压电式三维力传感器与多维力传感器标定装置关键技术研究

论文摘要

多维力传感器是实现机器人类人化和智能化最为重要的一种传感器,它是工程力学检测和机器人运动控制的基础。随着机器人技术的发展,多维力传感器的应用范围已经越来越广泛,如:机器人、制造业、医学、体育比赛、航空航天等。本文研究和设计了平板式压电三维力传感器,给出了传感器的结构,工艺,数学模型,综合运用计算分析与仿真分析对传感器特性进行分析;设计了多维力传感器的标定装置。本文主要完成了以下几方面工作:①分析研究多维力传感器与传感器静动态标定的国内外发展概况,②选用石英作为压电敏感元件,完成了平板式压电三维力传感器的结构设计。并对该传感器的数学模型进行详细的推导与分析,结果表明该平板式压电多维力传感器具有结构简单、加工制作容易、体积小、灵敏度高、固有频率高、受温度影响小、极间干扰小、能有效抑制系统误差和随机误差等优点。③运用有限元分析软件ANSYS对平板式压电三维力传感器的设计模型进行了仿真分析,研究传感器的静态、模态性能指标:灵敏度、维间干扰、转换效率、固有频率,验证了传感器设计的合理性。④对传感器的计算分析与仿真分析做了对比研究,对计算分析采用修正系数的方法弥补了在计算分析过程中对传感器模型简化产生的误差。⑤通过对常用力传感器的标定设备的研究分析,依据砝码标定装置的原理,设计了具有通用性的多维力传感器的静态、动态两用砝码式标定装置。本文的研究工作为平板式压电三维力传感器的研制提供了重要理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 多维力传感器国内外研究现状
• 1.2 力传感器标定现状
• 1.3 本文研究的意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 压电式三维力传感器结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 压电式三维力传感器的设计要求
• 2.3 压电理论
• 2.3.1 压电效应
• 2.3.2 压电材料
• 2.4 压电式三维力传感器结构设计
• 2.4.1 石英晶体切型选择
• 2.4.2 石英晶组布局
• 2.4.3 石英晶片尺寸计算
• 2.4.4 传感器晶盒设计
• 2.5 本章小结
• 3 传感器特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 传感器受力分析
• 3.3 传感器静力学模型
• 3.4 传感器动力学模型
• 3.5 传感器弹性体等效刚度和等效质量的算法
• 3.5.1 当传感器受到z 向载荷情况
• 3.5.2 传感器受x 向载荷或者y 向载荷时的情况
• 3.6 算例
• 3.7 各结构参数对传感器特性的影响
• 3.7.1 基座对传感器特性的影响
• 3.7.2 内壁内径对传感器特性的影响
• 3.7.3 内壁外径对传感器特性的影响
• 3.7.4 内环弹性膜厚度对传感器特性的影响
• 3.7.5 上盖受载荷部分厚度对传感器特性的影响
• 3.7.6 外壁外径对传感器特性的影响
• 3.7.7 外环弹性膜厚度对传感器特性的影响
• 3.7.8 外环弹性膜外径对传感器特性的影响
• 3.7.9 主体厚度对传感器特性的影响
• 3.8 本章小结
• 4 压电式三维力传感器的ANSYS 仿真
• 4.1 有限元分析方法法简介
• 4.1.1 有限元法的基本思想
• 4.1.2 有限元法的基本要素
• 4.1.3 有限元法分析的基本步骤
• 4.1.4 现代有限元分析软件及其特点
• 4.1.5 有限元软件ANSYS 的简介
• 4.2 传感器有限元模型的建立
• 4.2.1 几何模型的建立
• 4.2.2 有限元模型的建立
• 4.3 传感器静力分析
• 4.3.1 静力分析的目的
• 4.3.2 静力分析的过程
• 4.3.3 静力分析的结论
• 4.4 模态分析
• 4.4.1 模态分析的方法
• 4.4.2 模态分析的过程
• 4.4.3 模态分析的结果
• 4.5 对比分析
• 4.6 本章小结
• 5 力传感器标定原理
• 5.1 引言
• 5.2 力传感器静态特性
• 5.2.1 灵敏度
• 5.2.2 线性度
• 5.2.3 回程误差
• 5.2.4 重复性
• 5.2.5 分辨力、分辨率、阈值
• 5.2.6 零漂
• 5.2.7 温漂
• 5.2.8 测量范围
• 5.2.9 静态误差
• 5.3 力传感器静态标定装置
• 5.3.1 测力砝码
• 5.3.2 拉压式（环形）测力计
• 5.4 力传感器动态特性
• 5.4.1 频率响应
• 5.4.2 瞬态响应
• 5.5 力传感器动态标定常用装置
• 5.5.1 冲击响应法
• 5.5.2 阶跃响应法
• 5.5.3 频率响应法
• 5.6 本章小结
• 6 多维力传感器标定装置设计
• 6.1 引言
• 6.2 设计目标
• 6.3 标定信号源的选择
• 6.4 标定装置结构
• 6.4.1 标定装置整体结构
• 6.4.2 传感器定位台的作用
• 6.4.3 载荷定位台的作用
• 6.4.4 传感器定位台、载荷定位台的设计制作要求
• 6.5 各向载荷的施加
• 6.6 本章小结
• 7 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录