一种压电式四维力传感器的结构优化和多维力传感器标定方法研究

论文摘要

伴随着科学技术的快速发展,多维力传感器已不再仅仅应用于传统的机器人领域,在诸如现代医学(辅助医疗手术等)、体育比赛、航空航天(风洞实验、火箭发动机安装测试等)、现代制造业(自动磨削等)、汽车等领域也逐渐得到了大量的应用。本文研究了一种采用“双层”、“晶组”式敏感元件布局结构的新型压电式四维力传感器。本文的主要研究内容为:①在分析研究多维力传感器的国内外研究现状的基础上,研究了一种新的压电式四维力传感器的结构。选取石英作为敏感元件,根据不同切型石英的特点按特定方式排列组合,设计了一种“双层”、“晶组”式的敏感元件布局,完成了该新型压电式四维力传感器的基本结构设计。②利用ANSYS有限元分析软件对该传感器的静态、模态特性进行了仿真分析,重点对维间干扰、灵敏度、力电转换效率和固有频率四个静、动态性能指标进行了研究,验证了该传感器设计的有效性和合理性。③在分析研究多维力传感器的动、静态标定方法国内外现状的基础上,初步研究了多维力传感器的标定参数和标定方法。研究了影响传感器性能的静、动态标定参数;分析了几种典型的静、动态标定方法;并针对拉压式测力静态标定法进行验证性实验。本文的研究工作对新型压电式多维力传感器的研发具有参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 多维力传感器国内外研究现状
• 1.2 多维力传感器标定现状
• 1.3 本课题研究的意义
• 1.4 课题研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 压电式四维力传感器的结构优化
• 2.1 压电理论基础
• 2.2 压电材料
• 2.2.1 压电材料的选择
• 2.2.2 石英晶体
• 2.3 压电式四维力传感器石英晶片的布局优化
• 2.3.1 已有的基于平铺式的石英晶片布局
• 2.3.2 对已有石英晶片布局的优化
• 2.3.3 石英晶片尺寸计算
• 2.4 压电式四维力传感器的结构设计
• 2.5 本章小结
• 3 压电式四维力传感器的 ANSYS 仿真与分析
• 3.1 有限元分析理论
• 3.1.1 有限元分析的基本步骤
• 3.1.2 有限元分析软件
• 3.1.3 有限元分析软件ANSYS
• 3.2 传感器有限元模型的创建
• 3.2.1 建立几何模型
• 3.2.2 指定单元属性
• 3.2.3 划分网格
• 3.2.4 定义边界条件
• 3.3 静力仿真分析
• 3.3.1 静力仿真分析过程
• 3.3.2 静力仿真分析结论
• 3.4 传感器模态分析
• 3.4.1 模态分析的方法
• 3.4.2 模态分析的过程
• 3.4.3 模态分析的结果
• 3.5 本章小结
• 4 力传感器标定方法
• 4.1 力传感器的静态标定参数
• 4.1.1 线性度
• 4.1.2 灵敏度
• 4.1.3 回程误差
• 4.1.4 重复性
• 4.1.5 分辨力、分辨率与阀值
• 4.1.6 零漂与温漂
• 4.1.7 静态误差
• 4.2 力传感器静态标定方法
• 4.3 力传感器的动态标定参数
• 4.3.1 频率响应
• 4.3.2 瞬态响应
• 4.4 力传感器动态标定方法
• 4.5 本章小结
• 5 多维力传感器静态标定的验证性实验
• 5.1 多维力传感器标定装置的整体结构
• 5.2 多维力传感器静态标定实验
• 5.3 静态标定实验结论
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文