近侧电阻器r
p1
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第二(也称为“负”电位)输出vo-之间。第二近侧电阻器r
p2
电耦合在负的第二dc电位(en)和第二输出vo-之间。第一远侧电阻器r
d1
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第一输出vo+(也称为“正”输出)之间。第二远侧电阻器r
d2
电耦合在负的第二dc电位(en)和第一输出vo+之间。
[0351]
图36a是示例梁3304的说明性侧视图，该图示出了包括电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
的第一全惠斯通电桥3702的替代第二示例布局。第二惠斯通电桥布局在第二配置中耦合到输入偏置电压导体(ep、en)和输出电压导体(vo-、vo+)。图36b是第一全惠斯通电桥电路的第二替代示例布局的说明性第一示意电路图3704表示。参考图36a-36b，第一近侧电阻器r
p1
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第一输出vo+之间。第二近侧电阻器r
p2
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第二输出vo-之间。第一远侧电阻器r
d1
电耦合在负的第二dc电位(en)和第一输出vo+之间。第二远侧电阻器r
d2
电耦合在负的第二dc电位(en)和第二输出vo-之间。
[0352]
一般来说，图35a中的布局更适合减少必须跨越梁的长度的迹线数量，并且还可以
减少迹线拾取应变的影响。另一方面，如果力传感器使用半桥电压测量值，则图36a中的布局是优选的布局。图37a是示例梁3304的说明性侧视图，该图示出了位于梁3304的第二侧3310处并且包括电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
的第二示例全惠斯通电桥3802的示例布局。近侧电阻器r
p3
位于近侧电阻器r
p4
的近侧。远侧电阻器r
d3
位于远侧电阻器r
d4
的近侧。近侧电阻器r
p3
和远侧电阻器r
d3
是拉伸量规电阻器，并且近侧电阻器r
p4
和远侧电阻器r
d4
是压缩量规电阻器。在图37a所示的第二电桥的第一布局中，第二电桥在第一配置中耦合到输入偏置电压导体(ep、en)并耦合到输出电压导体(vo-、vo+)。图37b是第二全桥电路的第一示例布局的说明性示意电路图3804表示。参考图37a-37b，第三近侧电阻器r
p3
电耦合在负的第二dc电位(en)和第一输出vo+之间。第四近侧电阻器r
p4
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第一输出vo+之间。第三远侧电阻器r
d3
电耦合在负的第二dc电位(en)和第二输出vo-之间。第四远侧电阻器r
d4
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第二输出vo-之间。
[0353]
图37a是示例梁3304的说明性侧视图，该图示出了位于梁3304的第二侧3310处并且包括电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
的第二示例全惠斯通电桥3902的示例第二布局。近侧电阻器r
p3
位于近侧电阻器r
p4
的近侧。远侧电阻器r
d3
位于远侧电阻器r
d4
的近侧。近侧电阻器r
p3
和远侧电阻器r
d3
是拉伸量规电阻器，近侧电阻器r
p4
和远侧电阻器r
d4
是压缩量规电阻器。在图37a所示的第二桥的第二布局中，第二全桥在第一配置中耦合到输入偏置电压导体(ep、en)并耦合到输出电压导体(vo-、vo+)。图37b是第二全桥电路的第二示例布局的说明性示意电路图904表示。参考图37a-37b，第三近侧电阻器r
p3
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第一输出vo+之间。第四近侧电阻器r
p4
电耦合在正的第一dc电位(ep)和第二输出vo-之间。第三远侧电阻器r
d3
电耦合在负的第二dc电位(en)和第一输出vo+之间。第四远侧电阻器r
d4
电耦合在负的第二dc电位(ep)和第二输出vo-之间。
[0354]
图38a是示例梁3304的说明性侧视图，该图示出了位于梁3304的第一侧3308上的惠斯通电桥3352的扩展布局，并且示出了在电桥的中心内在桥的近侧电阻器和远侧电阻器之间延伸的中心导体迹线3356的布线。电桥3352包括r
p1
、r
p2
和远侧电阻器r
d1
、r
d2
，并具有第一中性轴线3362，其在近侧电阻器r
p1
、r
p2
和远侧电阻器r
d1
、r
d2
之间平行于梁轴线3306延伸。在示例电桥中，第一中性线与r
p1
和r
p2
中的每一个均等间隔并且与r
d1
和r
d2
中的每一个均等间隔。第一桥3352纵向分开，其中近侧电阻器r
p1
、r
p2
与远侧电阻器r
d1
、r
d2
纵向分开。第一桥横向扩展，其中近侧电阻器r
p1
、r
p2
横向扩展分开且远侧电阻器r
d1
、r
d2
彼此横向扩展分开。
[0355]
应当理解，由于第一全惠斯通电桥3352的电阻器横向扩展分开，它们不占据第一中性轴线3362。因此，导体迹线可以靠近并平行于第一中性轴线3362布线，这可以减少施加到迹线的应变量。此外，沿电桥电路的中性轴线的迹线布线可以更容易生产、制造或组装。
[0356]
示例第一全桥包括第一组中心导体迹线3356，其沿着第一桥3352的中心部分、平行于第一中性轴线3362、沿着梁3304的外表面的区域在第一桥3352的该对近侧电阻器r
p1
、r
p2
和该对远侧电阻器r
d1
、r
d2
之间纵向延伸。第一组中心迹线3356包括耦合到第一正输出电压vo1+的迹线段3356-1。第一组中心迹线3356包括耦合到第一负电压输出vo1-的迹线段3356-1。第一组中心迹线3356包括耦合到负电压电位en的迹线段3356-3。
[0357]
图38b是图38a的第一和第二全惠斯通电桥的说明性第一示意电路图表示。全惠斯通电桥3352包括耦合在ep和en之间的r
p1
和r
d1
以提供第一半桥分压器电路，该第一半桥分压器电路包括耦合到第一正输出电压vo1+的迹线导体。第一全惠斯通电桥3352还包括耦合
在ep和en之间的r
p2
和r
d2
以提供第二半桥分压器电路，该第二半桥分压器电路包括耦合到第一负输出电压vo1-的迹线导体。
[0358]
图39a是图33的示例梁3304的说明性横截面端视图，该图指示第一侧上的电阻器并指示第一平面力fp1和第二平面力fp2。图39b是指示响应于施加的力f而施加到第一近侧电阻器r
p1
和第一远侧电阻器r
d1
的第一平面力fp1的x力分量和y力分量的说明性力图。图39c是指示响应于施加的力f而施加到第二近侧电阻器r
p2
和第二远侧电阻器r
d2
的第二平面力fp2的x力分量和y力分量的说明性力图。
[0359]
在示例力传感器3302中，第一对电阻器r
p1
、r
d1
的电阻值与第二对电阻器r
p2
、r
d2
的电阻值匹配。在示例力传感器3302中，第一和第二对电阻器定位在示例梁3304上，使得施加到示例梁3304的施加的力f将第一平面应变力fp1施加到第一平面p1内的第一对电阻器并将第二平面应变力fp2施加到第二平面p2内的第二对电阻器。应当理解，第一平面应变力fpl是离轴力，因为它是沿第一横向侧轴线3312施加的力，第一横向侧轴线312从第一桥3352的中性轴线3315横向偏移。同样，应当理解，第二平面应变力fp2是离轴力，因为它是沿第二横向侧轴线3314施加的力，第二横向侧轴线3314从第一桥3352的中性轴线3315横向偏移。第一和第二对电阻器定位在示例梁3304上，使得第一平面应变力fp1的大小与第二平面应变力fp2的大小匹配。第一平面应变力fp1和第二平面应变力fp2的力方向彼此隔开第一分离角“a”。
[0360]
使用相同类型的应变量规电阻器的一个优点在于垂直于梁3304的中心轴线3306施加的力的大小可以基于施加到位于梁上的全桥的不同半桥的离轴力大小的差异来确定。在示例力传感器3302中，由施加的力f施加到梁3304的y方向力分量fy的大小可以基于第一离轴力fp1和第二离轴力fp2之间的差值如下确定。
[0361]
设a为p1和p2之间的角度。
[0362]
设x轴线平分角度a。因此，p1与x之间的角度为a/2，p2与x之间的角度为a/2。
[0363]
设θ为x轴线与施加的力f之间的角度。
[0364]
沿x轴线的力f
x
＝fcosθ
[0365]
沿y轴线的力fy＝fsinθ
[0366]
参考图37b，沿p1的力＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)＝fp1
[0367]
参考图9c，沿p2的力＝f
x
cosa/2+fycos(90-a/2)＝fp2
[0368]
fp1＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0369]
fp2＝f
x
cosa/2+fycos(90-a/2)
[0370]
使用cos(θ)＝-cos(180-θ)
[0371]
我们得到
[0372]
fp2＝f
x
cosa/2-fycos(90+a/2)
[0373]
当我们使fp1和fp2相减时
[0374]
我们得到fp1-fp2＝f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0375]-f
x
cosa/2+fycos(90+a/2)
[0376]
因此，fp1-fp2＝2fycos(90+a/2)
[0377]
因此，fp1-fp2
∝fy
[0378]
因此，fp1和fp2之间的差值与施加的力f对梁施加的y方向力分量fy成正比。
[0379]
此外，应当理解的是，
[0380]fy
αv
s1o+
–vs1o-，
[0381]
其中v
s1o+
是第一桥电路3352的正输出电压，v
s1o-是第一桥电路3352的负输出电压，以及v
s1o+-v
s1o-是由位于梁3304的第一侧3308上的第一桥电路3352产生的电压偏移。
[0382]
图40是图33的示例梁3304的说明性近侧方向横截面视图，该图指示第二侧3310上的示例第二全桥3802或3902的电阻器r
p3
、r
p4
、r
d3
、r
d4
，并指示x轴力fx。示例第二全桥3802或3902测量垂直于纵向轴线3306并垂直于第二侧3310的第三轴线3319的x轴力。在2018年11月14日提交的pct/us2018/061113中公开了一个示例全桥电路，该全桥电路包括在纵向上平行于梁中心轴线并沿中性轴线对齐的拉伸电阻器和压缩电阻器，其通过该引用明确地整体并入本文。
[0383]
图41是表示金属片31102的示意图，该金属片31102包含限定示例电阻器r
p1-r
p4
和r
d1-r
d4
的切口，以用于组装到梁3304的相反面向的第一和第二侧3308、3310上的相应第一和第二全惠斯通电桥中。金属片31102的第一区域31104包括电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
以耦合要定位在示例梁的第一侧3308处的第一全桥内。金属片的第二区域31106包括电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
以耦合在位于示例梁3304的第二相反侧3310处的第二全桥内。在第一和第二区域之间延伸并且尺寸设计成铺在梁3304的第三中间侧3320的中间第三区域31108位于梁3304的第一侧3308和第二侧3310之间。第一折线1110将第一区域与第二区域分开，并且第二折线1112将第二区域与中间区域分开。
[0384]
图42a是表示沿着第一和第二折线1110、1112折叠金属片31102以围绕示例梁3304缠绕金属片31102的第一、第二和第三31104、31104、31106区域的过程的说明性图，以将第一组电阻器r
p1-r
p2
和r
d1-r
d2
放置在梁3304的第一侧3308处并且将第二组电阻器r
p3-r
p4
和r
d3-r
d4
放置在梁3304的第二侧3310处，并且将中间第三区域31108放置在梁3304的第三中间侧3320上方。图42b是梁3304的说明性顶部透视图，其中金属片31102围绕其三个侧面缠绕。特别地，图42b示出了金属片31102的第一区域31104铺在梁3304的第一侧3310上面以将第一组电阻器定位在第一侧处。图42c是梁3304的说明性底部透视图，其中金属片31102围绕其三个侧面缠绕。特别地，图42c示出了金属片31102的第二区域31106铺在梁3304的第二侧3310上面以将第二组电阻器定位在第二侧处。在示例矩形梁中，第一侧包括梁的第一面并且第二侧包括与第一侧面相对的第二侧面。
[0385]
尽管已经示出和描述了说明性示例，但是在前述公开中可以预期广泛的修改、改变和替换，并且在一些情况下，可以采用各示例的一些特征而无需对应地使用其他特征。例如，本文描述了矩形梁。然而，可以使用具有圆形横截面或八边形横截面的替代示例梁的梁。更一般地，可以使用具有第二面积惯性矩的示例梁，该第二面积惯性矩对于在延伸穿过垂直于梁的中心轴线的梁的近侧部分的横截面平面内的所有轴线是各向同性的并且对于在延伸穿过垂直于梁的中心轴线的梁的远侧部分的远侧横截面内的所有轴线也是各向同性的。
[0386]
第二面积惯性矩要求表示为，
[0387]ix
＝iy[0388]
其中i
x
表示关于任意选择的位于垂直于中心轴线的平面上的x轴线的惯性矩，iy表示关于位于同一平面上但垂直于x轴线的轴线的惯性矩，并且
[0389]ixy
＝0，
[0390]
其中i
xy
表示梁的横截面的乘积惯性矩。
[0391]
图43是具有横截面积a的梁1500的说明性横截面视图。对于梁1500的横截面a，
[0392]
设i
x
、iy、i
xy
为第二惯性矩
[0393]
其中i
x
＝∫∫x2da
[0394]iy
＝∫∫y2da
[0395]ixy
＝∫∫xyda
[0396]
对于以角度θ倾斜的新框架
[0397]
x1＝xcosθ+ysinθ
[0398]
y1＝ycosθ-xsinθ
[0399]
∴
[0400]
对于i在所有方向上都是各向同性的，要求是，
[0401]ix
＝iy和i
xy
＝0
[0402]
第二面积惯性矩要求表示为，
[0403]ix
＝iy[0404]
其中i
x
表示关于任意选择的位于垂直于中心轴线的平面上的x轴线的惯性矩，iy表示关于位于同一平面上但垂直于x轴的轴线的惯性矩，并且
[0405]ixy
＝0，
[0406]
其中i
xy
表示梁的横截面的乘积惯性矩。
[0407]
示例
[0408]
示例1可以包括力传感器，其包括：矩形梁，该矩形梁具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线；第一全桥电路，其包括：耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)；以及耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)；第二全桥电路，其包括：耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)；以及耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻具有匹配电阻类型；其中，第一、第二、第三和第四电阻器位于梁的第一侧面，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并平行于梁的表面的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；并且其中，第五、第六、第七和第八电阻器位于梁的与第一侧面相邻的第二侧面，使得第三和第四分压器输出之间的分压器偏移表示在垂直于纵向轴线且垂直于第一力方向的第二力方向上施加到梁的第二力的大小。
[0409]
示例2可以包括示例1所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器是应变型电阻器。
[0410]
示例3可以包括示例1所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的近侧部分处。
[0411]
示例4可以包括示例3所述的主题，其中，第一和第三电阻器具有匹配值，第二和第
四电阻器具有匹配值，第五和第七电阻器具有匹配值，并且第六和第八电阻器具有匹配值。
[0412]
示例5可以包括示例3所述的主题，其中，第一和第三电阻器具有匹配的梁的纵向位置，第二和第四电阻器具有匹配的梁的纵向位置，第五和第七电阻器具有匹配的梁的纵向位置，以及第六和第八电阻器具有匹配的梁的纵向位置。
[0413]
示例6可以包括一种力传感器，包括：具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的梁；第一全桥电路，其包括：耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)，第一量规电阻器和第二量规电阻器被布置为沿第一侧轴线延伸，该第一侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；以及耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)，第三量规电阻器和第四量规电阻器被布置为沿第二侧轴线延伸，该第二侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第二全桥电路，其包括：耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)，第五量规电阻器和第六量规电阻器被布置为沿第三侧轴线延伸，该第三侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；以及耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)，第七量规电阻器和第八量规电阻器被布置为沿第四侧轴线延伸，该第四侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配电阻器类型；其中，沿第一侧轴线延伸的第一和第二电阻器以及沿第二侧轴线延伸的第三和第四电阻器定位在梁上，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并垂直于第一和第二侧轴线并平行于第三和第四侧轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；并且其中，沿第三侧轴线延伸的第五和第六电阻器以及沿第四侧轴线延伸的第七和第八电阻器定位在梁上，使得第三和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线、平行于第一和第二轴线并垂直于第三和第四侧轴线的第二力方向上施加到梁的第二力的大小。
[0414]
示例7可以包括示例6所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器是应变型电阻器。
[0415]
示例8可以包括示例6所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0416]
示例9可以包括示例6所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的近侧部分处。
[0417]
示例10可以包括示例6所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器定位在梁的匹配纵向位置处。
[0418]
示例11可以包括示例6所述的主题，其中，第一和第三电阻器位于梁的近侧横截平面中，该横截平面垂直于中心轴线并且具有对于在穿过纵向中心轴线的近侧横截平面内的所有轴线都是各向同性的第二面积惯性矩；其中，第五和第七电阻器位于梁的近侧横截平面中，该横截平面垂直于中心轴线并且具有对于在穿过纵向中心轴线的近侧横截平面内的所有轴线都是各向同性的第二面积惯性矩；其中，第二和第四电阻器位于梁的远侧横截平面中，该远侧横截平面垂直于中心轴线并且具有对于在穿过纵向中心轴线的远侧横截平面内的所有轴线都是各向同性的第二面积惯性矩；并且其中，第六和第八电阻器位于梁的远侧横截平面中，该远侧横截平面垂直于中心轴线并且具有对于在穿过纵向中心轴线的远侧
横截平面内的所有轴线都是各向同性的第二面积惯性矩。
[0419]
示例12可以包括示例6所述的主题，其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第二力方向平分第一平面和第二平面之间的第一分离角；其中，第三侧轴线在包括纵向中心轴线的第三平面内延伸；其中，第四侧轴线在包括纵向中心轴线的第四平面内延伸；并且其中，第一力方向平分第三平面和第四平面之间的第二分离角。
[0420]
示例13可以包括示例12所述的主题，其中，第一分离角等于第二分离角。
[0421]
示例14可以包括示例6所述的主题，其中，第一量规电阻器、第二量规电阻器、第三量规电阻器和第四量规电阻器位于梁的具有匹配横截面的相应位置处；并且其中，第五量规电阻器、第六量规电阻器、第七量规电阻器和第八量规电阻器位于梁的具有匹配横截面的相应位置处。
[0422]
示例15可以包括示例9所述的主题，其中，第一量规电阻器、第二量规电阻器、第三量规电阻器和第四量规电阻器位于梁的具有匹配横截面的相应位置处；并且其中，第五量规电阻器、第六量规电阻器、第七量规电阻器和第八量规电阻器位于梁的具有匹配横截面的相应位置处。
[0423]
示例16可包括用于与具有近侧部分和远侧部分并具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的矩形梁一起使用的金属片，该金属片包括：第一切口部分，该切口部分被构造为铺在梁的第一侧面上面，包括：耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)；耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)；第二切口部分，该切口部分被构造为铺在与梁的第一侧面相邻的梁的第二侧面上面，包括：耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)；耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)，第七量规电阻器和第八量规电阻器被布置为沿第四侧轴线延伸，该第四侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配电阻类型；其中，布置为铺在梁的第一侧面上面的第一、第二、第三和第四电阻器位于梁的第一侧面处，使得第一分压器输出和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；并且其中，布置为铺在与梁的第一侧面相邻的梁的第二侧面上的第五、第六、第七和第八电阻器位于梁上，使得第三分压器输出和第四分压器输出之间的分压器偏移表示在垂直于纵向轴线并垂直于第一力方向的第二力方向上施加到梁的第二力的大小。
[0424]
示例17可以包括示例16所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器是应变型电阻器。
[0425]
示例18可以包括示例16所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0426]
示例19可以包括示例16所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器被布置为位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器被布置为位于梁的近侧部分处。
[0427]
示例20可以包括示例16所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器被布置
为定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器被布置为定位在梁的匹配纵向位置处。
[0428]
示例21可包括用于与具有近侧部分和远侧部分并具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的梁一起使用的金属片，该金属片包括：第一切口部分，该切口部分被构造为铺在梁的第一部分上面，其包括：耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)，第一量规电阻器和第二量规电阻器被布置为铺在梁的第一部分上面并沿着沿平行于纵向中心轴线的梁延伸的第一侧轴线延伸；耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)，第三量规电阻器和第四量规电阻器被布置为铺在梁的第一部分上面并沿第二侧轴线延伸，该第二侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第二切口部分，该第二切口部分被构造为铺在梁的第二部分上面，其包括：耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)，第五量规电阻器和第六量规电阻器被布置为铺在梁的第二部分上面并沿着沿平行于纵向中心轴线的梁延伸的第三侧轴线延伸；以及耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)，第七量规电阻器和第八量规电阻器被布置为铺在梁的第二部分上面并沿第四侧轴线延伸，该第四侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配电阻器类型；其中，被布置为铺在梁的第一部分上面并沿第一侧轴线延伸的第一和第二电阻器以及布置为铺在梁的第一部分上面并沿第二侧轴线延伸的第三和第四电阻器被布置为定位在梁上，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并垂直于第一和第二侧轴线并平行于第三和第四侧轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；并且其中，被布置为铺在梁的第二部分上面并沿第三侧轴线延伸的第五和第六电阻器以及被布置为铺在梁的第二部分上面并沿第四侧轴线延伸的第七和第八电阻器被布置为定位在梁上，使得第三和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线、平行于第一和第二轴线且垂直于第三和第四侧轴线的第二力方向上施加到梁的第二力的大小。
[0429]
示例22可以包括示例22所述的主题，其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第二力方向平分第一平面和第二平面之间的第一分离角；其中，第三侧轴线在包括纵向中心轴线的第三平面内延伸；其中，第四侧轴线在包括纵向中心轴线的第四平面内延伸；并且其中，第一力方向平分第三平面和第四平面之间的第二分离角。
[0430]
示例23可以包括示例22所述的主题，其中，第一分离角等于第二分离角。
[0431]
示例24可以包括力传感器，其包括：具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的梁；在梁上的第一全桥电路，第一全桥电路具有第一中性轴线并且包括：包括第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)的第一半桥电路，第一量规电阻器和第二量规电阻器沿平行于纵向中心轴线的第一横向侧轴线布置并耦合以提供第一分压器输出；包括第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)的第二半桥电路，第三量规电阻器和第四量规电阻器沿平行于纵向中心轴线的第二横向侧轴线布置并耦合以提供第二分压器输出；其中，第一和第二横向侧轴线在第一中性轴线的相对侧上彼此横向间隔开；进一步包括：多个第一中心导体
迹线，该导体迹线平行于中性轴线在梁的位于第一电阻器和第二电阻器之间以及位于第三电阻器和第四电阻器之间的区域中延伸。
[0432]
示例25可以包括力传感器，其包括：具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的梁；在梁上的第一全桥电路，第一全桥电路具有第一中性轴线并且包括：第一半桥电路，其包括第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)，第一量规电阻器和第二量规电阻器沿平行于纵向中心轴线的第一横向侧轴线布置并耦合以提供第一分压器输出；第二半桥电路，其包括第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)，第三量规电阻器和第四量规电阻器沿平行于纵向中心轴线的第二横向侧轴线布置并耦合以提供第二分压器输出；其中，第一和第二横向侧轴线在第一中性轴线的相对侧上彼此横向间隔开；其中，第一、第二、第三和第四电阻器具有匹配电阻器类型；并且其中，第一全桥电路布置在梁上，使得在垂直于纵向中心轴线的第一方向上施加的力的分量可以基于施加到第一半桥的第一离轴力和施加到第二半桥的第二离轴力之间的差值来确定。
[0433]
示例26包括权利要求25所述的主题，进一步包括：在梁上的第二全桥电路，第二全桥电路具有第二中性轴线并且包括：第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)，第五量规电阻器和第六量规电阻器沿平行于纵向中心轴线的第三横向侧轴线布置并且耦合以提供第三分压器输出；以及第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)，第七量规电阻器和第八量规电阻器沿平行于纵向中心轴线的第四横向侧轴线布置并耦合以提供第四分压器输出；其中，第三和第四横向侧轴线在第二中性轴线的相对侧上彼此横向间隔开；进一步包括：多个第一中心导体迹线，该导体迹线平行于第二中性轴线在梁的位于第五电阻器和第六电阻器之间以及位于第七电阻器和第八电阻器之间的区域中延伸。
[0434]
示例27包括权利要求26所述的主题，其中，第一、第二、第三和第四电阻器具有匹配电阻器类型；其中，第一全桥电路布置在梁上，使得在垂直于纵向中心轴线的第一方向上的所施加的力的分量可以基于施加到第一半桥的第一离轴力和施加到第二半桥的第二离轴力之间的差值来确定；其中，第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配电阻器类型；并且其中，第二全桥电路布置在梁上，使得在垂直于纵向中心轴线且垂直于第一方向的第二方向上的所施加的力的分量可以基于施加到第三半桥的第三离轴力和施加到第四半桥的第四离轴力之间的差值来确定。
[0435]
示例28包括力传感器，其包括：具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的矩形梁；第一半桥电路，其包括耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)；第二半桥电路，其包括耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)；第三半桥电路，其包括耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)；第四半桥电路，其包括耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配电阻器类型；其中，第一、第二、第三和第四电阻器位于梁的第一面上，并且第五、第六、第七和第八电阻器位于梁的与梁的第一面相反的第二面上，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直
于纵向轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；第三和第四分压器输出之间的电压偏移表示第一力的大小；第一和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线且垂直于第一力方向的第二力方向上施加到梁的第二力的大小；第二和第三分压器输出之间的电压偏移表示第二力的大小。
[0436]
示例29包括权利要求28所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器是应变型电阻器。
[0437]
示例29包括权利要求28所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0438]
示例30包括权利要求28所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的远侧部分处。
[0439]
示例31包括权利要求30所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器定位在梁的匹配纵向位置处。
[0440]
示例32包括力传感器，其包括：具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的梁；第一半桥电路，其包括耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)，第一量规电阻器和第二量规电阻器被布置为沿第一侧轴线延伸，该第一侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第二半桥电路，其包括耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)，第三量规电阻器和第四量规电阻器被布置为沿第二侧轴线延伸，该第二侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第三半桥电路，其包括耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)，第五量规电阻器和第六量规电阻器被布置为沿第三侧轴线延伸，该第三侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第四半桥电路，其包括耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)，第七量规电阻器和第八量规电阻器被布置为沿第四侧轴线延伸，该第四侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配电阻器类型；其中，沿第一侧轴线延伸的第一和第二电阻器和沿第二侧轴线延伸的第三和第四电阻器定位在梁上，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线且垂直于第一、第二、第三和第四侧轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；其中，沿第三侧轴线延伸的第五和第六电阻器和沿第四侧轴线延伸的第七和第八电阻器定位在梁上，使得第三和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线且垂直于第一、第二、第三和第四侧轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；其中，沿第一侧轴线延伸的第一和第二电阻器以及沿第四侧轴线延伸的第七和第八电阻器定位在梁上，使得第一和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并平行于第一、第二、第三和第四侧轴线的第二力方向上施加到梁的第二力的大小；并且其中，沿着第一侧轴线延伸的第三和第四电阻器以及沿着第三侧轴线延伸的第五和第六电阻器定位在梁上，使得第二和第三分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并平行于第一、第二、第三和第四侧轴线的第二力方向上施加到梁的第二力的大小。
[0441]
示例33包括示例32所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和
第八电阻器是应变型电阻器。
[0442]
示例34包括示例32所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0443]
示例35包括示例32所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的远侧部分处。
[0444]
示例36包括示例35所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器定位在梁的匹配纵向位置处。
[0445]
示例37包括示例35所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧横截平面中，该横截平面垂直于中心轴线并且具有对于在穿过纵向中心轴线的近侧横截平面内的所有轴线都是各向同性的第二面积惯性矩；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的远侧横截平面中，该远侧横截平面垂直于中心轴线并且具有对于在穿过纵向中心轴线的远侧横截平面内的所有轴线都是各向同性的第二面积惯性矩。
[0446]
示例38包括示例32所述的主题，其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第二力方向平分第一平面和第二平面之间的第一分离角；其中，第三侧轴线在包括纵向中心轴线的第三平面内延伸；其中，第四侧轴线在包括纵向中心轴线的第四平面内延伸；并且其中，第一力方向平分第一平面和第四平面之间的第二分离角。
[0447]
示例39包括权利要求37所述的主题，其中，第一和第二角是补角。
[0448]
示例40包括力传感器，其包括：具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的矩形梁；第一半桥电路，其包括耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)；第二半桥电路，其包括耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)；第三半桥电路，其包括耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)；第四半桥电路，其包括耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)；其中，第一、第二、第三和第四电阻器是拉伸型和压缩型中的一种，并且第五、第六、第七和第八电阻器是拉伸型和压缩型中的另一种。
[0449]
示例41包括示例40所述的主题，其中，第一、第二、第三和第四电阻器是应变型电阻器，并且第五、第六、第七和第八电阻器是压缩型电阻器。
[0450]
示例42包括示例40所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0451]
示例43包括示例40所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的近侧部分处。
[0452]
示例44包括示例43所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器定位在梁的匹配纵向位置处。
[0453]
示例45包括力传感器，其包括：具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的梁；第一半桥电路，其包括耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)，第一量规电阻器和第二量规电阻器被布置为沿第一侧轴线延伸，该第一侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第二半桥电路，其包括耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻
器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)，第三量规电阻器和第四量规电阻器被布置为沿第二侧轴线延伸，该第二侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第三半桥电路，其包括耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)，第五量规电阻器和第六量规电阻器被布置为沿第三侧轴线延伸，该第三侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第四半桥电路，其包括耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)，第七电阻器和第八电阻器被布置为沿第四侧轴线延伸，该第四侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；其中，第一、第二、第三和第四电阻器为拉伸型电阻器；其中，第五、第六、第七、第八电阻器为压缩型电阻器。
[0454]
示例46包括示例45所述的主题，其中，第一、第二、第三和第四电阻器是拉伸型电阻器，并且第五、第六、第七和第八电阻器是压缩型电阻器。
[0455]
示例47包括示例45所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0456]
示例48包括示例45所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的近侧部分处。
[0457]
示例49包括示例48所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器被布置为定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器被布置为定位在梁的匹配纵向位置处。
[0458]
示例50包括示例48所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧横截平面中，该横截平面垂直于中心轴线并且具有对于在穿过纵向中心轴线的近侧横截平面内的所有轴线都是各向同性的第二面积惯性矩；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的远侧横截平面中，该远侧横截平面垂直于中心轴线并且具有对于在穿过纵向中心轴线的远侧横截平面内的所有轴线都是各向同性的第二面积惯性矩。
[0459]
示例51包括权利要求45所述的主题，其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第二力方向平分第一平面和第二平面之间的第一分离角；其中，第三侧轴线在包括纵向中心轴线的第三平面内延伸；其中，第四侧轴线在包括纵向中心轴线的第四平面内延伸；并且其中，第一力方向平分第三平面和第四平面之间的第二分离角。
[0460]
示例52包括权利要求51所述的主题，其中，第一和第二角是补角。
[0461]
示例53包括力传感器，其包括：梁，其具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线；第一全桥电路，其包括：耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)；耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)；以及第二全桥电路，其包括：耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)；耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)；其中，第一、第二、第三和第四电阻器具有匹配电阻器类型；其中，第五和第六电阻器是拉伸和压缩电阻器类型中的一种，第七和第八电阻器是拉伸和压缩电阻器类型中的一种；其中，第一、第二、第三和第四电阻器位于梁的第一侧面处，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线的第一力方向上
施加到梁的第一力的大小；并且其中，第五、第六、第七和第八电阻器位于与梁的第一侧面相反的梁的第二侧面处，使得第三和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线且垂直于第一力方向的第二力方向上施加到梁的第二力的大小。
[0462]
示例54包括示例53所述的主题，其中，第一、第二、第三和第四电阻器是应变型电阻器。
[0463]
示例54包括示例53所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0464]
示例55包括示例53所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的近侧部分处。
[0465]
示例56包括示例55所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器定位在梁的匹配纵向位置处。
[0466]
示例57包括力传感器，其包括：梁，其具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线；第一全桥电路，其包括：耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)，第一量规电阻器和第二量规电阻器被布置为沿第一侧轴线延伸，该第一侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)，第三量规电阻器和第四量规电阻器被布置为沿第二侧轴线延伸，该第二侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；第二全桥电路，其包括：耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)；以及耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)，第七量规电阻器和第八量规电阻器被布置为沿第三侧轴线延伸，该第三侧轴线沿平行于纵向中心轴线的梁延伸；其中，第一、第二、第三和第四电阻器具有匹配电阻器类型；其中，第五和第六电阻器是拉伸和压缩电阻器类型中的一种，第七和第八电阻器是拉伸和压缩电阻器类型中的另一种；其中，沿着第一侧轴线延伸的第一和第二电阻器以及沿着第二侧轴线延伸的第三和第四电阻器定位在梁上，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并垂直于第一和第二侧轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；并且其中，沿第三侧轴线延伸的第五、第六、第七和第八电阻器被定位在梁上，使得第三和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并平行于第一和第二侧轴线的第二力方向上施加到梁的第二力的大小。
[0467]
示例58包括示例57所述的主题，其中，第一、第二、第三和第四电阻器是应变型电阻器。
[0468]
示例59包括示例57所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0469]
示例60包括示例57所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的近侧部分处。
[0470]
示例61包括示例60所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器定位在梁的匹配纵向位置处。
[0471]
示例61包括示例57所述的主题，其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第二力方向平
分第一平面和第二平面之间的第一分离角。
[0472]
示例62包括用于与具有近侧部分和远侧部分并具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的矩形梁一起使用的金属片，该金属片包括：第一切口部分，该切口部分被构造为铺在梁的第一侧面上面，其包括：耦合以提供第一分压器输出的第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)；耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)；以及第二切口部分，该第二切口部分被构造为铺在与梁的第一侧面相反的梁的第二侧面上面，其包括：耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)；耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)；其中，第一、第二、第三和第四电阻器具有匹配电阻器类型；其中，第五和第六电阻器具有拉伸和压缩电阻器类型中的一种，以及第七和第八电阻器具有拉伸和压缩电阻器类型中的另一种；其中，第一、第二、第三和第四电阻器被布置为铺在梁的第一侧面上面，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；并且其中，第五、第六、第七和第八电阻器被布置为铺在与梁的第一侧面相对的梁的第二侧面上面，使得第三和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并垂直于第一力方向的第二力方向上施加到梁的第二力的大小。
[0473]
示例63包括示例61所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器是应变型电阻器。
[0474]
示例64包括示例61所述的主题，其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电阻器具有匹配的电阻器值。
[0475]
示例65包括示例61所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器位于梁的近侧部分处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器位于梁的近侧部分处。
[0476]
示例66包括示例所述的主题，其中，第一、第三、第五和第七电阻器定位在梁的匹配纵向位置处；并且其中，第二、第四、第六和第八电阻器定位在梁的匹配纵向位置处。
[0477]
示例68包括用于与具有近侧部分和远侧部分并且具有在近侧部分和远侧部分之间延伸的纵向中心轴线的梁一起使用的金属片，该金属片包括：第一切口部分，该切口部分被构造为铺在梁的第一部分上面，其包括：耦合以提供第一分压器输出第一量规电阻器(“第一电阻器”)和第二量规电阻器(“第二电阻器”)，第一量规电阻器和第二量规电阻器被布置为铺在梁的第一部分上面并沿着沿平行于纵向中心轴线的梁延伸的第一侧轴线延伸；以及耦合以提供第二分压器输出的第三量规电阻器(“第三电阻器”)和第四量规电阻器(“第四电阻器”)，第三量规电阻器和第四量规电阻器被布置为铺在梁的第一部分上面并沿着沿平行于纵向中心轴线的梁延伸的第二侧轴线延伸；以及第二切口部分，该第二切口部分被构造为铺在梁的第二部分上面，其包括：耦合以提供第三分压器输出的第五量规电阻器(“第五电阻器”)和第六量规电阻器(“第六电阻器”)；以及耦合以提供第四分压器输出的第七量规电阻器(“第七电阻器”)和第八量规电阻器(“第八电阻器”)，第七量规电阻器和第八量规电阻器被布置为铺在梁的第二部分上面并沿着沿平行于纵向中心轴线的梁延伸的第三侧轴线延伸；其中，第一、第二、第三和第四电阻器具有匹配电阻器类型；其中，第五和第七电阻器为应变型电阻器；其中，第六和第八电阻器为压缩型电阻器；其中，被布置为铺在梁的第一部分上面并沿第一侧轴线延伸的第一和第二电阻器以及被布置为铺在梁的第
一部分上面并沿第二侧轴线延伸的第三和第四电阻器被布置为定位在梁上，使得第一和第二分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并垂直于第一和第二侧轴线的第一力方向上施加到梁的第一力的大小；并且其中，布置为铺在梁的第二部分上面并沿第三侧轴线延伸的第五、第六、第七和第八电阻器被布置成定位在梁上，使得第三和第四分压器输出之间的电压偏移表示在垂直于纵向轴线并平行于第一和第二侧轴线的第二力方向上施加到梁的第二力的大小；其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第二侧轴线在包括纵向中心轴线的第二平面内延伸；其中，第二力方向平分第一平面和第二平面之间的第一分离角。
[0478]
示例69包括示例68所述的主题，其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸；其中，第一侧轴线在包括纵向中心轴线的第一平面内延伸。
[0479]
示例70包括力传感器，其包括：梁，其包括近侧部分和远侧部分、纵向中心轴线和沿梁表面平行于中心轴线延伸的中性轴线；包括拉伸电阻器的第一惠斯通半桥(“半桥”)；包括拉伸电阻器的第二半桥；包括压缩电阻器的第三半桥；包括压缩电阻器的第四半桥；第一及第三半桥沿第一侧轴线布置；第二和第四半桥沿第二侧轴线布置；第一和第二侧轴线在中性轴线的相对两侧上沿梁表面平行于中性轴线延伸并且与中性轴线等距。
[0480]
示例71包括识别示例70的力传感器的故障的方法，包括：向力传感器施加力；使用一组中三个半桥的四种不同组合中的每一种测量所施加的力的一对正交分量以产生四对力测量值，该组由第一半桥、第二半桥、第三半桥和第四半桥组成，每对力测量值包括所施加的力的第一力分量测量值和所施加的力的第二力分量测量值，第一力分量正交于第二力分量；比较来自每对力测量值的第一力分量测量值；比较来自每对力测量值的第二力分量测量值；响应于一对力测量值中的一个的第一力分量测量值与所述对的力测量值中的至少另一个的第一力分量测量值的不匹配，产生电子信号以报告错误；以及响应于一对力测量值中的一个的第二力分量测量值与该对力测量值中的至少另一个的第二力分量测量值的不匹配而产生电子信号以报告错误。
[0481]
本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求限制，并且应当理解，权利要求应当以与本文公开的示例的范围一致的方式广泛地解释。呈现以上描述以使本领域的任何技术人员能够创建和使用具有梁和分布式桥电路的力传感器。对于本领域技术人员来说，对示例的各种修改将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可以应用于其他示例和应用，而不脱离本发明的范围。在前面的描述中，为了解释的目的阐述了许多细节。然而，本领域的普通技术人员将认识到可以在不使用这些具体细节的情况下实施本发明。在其他情况下，众所周知的过程以框图形式示出，以免不必要的细节混淆本发明的描述。相同的附图标记可用于表示不同附图中相同或相似项目的不同视图。因此，根据本发明的示例的上述描述和附图仅是对本发明原理的说明。因此，应当理解，本领域技术人员可以对示例进行各种修改而不脱离本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。