于春战[1]2012年在《基于Stewart平台的六维加速度传感器研究》文中认为类人机器人灵巧手在抓取物体的过程中,手抓的惯性力会影响抓取的鲁棒性,惯性导航系统中需要测量空间加速度经过积分计算获得载体的位置和姿态,武器制导、汽车碰撞、医学和体育等领域也都对六维加速度传感器有着迫切的需求。但是沿x、y、z正交分解布置敏感元件的传统方法很难构造能同时测量叁维线加速度和叁维角加速度的弹性元件结构,并联机构的发展和Stewart平台的结构特点为该课题的研究提供了新的思路。论文中采用基于Stewart平台的柔性并联机构作为弹性元件对六维加速度传感器从基础理论、关键技术、标定和实验等方面进行研究,解决并联机构刚度大导致传感器信噪比低不能用于小量程传感器弹性元件、传感器弹性元件理论简化模型实体化后带来的结构误差影响传感器测量精度等关键科学问题,为六维加速度传感器的研究提供理论依据和实验指导。主要研究了以下内容：(1)在定义了六维加速度传感器系统静态模型的基础上,应用空间模型理论建立了传感器的静态数学模型,推导了无量纲尺寸参数的叁维空间和二维平面的模型转换方程,依据矢量积法和并联机构理论推导了同机构尺寸参数相关的加速度雅可比矩阵。(2)提出把影响传感器测量精度的基本特性误差和影响误差与传感器的加速度雅可比矩阵和弹性连接杆的输出应变矩阵相关联,全面研究误差对传感器测量精度的影响规律。分析了影响传感器信噪比的因素,全面定义了传感器的静态特性和动态特性性能指标,尤其是传感器的各向同性和灵敏度特性性能指标。(3)基于各向同性和灵敏度特性性能指标的定义,绘制了各性能指标同理论模型参数之间关系的性能图谱,通过建立各性能指标的单目标和多目标优化函数对理论模型参数进行了尺寸优化研究,并将优化结果与其它优化方法的结果进行了全面对比。(4)针对弹性元件理论简化模型实体化后带来的结构误差对传感器测量精度的影响问题和目前柔性并联机构建模方法存在的局限性,提出应用有限元法研究了弹性元件实体化模型参数的刚度对传感器测量精度和动态特性的影响问题,鉴于刚度对二者的影响存在矛盾,提出应用正交试验和极差分析法对实体化模型参数的尺寸进行了优化研究。(5)针对并联机构刚度大导致传感器信噪比低影响传感器测量精度的问题,提出了应用应力集中系数法研究弹性元件结构的研究方法,定义了适合弹性元件结构研究的应力集中系数,应用穆斯海里什维里算法研究了引入应力集中的弹性连接杆结构的数学模型。在应力集中系数法研究的基础上,提出了一种双悬臂梁S型的弹性连接杆结构,建立了其受力情况的力学模型,并应用有限元法对其力学模型进行了分析。(6)从理论上分析了基于Stewart平台的六维加速度传感器耦合误差产生的原因,并对解耦的方法进行了研究。基于论文中提出的理论设计、加工了传感器弹性元件,搭建了传感器的测量系统进行标定试验和测量精度验证,并对六维加速度传感器的动态特性进行了研究。
崔可可[2]2016年在《传感器弹性元件结构优化设计》文中指出弹性元件作为传感器的核心部件,其尺寸设计的合理与否关系到传感器性能的好坏,传统弹性元件设计是采用力学原理与实际经验相结合的方法,其过程繁琐、效率低、精度低。随着计算机辅助技术的快速发展,弹性元件的设计方法也更加多样化。本论文基于ANSYS软件实现对传感器弹性元件尺寸优化设计,实现提高生产效率和称重精度的要求。论文首先分析对弹性元件精度影响较大的尺寸,依据经验给定尺寸初始值及优化空间,其次建立弹性元件的力学模型、参数化模型、数学模型以及对尺寸空间的探讨,并用ANSYS参数化设计语言编制分析和控制文件,求取最优解。最后比较修正尺寸前后的弹性元件的灵敏度、线性度有很大的提高。结论表明:用ANSYS尺寸优化的方法对弹性元件尺寸优化,方法是可行的,并可将此方法推广到各类弹性元件尺寸优化中。论文具体研究内容如下:1).根据弹性元件加载受力特点,对传感器弹性元件进行受力分析并简化建立力学模型;2).从弹性元件结构改变对目标函数影响程度,分析、建立弹性元件参数化模型;3).以弹性元件输入输出一一对应关系为前提,并在保证弹性元件强度要求、合理结构尺寸范围、好的线性度要求的前提下建立以灵敏度为目标函数的数学模型;4).不同优化算法对弹性元件影响的分析,并用ANSYS一阶优化方法对弹性元件尺寸进行优化,求取最优解;5).用ANSYS软件对优化前后弹性元件线性度分析,比较优化前后弹性元件线性度变化。
张铁[3]2007年在《叁向压电式车削测力仪的性能研究与结构设计》文中指出随着切削加工向高速、高精度、高度自动化方向发展，对切削过程的监控技术也提出了越来越高的要求，而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并不具备加工过程的监控功能。为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能，确保加工质量，提高生产效率，对刀具加工过程进行状态监测与控制就越来越重要。大量的研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反映出来，检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监测方法之一，但这些方法在使用时或多或少的要改变机床的原有部件，影响机床的系统特性，特别是对高精度数控机床影响更大。然而，切削力的准确测量依赖于测力仪本身的性能。本文基于YDC-Ⅲ89压电式动态车削测力仪在测试过程中失真信号的监测与分析，采用有限元法对测力仪结构进行了热结构分析，得出其在切削热作用下该测力仪的温度场分布及应力场分布，同时采用模拟实验的方法对有限元分析结果进行了验证。从而得出测力仪在动态测试时，切削热对其性能的影响规律。两种方法均证明了切削热是压电车削测力仪动态测试信号失真的主要原因。为了消除切削热对测力仪工作状态的影响，本文分别从压电原理应用和预紧方式两方面对测力仪结构进行了设计。从压电原理应用角度考虑，设计了一种双弹性环结构，并对该测力仪结构中的关键尺寸进行了有限元优化；从预紧方式考虑，在对压电式铣削测力仪的研究基础上，成功研制了一种新型的分体式测力仪，该结构的突出特点是：测力仪主要由刀头、传感器、刀杆等几本分组成，便于拆装。并可大大减少切削热对测力仪性能的影响。最后，对分体式测力仪进行了静态、动态标定实验以及切削实验，实验结果表明该车削测力传感器大大改进了测力仪的性能，完全可以用于实际测量，传感器的技术指标全面达到CIRP-STCC规定的测力仪标准。
王建[4]2013年在《电容称重传感器抗偏载性能分析与优化的研究》文中研究指明电容称重传感器是将被测载荷的变化转换为电容量变化的传感器件。由于其灵敏度高、能耗低、结构简单、适应性强等优点而越来越被人们所重视，得到了广泛的应用。然而电容称重传感器在工作过程中，尤其是在高精密微力测量系统的应用中，存在着一些显着缺点，如线性度较差。输入输出特性曲线所呈现的高度非线性，使得传感器在测量过程中极易受到非线性特性的干扰，从而导致测量准确度降低。此外，工作过程中偏心载荷的存在，也会对精密电容称重传感器的测量结果造成很大的误差。现代测试系统对电容称重传感器的线性度和精确度提出了更好的要求，因此为了降低工作过程中的非线性误差和偏载所造成的测量误差，需要对电容称重传感器的弹性元件进行结构优化以提高其线性度和抗偏载能力。基于此背景，本文对这两方面做了深入的研究。主要内容如下：(1)详细描述了电容称重传感器的工作原理，并对灵敏度、线性度、分辨力和分辨率等静态技术指标，以及偏载对电容称重传感器的影响机理进行了分析，为后面的解析计算和结构优化做了理论铺垫。(2)建立了电容称重传感器的灵敏度、线性度与弹性元件导向性能之间的关系式，以及导向性能、抗弯性能、抗扭性能与弹性元件结构参数之间的关系式。以200g量程、0.001g精度的电容称重传感器维护研究对象，研究分析了弹性元件的各性能随结构参数的变化规律。(3)在ABAQUS中对弹性元件进行有限元分析，验证了解析计算结果的正确性，在此基础上，建立了以弹性元件的导向性能、抗弯性能和抗扭性能为目标函数和约束条件的多目标优化的数学模型，应用ISIGHT中集成的NSGA-II算法对多目标优化的数学模型加以实现，得到Pareto最优解集，并在ABAQUS中对优化方法和结果进行有限元的仿真验证。
陈雨[5]2008年在《微型压力传感器芯片的力学性能分析与研究》文中研究说明传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志,是构成现代信息产业的叁大支柱之一。在各种传感器中,硅压力传感器是应用最为广泛的一种,主要包括压阻式、电容式和谐振式叁种类型。目前应用最广泛的是压阻式,其中主要是扩散硅压力传感器,其扩散电阻与硅衬底之间是PN结隔离,但当工作温度超过120℃时,PN结漏电加剧,使传感器特性严重恶化以至失效。随着MEMS中新工艺和新材料的出现,压力传感器向微型化和低量程发展,必须进一步提高传感器的灵敏度,在不增加压力和芯片面积的情况下增加电阻上受到的应力,即使硅膜应力集中在电阻上。通常的做法是减小硅膜的厚度。但这样做一方面难以在工艺上控制薄膜的厚度,增大不均匀性;另外,当膜厚度小时,硅膜弯曲属于大挠度的非线性弯曲,导致传感器的非线性急剧增加,从而降低了测量精度,为了同时获得较高灵敏度和较好的线性度,必须对硅膜结构加以改进,代替原来的PN结,提高耐高温性能和稳定性。本文开展微型压力传感器芯片的力学性能分析与研究,为微型高温压力传感器的研究与开发提供理论依据。首先,运用材料力学、弹性力学和板壳理论,分析对比了C型平膜、E型膜和双岛膜叁种应变膜结构的应力分布,为下一步的计算机模拟分析和力敏电阻在应变膜上的布置提供理论依据。其次,用有限元分析方法并借助ANSYS仿真软件,对上述叁种应变膜进行了计算机模拟,探讨了应变膜表面应力分布、应力模型简化的合理性、应变膜尺寸参数对应力分布,温度对应变膜温度场分布和热应力分布的影响。接着,研究如何用ANSYS软件实现芯片的结构优化,建立了双岛型应变膜结构的简化力学模型、优化参数和数学模型、优化分析和控制文件。在设计空间内获得最优结果及其输出输入关系,设计变量和目标函数的变化关系。并设计了传感器上力敏电阻的分布、尺寸及其阻值大小和传感器的制作工艺流程。最后,运用ANSYS软件分别从模态分析、谐响应分析、瞬态结构动力学叁个方面对传感器芯片的动态特性进行了研究,得出其动态响应特性。
刘齐茂[6]2003年在《传感器弹性元件的结构优化设计》文中认为论文提出用ANSYS软件对传感器的弹性元件结构进行优化的方法，研究了如何用ANSYS软件实现弹性元件的结构优化，以应变计式引伸计弹性元件的结构优化为例，建立了应变计式引伸计弹性元件的力学模型、优化参数模型，优化数学模型和对设计空间的探讨，用ANSYS的参数化设计语言编制了分析文件和优化控制文件，经计算获得最优结果。优化结果表明该方法对传感器的弹性元件结构起到很好的优化效果，该方法可广泛应用于传感器弹性元件的优化设计工程。并用ANSYS对最优设计的输出输入关系及设计变量和目标函数的关系进行了数值模拟。
李映君[7]2010年在《新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究》文中提出巨型重载制造装备是制造产业链中的基础装备,国家极端制造能力和制造水平的体现,国民经济和国防安全的重要保障,是核电、造船、化工、国防等领域大型构件精确高效制造中必备的关键设备,其工作过程中,所受载荷通常可达100kN至100MN量级,具有多维特征。对六维力测量以及实时力反馈是实现装备协调操作控制、力顺应控制的基础,也是规划和调整锻造工艺的重要依据。现有大力传感器仅可测量一维大力载荷,六维力传感器的测量范围远不能满足大力值的测量需求。本文在国家重点基础研究发展计划(973项目)(2006CB705406)的资助下,主要研究大承载力条件下六维力的测量。具体工作如下：1.提出了基于压电效应的多点支撑式六维力测量方法,建立了支撑点数与被测六维力的映射关系,并构建了多点支撑式六维力传感器构型库及其相对应的解耦算法。根据巨型重载操作装备机械手臂对空间六维大力动态测量的要求,规划出传感器安装位置,选择压电石英为力敏元件,推导出支撑点数与空间六维力的关系。利用有限元软件ANSYS对基于四点支撑式结构的力敏元件空间布局进行加载分析,并通过试验获得了力敏元件不同空间布局对轴上六维力传感器测量性能的影响关系,试验结果与理论分析和有限元分析相吻合,基于四点支撑式结构的力敏元件正方形布局更适合用于轴上六维力的测量。2.研究了基于并联机构原理的六维大力值测量的方法。根据并联分流的原理,提出了利用四点支撑式结构及大力承载轴刚性并联来实现并联多维分载测量新方法,将六维大力的极小部分载荷分载到六维力传感器,并根据六维大力与分载力的映射关系,实现六维大力测量。对轴向力、横向力、弯矩和扭矩等各个方向的分载进行了分析和计算,得到了影响分载分载的各个主要参数。利用有限元软件并联分载原理进行仿真分析并进行了分载试验,验证并联分载测量原理的可行性和有效性。3.提出一种高刚度、高线性度、强解耦非组装整体化的四点支撑压电式六维大力传感器新的结构形式。研究了该结构传感器的预紧方案,分析了预紧力对传感器测量的影响。利用有限元软件对传感器的结构进行了静、动态分析,结果表明施加载荷与输出载荷成线性关系。以量程为主要约束,以提高灵敏度和分载效果为主要目标,采用单因素的方法对结构参数进行优化,确定了传感器的主要参数。研究传感器的动态响应特性,建立传感器结构与动态特性的映射关系。有限元分析表明,施加载荷与输出载荷之间成线性关系,可以实现大力值测量；该结构传感器固有频率高,动态响应好,可以实现六维力动态测量。4.研究了并联式轴用压电六维大力传感器的静态性能标定方法,设计了一种新型的六维大力传感器标定装置。建立了六维大力传感器的测量平台,研究了针对轴用并联压电式六维大力传感器的静态标定矩阵的解法和标定方法。针对传感器的测量要求和实际安装条件,提出了一种基于胀紧原理的面摩擦紧固技术,并提出了基于该技术的六维大力传感器与轴紧固装置,解决了六维大力传感器轴上固定和力传递问题。5.对并联式轴用压电六维大力传感器进行静、动态标定实验。通过静态标定实验得出该传感器的标定矩阵C,并由标定矩阵来耦合出传感器的6路信号,对影响传感器输出性能的因素进行了误差分析,得到该传感器的各向力输出性能。研究并设计了动态标定实验。实验数据表明,该结构六维力传感器非线性误差和重复性误差均小于1%,向间干扰误差小于5%。轴用并联压电式六维力传感器各个方向第一阶固有频率值均超过2000Hz,均超过要求的1000Hz,满足巨型操作机的动态测量要求。本文研究内容对压电力敏元件在六维大力测量技术上的发展具有参考价值,可广泛应用于极端环境下多维时变大载荷的实时精确测量,可为提高大型构件的制造精度、生产效率和材料利用率,规划和调整加工工艺提供重要的技术保障,对提升我国重载制造装备的高精度、高效、节能制造能力和水平具有重要的工程实用价值。
赵艳平[8]2007年在《压力传感器弹性元件的力学性能分析与研究》文中研究说明传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，它与通信技术、计算机技术构成现代信息产业的叁大支柱。在各种传感器中，硅压力传感器是应用最为广泛的一种。但目前使用的硅压力传感器主要是扩散硅压力传感器，其应变电桥采用P型扩散电阻，而应变膜是N型硅衬底，两者之间是自然的PN结隔离，当工作温度超过120℃时，应变电阻与衬底间的PN结漏电加剧，使传感器特性严重恶化以至失效，因而不能在较高温度环境下进行压力测量，而石油、汽车、航天等领域的使用要求，使耐高温压力传感器的研究成为必然。采用SIMOX(separation by implanted oxygen)技术制作的二氧化硅介质隔离的SOl(silicon on insulator)力敏元件，取消了PN结，使压力传感器的耐高温、隔离性能得到了提高。研究耐高温微型压力传感器应变膜表面应力分布是本文的核心，围绕这一核心，本文首先用弹性力学和板壳理论分析耐高温微型压力传感器应变膜的应力分布，为力敏电阻在应变膜上的布置提供理论依据；其次用有限元分析方法和借助ANSYS仿真软件，对耐高温微型压力传感器应变膜进行了一系列的分析和计算机模拟，探讨了应变膜表面应力分布、应力模型简化的合理性和应变膜尺寸对应力差分布的影响，得到了直观可靠的结果；然后研究了如何用ANSYS软件实现弹性元件的结构优化，建立了耐高温微型压力传感器弹性元件的力学模型、优化参数模型、优化数学模型，并且对设计空间进行了探讨，用ANSYS的参数化设计语言编制了分析文件和优化控制文件，经计算获得最优结果，优化结果表明该方法对传感器的弹性元件结构起到了很好的优化效果；并用ANSYS对最优设计的输出输入关系及设计变量和目标函数的关系进行了数值模拟；最后运用ANSYS软件从模态分析、谐响应分析、瞬态结构动力学叁个方面对传感器弹性元件的动态特性进行了研究，得出传感器弹性元件有良好的动态响应特性。论文的主要创新点如下：一、用数值计算的方法证明了单层膜近似模型在一般工程应用中的合理性；二、对应变膜进行了深入的模拟分析：包括应变膜长宽比和厚度对耐高温压力传感器理沦输出的影响；叁、利用ANSYS软件实现应变膜的优化，提高了传感器的灵敏度；四、采用MEMS专用软件IntelliSuite中的AnsiE模拟了硅杯的各向异性腐蚀，验证了设计方案的可行性。五、对传感器弹性元件进行动态特性分析，得出传感器弹性元件有良好的动态响应特性。
虞永超, 孙宝元[9]1995年在《轮辐式叁维加速度传感器弹性元件优化设计》文中研究指明介绍了一种新型非径向叁梁轮辐式叁维加速度传感器的弹性元件及其结构优化设计方法。叁梁结构可提高传感器的灵敏度、标定精度，改善了径向效应。运用多变量多目标优化方法及复合形法，在保证灵敏度和固有频率这两项主要性能指标的前提下对弹性元件进行结构优化，得到应变梁截面的最佳尺寸。
吴丹[10]2012年在《基于正负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究》文中研究说明传感技术作为现代信息产业的叁大支柱之一,影响和制约着信息技术的发展,同时对工程性建设和农牧业研究领域有重要意义。压力传感技术作为起源较早、发展较成熟的一项技术,目前已有繁多的传感器种类适用于不同的压力测量,如气压、液压和固体压力。这些压力传感器常被使用在大坝、桥梁、铁路等工程性建设和农牧业的研究中,能够探测和实时监控,为其安全性、长期稳定等等性能提供了保障。从探测的多功能性出发,本文提出一种能够兼测正、负孔隙水压力的传感技术,为特殊性土体的孔隙水压力的监测提供了新的解决方法。基于某一实验室模型样土测量样本,对孔隙水压测量装置进行设计。孔隙水压测量装置充分利用普通渗压计中液体传递压力的原理,结合电阻式应变传感器的工作原理,将正、负压力转化为传压液体对传感器弹性元件的压力和吸力,使孔隙水压传感器能够通过弹性元件的双向变形输出压力值,从而实现其正、负压力测量的功能。同时,面对较小的测量范围,传感器弹性元件的设计需要保证传感器一定的灵敏度要求。根据孔隙水压测量装置的工作原理,对其进行具体的结构设计并确定弹性元件等核心元件的结构尺寸。利用(?)NSYS软件对传感器的弹性元件的简化模型和叁维实体模型分别作有限元分析,通过仿真结果和理论值的比较分析,验证理论设计值的合理性。对所需要粘贴的应变计作相关的工艺分析,使应变计的粘贴最大限度地提高传感器的性能和降低不确定性因素的影响。最后对传感器的标定实验结果进行处理和分析,通过静态特性的计算值进一步验证传感器设计的合理性。
参考文献：
[1]. 基于Stewart平台的六维加速度传感器研究[D]. 于春战. 北京邮电大学. 2012
[2]. 传感器弹性元件结构优化设计[D]. 崔可可. 陕西理工学院. 2016
[3]. 叁向压电式车削测力仪的性能研究与结构设计[D]. 张铁. 大连理工大学. 2007
[4]. 电容称重传感器抗偏载性能分析与优化的研究[D]. 王建. 天津大学. 2013
[5]. 微型压力传感器芯片的力学性能分析与研究[D]. 陈雨. 江苏大学. 2008
[6]. 传感器弹性元件的结构优化设计[D]. 刘齐茂. 东南大学. 2003
[7]. 新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究[D]. 李映君. 大连理工大学. 2010
[8]. 压力传感器弹性元件的力学性能分析与研究[D]. 赵艳平. 江苏大学. 2007
[9]. 轮辐式叁维加速度传感器弹性元件优化设计[J]. 虞永超, 孙宝元. 大连理工大学学报. 1995
[10]. 基于正负压力测量的孔隙水压传感器设计与研究[D]. 吴丹. 南京理工大学. 2012
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