吳 強(qiáng) 俞志偉 吉愛(ài)紅 戴振東

南京航空航天大學(xué),南京,210016

一種小型電阻應(yīng)變式三維力傳感器的仿真設(shè)計(jì)

吳 強(qiáng) 俞志偉 吉愛(ài)紅 戴振東

南京航空航天大學(xué),南京,210016

研制了一種小型電阻應(yīng)變式三維力傳感器,其彈性體由主彈性體和附加彈性體組成,主彈性體上開(kāi)有若干槽孔,電阻應(yīng)變片貼于附加彈性體上,而附加彈性體與主彈性體通過(guò)物理方式連接。采用有限元方法進(jìn)行仿真分析,將彈性體的位移變化轉(zhuǎn)變成應(yīng)變片的應(yīng)變量,利用靜力不同時(shí)應(yīng)變不同的原理分析了彈性體的解耦性能。有限元分析計(jì)算和靜力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所研制的傳感器具有較高的靈敏度,并能夠較好地消除各維間的耦合。

電阻應(yīng)變;力傳感器;仿真設(shè)計(jì);有限元法

0 引言

傳感器在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的重要作用已被人們所充分認(rèn)識(shí),無(wú)論是在工業(yè)與國(guó)防領(lǐng)域,還是在生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域,處處都離不開(kāi)傳感器的應(yīng)用[1]。多維力傳感器是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人類人化和智能化最為重要的一種傳感器,它是工程力學(xué)檢測(cè)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ),其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛[2-4]。近年來(lái),隨著半導(dǎo)體微加工技術(shù)的發(fā)展,三維力傳感器的研究在國(guó)外得到了迅速發(fā)展,基于不同工作原理的三維力傳感器紛紛推出,如壓電式[5]、壓阻式[6]等,諧振質(zhì)量塊則有單質(zhì)量塊和多質(zhì)量塊等形式[7-8]。在結(jié)構(gòu)上,三維力傳感器有懸臂梁型、雙梁型、四梁型、島型、倒T型等形式[9-11]。在實(shí)際應(yīng)用中,有很多場(chǎng)合需要小體積、高靈敏度的三維力傳感器,為此,筆者研制了一種新型應(yīng)變式三維力傳感器,該傳感器為電阻應(yīng)變式,采用了一種特殊結(jié)構(gòu)的彈性元件來(lái)實(shí)現(xiàn)三維力信息的獲取。

1 設(shè)計(jì)原理

電阻應(yīng)變片是一種能將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感元件,其轉(zhuǎn)換原理基于金屬電阻絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)。將應(yīng)變片貼在被測(cè)定物上,使其隨著被測(cè)定物的應(yīng)變一起伸縮,這樣應(yīng)變片里面的金屬箔材就隨著被測(cè)定物應(yīng)變變化而伸長(zhǎng)或縮短。應(yīng)變片就是應(yīng)用這個(gè)原理,通過(guò)測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變的理論,電阻絲電阻變化率與應(yīng)變成線性關(guān)系[1],即

式中,d R/R為電阻變化率;K為單根金屬絲的靈敏系數(shù);ε為金屬絲材料的應(yīng)變值;d L為金屬絲長(zhǎng)度伸長(zhǎng)量,m;L為金屬絲的長(zhǎng)度,m。

應(yīng)變片粘貼在受測(cè)物件上后,應(yīng)變值ε隨受載變形電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化,使應(yīng)變片完成由載荷表示的機(jī)械量變成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。受載后建立載荷與電阻變化量間的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)預(yù)先確定的載荷標(biāo)定曲線可獲得測(cè)量的載荷值。

由式(1)可以發(fā)現(xiàn),物體的應(yīng)變從幾何學(xué)角度上看表現(xiàn)為物體上兩點(diǎn)間距離的變化。因此可以將彈性元件的尺寸減小到比應(yīng)變片基底尺寸略大,通過(guò)d L的變化得到應(yīng)變?chǔ)?進(jìn)一步得到被測(cè)力。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的只有單一彈性體結(jié)構(gòu)的傳感器彈性體尺寸遠(yuǎn)大于應(yīng)變片的尺寸,在彈性體設(shè)計(jì)方面,經(jīng)常應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計(jì)原則,以確保貼片部位的應(yīng)變水平較高,并與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以提高所設(shè)計(jì)測(cè)力傳感器的測(cè)力靈敏度和測(cè)力精度。這樣當(dāng)彈性體尺寸減小時(shí),其應(yīng)力集中程度急劇下降(例如懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳感器[12]),從而使貼片部位應(yīng)變水平大幅下降導(dǎo)致傳感器失去實(shí)用意義,因此傳統(tǒng)的只有單一彈性體結(jié)構(gòu)的傳感器尺寸必然遠(yuǎn)大于應(yīng)變片尺寸,限制了傳感器的使用范圍。本文設(shè)計(jì)了一種新的彈性體結(jié)構(gòu),使彈性體尺寸減小到與應(yīng)變片尺寸為同一數(shù)量級(jí),滿足了小體積測(cè)力傳感器的使用需求。

彈性體是將外載荷(多維力)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量的部件,是整個(gè)傳感器的基礎(chǔ),因此對(duì)彈性體的結(jié)構(gòu)形式、材料、幾何尺寸(這些因素都對(duì)傳感器的精度、線性度、靈敏度和穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響)等都需要精心考慮和設(shè)計(jì)。應(yīng)變式三維力傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是其結(jié)構(gòu)應(yīng)在三個(gè)方向上對(duì)不同方向的力敏感程度不同。本文設(shè)計(jì)了一種新型的彈性體結(jié)構(gòu),該傳感器由主彈性體、附加彈性體和電阻應(yīng)變片組成,如圖1所示。主彈性體上自上而下開(kāi)有多層槽孔,上下層槽孔相位相差90°,每個(gè)槽孔貫穿長(zhǎng)方體的三個(gè)面。附加彈性體通過(guò)物理方法與傳感器主彈性體相連接,起到傳遞應(yīng)力的作用,而電阻應(yīng)變片則貼于附加彈性體上以測(cè)量相應(yīng)的應(yīng)變。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

當(dāng)主彈性體采用實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí),由于彈性體整體剛度很高,所以導(dǎo)致貼片部位應(yīng)變過(guò)小而失去實(shí)用意義。為了不增大彈性體的尺寸,必須降低彈性體的整體剛度,因此在此彈性體上加工出多層狹窄的槽孔,相鄰槽孔之間的相位差是90°,使上下層槽孔間的薄壁區(qū)成為應(yīng)力敏感區(qū)。主彈性體每個(gè)表面上加工有相同數(shù)目的槽孔,與附加彈性體配合,保持了傳感器X向和Z向性能的均衡;90°的相位差最大程度保證了不同表面的薄壁區(qū)對(duì)不同方向的力敏感,從而使傳感器在結(jié)構(gòu)上具有了多維力測(cè)量能力;槽孔自上而下的螺旋層式布置,可以保證主彈性體在受力時(shí)能夠產(chǎn)生足夠大的軸向位移,通過(guò)附加彈性體傳遞較大的應(yīng)變,實(shí)現(xiàn)Y向力的測(cè)量。由于主彈性體開(kāi)有槽孔,不利于直接粘貼應(yīng)變片,因此設(shè)計(jì)了一薄片式的附加彈性體通過(guò)物理方法與傳感器主彈性體相連接,把應(yīng)變片粘貼在附加彈性體的外表面上。附加彈性體一方面保證了應(yīng)變片的整體受力,有利于應(yīng)變片性能的充分利用,另一方面使粘貼應(yīng)變片的各個(gè)表面的剛度和強(qiáng)度盡可能一致,均衡傳感器的各向性能。此外,為了最大程度地利用主彈性體產(chǎn)生的應(yīng)變,并減小貼片位置精度對(duì)傳感器靈敏度的影響,在設(shè)計(jì)彈性體時(shí),盡可能將槽孔開(kāi)在應(yīng)變片敏感柵的尺寸范圍之內(nèi)。

該附加彈性體上設(shè)計(jì)了四個(gè)貼片位置A、B、C、D,用于粘貼金屬箔式應(yīng)變片。A貼片和C貼片用于測(cè)量X方向的力FX。在力FX的作用下,A貼片和C貼片處產(chǎn)生彎矩,貼于A表面的應(yīng)變片處于正應(yīng)力區(qū)(拉應(yīng)力),貼于C表面的應(yīng)變片處于負(fù)應(yīng)力區(qū)(壓應(yīng)力)。由于應(yīng)變片的壓阻效應(yīng),上下貼片的阻值會(huì)發(fā)生變化。阻值變化通過(guò)惠斯登電橋的放大作用,使橋路輸出電壓發(fā)生比較大的變化,通過(guò)測(cè)量電壓值變化量就可以得到相應(yīng)的力值,從而實(shí)現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)化。同樣道理,B貼片和D貼片用于測(cè)量Z方向的力FZ。在力FY作用下,四片附加彈性體都受拉力的作用,四片應(yīng)變片都處于正應(yīng)力區(qū)(拉應(yīng)力),而在X方向力或Z方向力的作用下,四片應(yīng)變片總有兩片應(yīng)變方向相反(一正一負(fù)),另兩片敏感方向與力的方向垂直,由于橫向效應(yīng)帶來(lái)的應(yīng)變微小,且理論上整片應(yīng)變片的應(yīng)變輸出能夠正負(fù)相抵,因此可認(rèn)為應(yīng)變片對(duì)Y方向的力不敏感,故可以通過(guò)惠斯登電橋的放大作用體現(xiàn)Y向力-電之間的關(guān)系。總之,通過(guò)連接在主彈性體上的四片電阻應(yīng)變片可以測(cè)量各個(gè)面上的變形,進(jìn)而求得被測(cè)力的三個(gè)分量(FX,FY,FZ)。

3 模型的有限元分析

3.1 傳感器的幾何建模

有限元分析軟件ANSYS是傳感器仿真設(shè)計(jì)中的強(qiáng)大工具,在應(yīng)變分析和固有頻率求取方面具有高度可信的仿真結(jié)果[13-15]。彈性體材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)不同,傳感器的靈敏度和固有頻率就不同。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要,筆者選用硬鋁合金為主彈性體材料,酚醛樹脂片為附加彈性體,兩者通過(guò)物理粘貼方式相連。主彈性體的尺寸為10.0mm×10.0mm×16.0mm,應(yīng)變片選用中航電測(cè)儀器廠生產(chǎn)的BE350-10A,其敏感柵尺寸為10.0mm×4.8mm,基底尺寸為13.8mm×6.6mm。

3.2 彈性體應(yīng)變計(jì)算

在有限元分析中,根據(jù)傳感器安裝固定的方式在主彈性體底面施加面約束,分別在長(zhǎng)方體頂部端面中心施加滿量程集中力載荷,受力的坐標(biāo)軸如圖1所示。

為了求得式(1)中的d L,即應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度方向上距離的變化,在ANSYS中采用位移在Y方向上的投影進(jìn)行求解,分別求出受力后應(yīng)變片敏感柵上下邊界的Y坐標(biāo),兩者相減即為d L。由于應(yīng)變片敏感柵具有一定的寬度,不同寬度處的應(yīng)變值不同,因此不能使用一條線上的d L代表整片應(yīng)變片的軸向變形。為了使求得的d L能代表整個(gè)應(yīng)變片敏感柵的變形量,我們使用平均變形量代表一片應(yīng)變片的d L。我們將敏感柵總體寬度分為20份,相當(dāng)于使用21條線的平均變形量代表一片應(yīng)變片的d L,然后根據(jù)式(1)求得應(yīng)變?chǔ)拧Ｇ骴 L的具體方法如下:首先采用ANSYS的路徑映射技術(shù)將位移結(jié)果映射到選定的路徑上(應(yīng)變片敏感柵上下邊界),每條路徑默認(rèn)分為20份,即將4.8mm均分為20份,共標(biāo)記為21點(diǎn),得到每個(gè)點(diǎn)上的坐標(biāo),然后由下式求得貼片的變形量d L:

式中,yai為應(yīng)變片敏感柵上邊界第i個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的Y坐標(biāo);ybi為應(yīng)變片敏感柵下邊界對(duì)應(yīng)上邊界第i個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的Y坐標(biāo)。

當(dāng)X方向受力時(shí),應(yīng)變片A受到壓應(yīng)力,金屬絲長(zhǎng)度變短,d L為負(fù)值;應(yīng)變片C受到拉應(yīng)力,金屬絲長(zhǎng)度變長(zhǎng),d L為正值;而應(yīng)變片B和D理論上半邊受拉,半邊受壓,對(duì)整片應(yīng)變片而言,拉壓引起的金屬絲長(zhǎng)度變化互相抵消,輸出電阻不變,d L接近零值。應(yīng)變片金屬絲長(zhǎng)度方向與彈性體高度方向一致,頂端受力,應(yīng)變片敏感柵上邊界位移遠(yuǎn)大于應(yīng)變片敏感柵下邊界位移。在ANSYS中利用路徑映射可以方便地求得4片應(yīng)變片敏感柵上邊界的位移分布,如圖2所示。同理也可求得下邊界的位移分布。由圖2可見(jiàn),X方向受力時(shí)A片和C片位移較大且分布較均勻,B片和D片位移較小且沿敏感柵中線反向?qū)ΨQ。

圖2 應(yīng)變片A、B、C、D上邊界位移分布

3.3 傳感器有限元分析結(jié)果

用上述數(shù)據(jù)處理方法,分別在X、Y、Z方向上施加大小為5N的力,可以得到各個(gè)應(yīng)變片上的輸出結(jié)果,見(jiàn)表1。

表1 四個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變量

通過(guò)結(jié)構(gòu)靜力分析可以發(fā)現(xiàn),X方向的力主要影響A應(yīng)變片和C應(yīng)變片,一片受拉,一片受壓,對(duì)B和D位置不敏感;Z方向的力主要影響B(tài)應(yīng)變片和D應(yīng)變片,一片受拉,一片受壓,對(duì)A和C位置不敏感;Y方向的力同時(shí)影響A、B、C、D應(yīng)變片,對(duì)四片應(yīng)變片均敏感,四片應(yīng)變片同時(shí)受拉或受壓。因此我們可以用A應(yīng)變片和C應(yīng)變片應(yīng)變之差作為一路信號(hào)εX,標(biāo)記為力FX;B應(yīng)變片和D應(yīng)變片應(yīng)變之差作為一路信號(hào)εZ,標(biāo)記為力FZ;A、B、C應(yīng)變片和D應(yīng)變片應(yīng)變之和作為一路信號(hào)εY,標(biāo)記為力FY。這與理論分析一致,可以設(shè)定傳感器共有三組橋路輸出。

利用ANSYS的模態(tài)分析功能,獲得該三維傳感器的前三階固有頻率分別為2512.5H z、2579.4H z、5823.4H z,其振型分別為沿 X 、Z 、Y 方向的平動(dòng)。根據(jù)其一階固有頻率的2/3來(lái)確定該傳感器的工作頻率帶寬為0～1675H z。

4 解耦分析

基于電阻應(yīng)變測(cè)量的多維力傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)最理想的情況是,彈性體結(jié)構(gòu)在貼片位置的應(yīng)變變化通過(guò)應(yīng)變片橋路的轉(zhuǎn)化后所得到的電信號(hào)只對(duì)被測(cè)力的某一個(gè)分量敏感,不受其他方向力的影響。但是傳感器的彈性體作為一個(gè)物理實(shí)體,它受到的任何方向的力都會(huì)在彈性體的各個(gè)位置有所體現(xiàn),只是表現(xiàn)程度不同而已,因此橋路的輸出信號(hào)出現(xiàn)維間數(shù)據(jù)耦合的情況是不可避免的。

維間耦合使多維傳感器的性能指標(biāo)受到明顯的影響。要消除或抑制耦合,有兩條路徑:一是設(shè)法消除其產(chǎn)生的根源,這涉及傳感器的結(jié)構(gòu)形式和制造工藝等諸多問(wèn)題,往往難以解決,同時(shí)又會(huì)增加傳感器的制造成本;二是利用標(biāo)定矩陣,采取模擬或數(shù)字信號(hào)處理方法消除維間耦合,這種方法既能降低對(duì)傳感器制造工藝的要求,又能獲取較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

由于該多維力傳感器采用了一個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)特、構(gòu)造復(fù)雜的彈性元件,通過(guò)橋路輸出搭配實(shí)現(xiàn)多維力的測(cè)量,所以在設(shè)計(jì)傳感器時(shí),要保證橋路的輸出信號(hào)能解耦,否則傳感器將無(wú)法正常工作。為了在設(shè)計(jì)階段保證傳感器具有良好的解耦性,我們使用ANSYS軟件分析彈性體是否能解耦。

從傳感器設(shè)計(jì)原理上講,若X、Y、Z三方向輸出互不影響,則橋路輸出應(yīng)變?chǔ)排c力的關(guān)系為

而實(shí)際上三維輸出并不一定是完全獨(dú)立的,而是互相影響、維間耦合的。橋路輸出應(yīng)變?chǔ)排c力的關(guān)系應(yīng)該為

其中,應(yīng)變?chǔ)艦檩敵鰬?yīng)變向量,C為解耦矩陣,F為負(fù)載力向量。解耦矩陣C可以通過(guò)標(biāo)定獲得,其元素CXY的物理意義為:在Y方向施加單位載荷力時(shí),X方向上的電壓輸出值。因此,需要輪換在X、Y、Z方向上施加一組已知的定值載荷。每次加載時(shí)都必須求出三個(gè)橋路的輸出應(yīng)變?chǔ)?。根?jù)ANSYS求出的輸出應(yīng)變?chǔ)奴@得九條傳感器橋路特性曲線(X、Y、Z方向分別加載時(shí),三組橋路輸出的應(yīng)變?chǔ)盘匦郧€),將特性曲線通過(guò)最小二乘法擬合成一條直線,將直線方程轉(zhuǎn)化為y=kx+b的形式。該直線的斜率k對(duì)應(yīng)解耦矩陣中九個(gè)系數(shù)中的一個(gè)。

對(duì)某個(gè)采用主彈性體和附加彈性體結(jié)構(gòu)的傳感器,使用有限元軟件進(jìn)行仿真分析,若在X方向分別施加一組大小不等的定值力(0、2、3、5)N,在ANSYS中可分別求出相應(yīng)的位移,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 X方向定值力下的輸出應(yīng)變

根據(jù)最小二乘法擬合成三條直線,即為FX方向輸出應(yīng)變特性曲線,三條直線的斜率分別對(duì)應(yīng) CXX 、CY X 、CZX,如圖 3所示。

圖3 FX方向標(biāo)定結(jié)果曲線

由圖3可得,CXX=443.094,CYX=131.597,CZX=11.178。同理可得FY方向和FZ方向輸出應(yīng)變特性曲線,獲得解耦矩陣的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)最小二乘法擬合直線求得解耦矩陣的系數(shù)的方法,可以獲得解耦矩陣C:

根據(jù)式(6),已知彈性體的受力可以求得橋路輸出應(yīng)變。反之,已知橋路輸出應(yīng)變也可求得施加在彈性體上的力,即

采用最小二乘法擬合直線這種做法的前提是假定彈性體在任意一個(gè)方向上受力時(shí)位移都是線性變化的,為了驗(yàn)證這一假設(shè)的正確性,下面進(jìn)行反算驗(yàn)證。

分別任取兩組數(shù)據(jù),一組FX=-1N、FY=-2N 、FZ=-4N,一組 FX=-2N 、FY=-3N 、FZ=-3.5N,一種做法是在ANSYS中分別求出兩組力下彈性體的應(yīng)變輸出,另一種做法是將兩組力分別代入式(6),求出橋路的應(yīng)變輸出。兩種做法得出的結(jié)果如表3所示。

表3 力與橋路輸出關(guān)系驗(yàn)證

比較兩種方法的結(jié)果可以看出,兩個(gè)結(jié)果極其接近,這一方面說(shuō)明線性位移的假設(shè)是正確的,另一方面也說(shuō)明了彈性體具有良好的解耦性,即可依據(jù)式(7)由測(cè)得的橋路應(yīng)變輸出求得施加在彈性體上的力。

5 傳感器靜態(tài)標(biāo)定

在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,根據(jù)力傳感器的特點(diǎn)和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件,把重力作為靜態(tài)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)量。重力具有獲取容易、數(shù)值恒定、方向性好等優(yōu)點(diǎn)。具體做法是,先逐級(jí)給傳感器輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷(砝碼),再將載荷逐級(jí)減小到零,將每個(gè)載荷下傳感器的輸出記錄下來(lái),得到傳感器的標(biāo)定曲線。圖4所示為X軸標(biāo)定曲線,縱坐標(biāo)值反應(yīng)應(yīng)變的程度,橫坐標(biāo)值是重力的大小,同理可得到其他方向的標(biāo)定曲線。由標(biāo)定結(jié)果可知,傳感器存在維間耦合,因此有必要利用標(biāo)定矩陣消除維間耦合,提高傳感器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 X軸標(biāo)定曲線

根據(jù)標(biāo)定曲線計(jì)算可知:X軸的直線度為1.1%,在Y方向和Z方向上產(chǎn)生的干擾輸出很小,最大干擾誤差小于5.5%。同理,Z軸的直線度為0.7%,在X方向和Y方向上產(chǎn)生的干擾輸出也很小,最大干擾誤差小于5.0%。而Y軸受四片應(yīng)變片的綜合影響,直線度為9.6%,在X方向和Z方向上產(chǎn)生的干擾輸出較大,最大干擾誤差小于15.2%。

6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器性能的影響

采用主彈性體和附加彈性體結(jié)構(gòu)的傳感器,影響其靈敏度和固有頻率的結(jié)構(gòu)因素主要有槽孔數(shù)量、槽孔大小、孔間薄壁的高度、附加彈性體的材料和厚度等,這些參數(shù)中的任何一個(gè)都能改變傳遞到應(yīng)變片上的應(yīng)變和傳感器的強(qiáng)度和剛度,影響傳感器的性能。

在外形尺寸參數(shù)不變的情況下(圖1),主彈性體上的槽孔橫向深度可以有不同的量值,例如6mm 、7mm 、8mm、9mm 等。在有限元中可以考察不同槽孔橫向深度對(duì)傳感器性能的影響,為了便于比較,每個(gè)方向上的力均取為5N,仿真分析結(jié)果如表4所示。

表4 槽孔深度對(duì)傳感器性能的影響

由表4可以看出,隨著槽孔橫向深度的增加,輸出應(yīng)變隨之增大,而固有頻率隨之減小,這是因?yàn)椴劭讬M向深度越大,對(duì)彈性體剛度和強(qiáng)度破環(huán)越嚴(yán)重。綜合對(duì)比各組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),X向輸出應(yīng)變和Z向輸出應(yīng)變明顯大于Y向輸出應(yīng)變,這是因?yàn)閄向和Z向具有明顯的懸臂梁特征,而Y向的懸臂梁特征不明顯,故Y向剛度明顯大于X向和Z向剛度,導(dǎo)致應(yīng)變輸出較小。

傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了傳感器的性能,因此可以通過(guò)修改結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)滿足傳感器不同量程、靈敏度以及固有頻率等性能指標(biāo)的要求。

7 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種新型的電阻應(yīng)變式傳感器,該傳感器采用主彈性體和附加彈性體的特殊結(jié)構(gòu),有效減小了傳感器的體積,結(jié)合適當(dāng)?shù)碾姌蚪M橋方式實(shí)現(xiàn)了三維力的測(cè)量。

(2)采用有限元仿真解耦分析法,能準(zhǔn)確判斷復(fù)雜結(jié)構(gòu)傳感器的解耦性。但是需要注意的是,有限元仿真解耦分析法得到的解耦矩陣不能代替?zhèn)鞲衅鞯撵o態(tài)標(biāo)定矩陣,實(shí)際傳感器由于其制造誤差、貼片誤差及電路等的影響,其靜態(tài)標(biāo)定矩陣不同于耦合分析中的解耦矩陣C。

(3)提出的新的彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法能在同樣的測(cè)量條件下提高傳感器的靈敏度,同時(shí)還可以按照測(cè)量需要修改彈性元件參數(shù),方便地改變傳感器的靈敏度?？梢赃x擇傳感器各軸向靈敏度及其一致性和固有頻率等設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化,進(jìn)一步提高傳感器性能,滿足不同的使用要求。

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Development of a Miniature Resistance Strain Three Dimensional Force Sensor

Wu Qiang Yu Zhiw ei Ji Aihong Dai Zhendong
Nan jing University of Aeronautics and A stronautics,Nanjing,210016

The paper developed aminiature three dim ensions force sensor of resistance strain type.It used strain gauge as sensing element for the detection o f force.The elastomers were composed with central and additional elastomers.Central elastomer having some cutting slots w as joined physically with additionalelastomer adhering to resistance strain.The displacement variables ofelastomerswere translated into dependent variable of strain type.Itwas analyzed based on different decoupling capabilities of the elastomers under different static forces by ANSYS simulator.Experimental resultshave indicated three dimensional force sensor has desirable sensitivity and can remove coup ling in different dimensions.

resistance strain;force sensor;simulation design;finite elementmethod

TP212.12

1004—132X(2011)11—1288—06

2010—06—28

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2007ZA 04Z201);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20100471339);南京航空航天大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)科研項(xiàng)目(NS2010223);南京航空航天大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(S0913-GXY)

(編輯 王艷麗)

吳 強(qiáng),男,1984年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)槎嗑S測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)及力學(xué)測(cè)試、生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)。俞志偉,男,1980年生。南京航空航天大學(xué)高新技術(shù)研究院講師。吉愛(ài)紅,男,1973年生。南京航空航天大學(xué)高新技術(shù)研究院副教授。戴振東,男,1962年生。南京航空航天大學(xué)高新技術(shù)研究院教授。