基于结构解耦的新型电容式力矩传感器设计

为解决力矩传感器中由于倾覆力矩、轴向力和径向力等所造成的力耦合效应和测量误差问题,基于结构解耦原理设计了一种新型电容式力矩传感器。该新型电容式力矩传感器利用内置十字交叉滚子轴承实现结构解耦,从而消除力耦合效应对测量准确性的影响。测量部分采用垂直极板电容效应原理,并以双差动的测量方式提高传感器的灵敏度和稳定性。以商用转矩转速传感器作为标准力矩仪对此新型电容式力矩传感器进行标定,并进行解耦验证实验。标定和实验结果表明,该新型电容式力矩传感器的线性度为1.04%、分辨率0.05 N·m、最大测量误差约为2.07%,所设计的传感器能够有效降低力耦合效应的影响,具备结构解耦、高灵敏度和高准确性等特点。     

并联式轴用压电六维力/力矩传感器

针对巨型重载操作装备极端制造中多维大载荷测量的难题,提出一种利用压电石英作为力敏元件的新型并联式轴用压电六维力/力矩传感器。对比各种力敏元件的性能,选择压电石英作为力敏元件可以实现空间力/力矩的动态测量,分析压电石英晶组不同空间布局方式的测量原理,提出并联式轴用压电六维力/力矩传感器的多点测量原理,分别对其建立空间力学模型,并进行解耦计算。设计出高灵敏度、高刚度、高线性度的非组装整体化六维力/力矩传感器新结构。研究并联式轴用压电六维力/力矩传感器的标定方法,并进行静态和动态标定试验,得到六维力/力矩传感器的标定矩阵和误差矩阵。试验表明,该六维力/力矩传感器可以动态测量空间六维力/力矩,具有量程大、线性好、固有频率高、动态性能好和应用场合多等优点。     

基于光纤布拉格光栅的二维力传感器设计及实验研究

针对目前多维力传感器难以同时兼顾电磁干扰、接线复杂、维间耦合较大及灵敏度较低的问题,设计了一种基于光纤布拉格光栅的二维力传感器。首先,基于光纤布拉格光栅传感理论和简支梁弯曲变形理论,设计了十字横梁结构的传感器弹性体,并揭示光纤光栅传感器波长漂移量与力的映射关系;其次,采用有限元分析方法研究弹性体的应变分布特性,确定光纤布拉格光栅最佳封装位置;最后,搭建了实验标定平台,对传感器的灵敏度、线性度、维间耦合误差以及重复性误差进行实验研究。实验结果表明,该传感器x、y方向的波长灵敏度分别约为7.464、7.520 pm/N,线性度分别约为3%、2%,维间耦合误差分别约为1.01%、0.218%,重复性误差分别约为4.898%、5.828%。该传感器可应用于机器人腕部二维力测量,对提高机器人关节的高精度控制反馈具有重要意义。     

抗过载压电式工业装备振动监控MEMS加速度计的仿真分析与设计

针对工业装备振动监控对测振传感器的实际需要,设计了一种具有全方位抗过载结构的压电式加速度计,通过MATLAB对本征频率与灵敏度进行理论分析并做出结构参数优化设计,同时通过有限元分析软件ANSYS对所设计的传感器结构进行三维建模,添加力-电多物理场耦合等载荷进行静力、模态及动力等仿真分析,验证设计可行性,进一步确定结构参数,得出该结构压电式加速度计的本征频率、灵敏度及线性度仿真结果分别为29.8 kHz、0.2 m V/g和0.11%。     

平板式压电六维力传感器静态性能研究

针对弹性体式六维力传感器存在的瓶颈矛盾,提出一种非弹性体式平板式压电六维力传感器。目前研究这类六维力传感器的静态性能主要是试验标定法和数字仿真法,这两种方法无法找到传感器结构参数与传感器性能之间的数学关系,也就无法全面实现基于静态特性的结构参数设计。从研究这类传感器的灵敏度特性出发,分析传感器的测量原理,推导传感器的等效结构模型;提出基于灵敏度特性的静态数学解析模型,建立这类传感器的数值模型;结合传感器的数学解析模型和数值模型研制传感器试验原型并开展静态标定试验,测试灵敏度、各向同性度、维间耦合、线性度、重复性等静态特性参数。试验结果证明:平板式压电六维力传感器工作原理正确,解析数学模型和数字模型有效,研究结论为全面设计和研究这类多维力传感器的静态特性奠定了基础。     

基于光纤光栅的轮胎-路面三向力测量传感器设计

为实现轮胎-路面接触三向力的精确测量,以光纤光栅为敏感元件,设计出一种新的三向力测量传感器。传感器弹性体由3部分组成,通过在弹性体上粘贴3根波长不同的光纤光栅实现三向力的测量。运用SolidWorks simulation对这种三向力传感器进行了有限元分析和3个方向的受力验证实验。结果表明,在实验条件下这种传感器测量线性度达到99. 85%以上,F_x、F_y、F_z方向的载荷响应灵敏度为:12. 818、13. 131、5. 281 pm/N,最小精度为:0. 156、0. 152、0. 379 N,量程:F_x/F_y方向为-8～8 N,F_z方向为0～40 N,满足实际测量的需求。     

过约束平面并联三维力/力矩传感器的研制

针对轴承的故障早期诊断和在线实时监测,提出了一种新型过约束平面并联三维力/力矩传感器。通过采用分支轴线均不过传感器中心的6条对称分布的测力分支,该传感器可同时测量轴承径向载荷和轴向力矩。根据静力学平衡方程,求解了其测量数学模型;基于传感器测量模型与性能指标分析了传感器性能,进而对其各结构参数进行优化设计。研制了传感器样机及其加载标定实验系统,开展了加载标定实验,得到了该传感器的测量精度。标定实验结果显示:传感器径向力测量精度为2.56%,力矩测量精度为0.92%,Ⅰ类误差为2.56%,最大Ⅱ类误差为2.29%。文中所做工作,为将该新型过约束平面并联三维力/力矩传感器应用于在线实时测量轴承径向载荷和轴向摩擦力矩奠定了基础。     

基于神经网络的多维力传感器静态解耦的研究

提出了基于人工神经网络进行多维力传感器静态解耦的方法。维间耦合是制约多维力传感器测量精度的主要因素，为克服传统线性解耦方法的局限性，利用BP神经网络的强非线性逼近能力研究了多维力传感器的非线性静态解耦。以研制的微型5维指尖力／力矩传感器为对象进行了解耦实验，结果表明，与基于最小二乘的线性解耦方法相比，提高了解耦精度。     

新型并联式六维力传感器及静态性能分析

针对传统并联式六维力传感在分支布局和测量性能上的不足,提出一种分支水平和竖直布置的新型并联式六维力传感器,并对六维力传感器静态性能进行研究。首先介绍了新型并联式六维力传感器的结构特点和测量原理,建立了该传感器的数学模型,基于螺旋理论推导出传感器所施加外力与测量分支轴向力之间的映射关系。推导出六维力传感器线性度和重复性指标,用于评价六维力传感器的静态性能。最后利用传感器样机实验数据验证了所推导性能指标的可能性和有效性。     

基于径向基函数神经网络的压电式六维力传感器解耦算法

针对四点支撑结构的压电式六维力传感器线性度差,维间耦合严重的问题,提出了基于径向基函数(RBF)神经网络的解耦算法。分析了耦合产生的主要原因,建立了RBF神经网络模型。通过对六维力传感器进行标定实验获取解耦所需的实验数据,并对实验数据进行处理。然后采用RBF神经网络优化传感器输出系统的多维非线性解耦算法,解耦出传感器的输入输出映射关系,得到解耦后的传感器输出数据。对传感器解耦后的数据分析表明:采用RBF神经网络的解耦算法得到的最大Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为1.29%、1.56%。结果显示:采用RBF神经网络的解耦算法,能够更加有效地减小传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差,满足了传感器两类误差指标均低于2%的要求。该算法有效地提高了传感器的测量精度,基本解决了传感器解耦困难的难题,     

正交并联六轴力传感器耦合误差测量模型及实验分析

为解决并联六轴力传感器量程提升受限问题,设计了一种正交构型并联六轴力传感器。正交并联六轴力传感器是基于并联六轴力传感器的一种构型上的改进,具有承载能力强、解耦性能良好的优势,但同时该力传感器的耦合误差输出具有自身的特点。考虑该力传感器测量分支间摩擦以及正交结构自身特点引起的耦合误差输出,建立了正交并联六轴力传感器耦合误差测量模型。基于所建立的测量模型,通过数值算例分析探讨了传感器设计参数与两种耦合误差输出之间的影响关系,据此研制了一种正交并联六轴力传感器。最后对传感器样机进行了实验,得到其误差分布及检验测量精度。实验所得传感器各维力/力矩在各方向误差分别为0.43%/0.31%,0.18%/0.68%,0.80%/1.28%。     

高速离心泵叶轮动态特性分析

为了研究离心泵叶轮在启动过程以及流体作用力下的动态特性,采用单向流固耦合的方法获取离心泵启动过程中叶轮的动态特性,分析了不同工况下稳态径向力的分布规律以及非定常流动下叶轮所受瞬态径向力的变化规律,并通过谐响应分析获取叶轮在瞬态径向力下所产生的结构振动特性。研究发现：叶轮在启动阶段所受径向力先急剧增大而后减小,最后稳定到30 N处波动,其振动幅值先急剧增大后减小到0.01 mm处后稳定波动;非定常流动作用下叶轮所受瞬态径向力出现周期性变化,在频率为101.67,610 Hz处,叶轮振动幅值明显增大,表明在这2个频率处叶轮易出现振动失稳。     

涡轮叶片三维叶尖间隙光纤检测系统

航空发动机涡轮叶片叶尖间隙呈三维变化特点,传统光纤式叶尖间隙检测系统的测量结果受维间耦合影响精度差,信息源单一。本文利用一种沿直角等腰三角排布的三路双圈同轴式光纤传感基元组成的传感探头,通过BP神经网络解耦方法,实现了从传感器输出到叶尖端面径向间隙、轴向倾角和周向倾角三维参量的解耦。设计加工三维测量光纤传感器和后续调理电路并对检测系统进行了静、动态实验验证。实验结果表明:该系统径向间隙静态测量的最大误差为47μm,标准差为10μm,轴向和周向倾角的静态测量最大误差分别为0.49°和2.32°,标准差分别为0.13°和0.36°。系统具有良好的重复性和可靠性,径向间隙的动态测量标准差小于18μm,轴向和周向倾角的动态测量标准差小0.2°和0.5°,能够满足航空发动机涡轮叶片叶尖间隙三维参量快速实时检测的需求。     

高灵敏度大量程六维力传感器设计

为满足空间在轨组装望远镜地面装配试验的相关需求,综合考虑六维力传感器的量程、刚度和灵敏度等因素,设计了一种高灵敏度大量程六维力传感器。首先对经典十字梁六维力传感器进行数学建模,通过对比各通道单独作用时,应变梁表面应变和弹性体变形刚度的数学表达式,提出一套提高传感器灵敏度的改进方案;然后对传感器结构进行详细设计,并通过传感器的有限元仿真验证结构方案可行性;最后,对六维力传感器进行加工与标定,得到传感器线重复性误差小于0. 33%FS,力通道测量灵敏度大于0. 83 m V/V,力矩通道测量灵敏度大于2. 6 m V/V。该六维力传感器各项性能优良,目前已应用于在轨组装望远镜地面实验当中。     

轴承动态刚度测量方法及测量设备研究

作为机床主轴的核心零件,轴承的动态刚度对机床加工精度至关重要。为模拟机床主轴轴承的工况,测量轴承运转过程中的动态刚度,设计了一种能够对多种组配形式的轴承轴向或径向动态刚度进行测量的轴承动态刚度测量仪。该测量仪有柔性驱动系统驱动、伺服电缸加载、直线旋转运动轴系传递载荷和旋转,测量系统能够实时监测轴承转速、载荷和被测轴承变形量等数据,从而计算出被测轴承的动态刚度。阐述了测量仪的工作原理、测量主体、柔性驱动系统、加载系统等关键系统的结构和工作方式,介绍了测量仪的技术特点,并通过试验验证了测量仪的可靠性。     

多维车轮力传感器静态解耦的研究

传感器的静态耦合是制约多维车轮力传感器（WFT）测量精度的一个主要因素，WFT的耦合主要为线性耦合。针对标定WFT时不能施加单维力的情况，用迭代法实现了线性解耦。时WFT的耦合率矩阵进行了计算，并进行了耦合分析。对汽车道路试验数据进行了解耦，并与不解耦的结果进行了对比。结果表明：经线性解耦后，WFT的耦合误差基本被消除，测量精度得到了提高。     

组合式负荷传感器旋转效应的研究

针对寄生分量会引起非完全轴对称结构的负荷传感器发生旋转效应,采用有限元模拟和试验分析,研究了有、无均力结构的组合式负荷传感器在不同寄生分量下力传感器所受附加侧向力的变化规律与旋转效应的关系.研究结果表明:均力结构能使组合式负荷传感器的力传感器所受附加侧向力明显下降并趋于平均,从而有效地降低了旋转效应;力传感器所受附加侧向力的波动量可用于预测同一试验力级下组合式负荷传感器旋转效应的大小,为提高测量准确度提供评定依据;试验数据验证了有限元模型的可靠性.     

面向运动力学测量的无线六维力传感器

针对目前六维力传感器普遍存在的体积偏大、操作繁琐、应用场景复杂的问题,设计了一种基于电阻应变原理的小型化无线六维力传感器。首先,基于十字横梁结构设计传感器的弹性体,并通过ANSYS软件进行结构静力学分析,确定了传感器的最优结构尺寸;其次,基于传感器小型化和无线传输的设计要求,设计了传感器的内部硬件电路,包括四等臂全桥电路、两级放大电路以及数据采集与传输电路,有效减小了传感器的体积,增强了灵活性;最后,设计并优化了静态标定方法及静态解耦算法,降低了传感器的维间耦合干扰,提高了测量精度。实验结果表明,该传感器室内无线传输距离达到8 m,传输速率满足中低频力信号测量,Ⅰ类与Ⅱ类误差均满足在高精度要求场合的使用。     

随机道路载荷下轮毂轴承服役寿命预测方法研究

针对当前轴承寿命评价主要基于定值载荷工况,对于径向力、轴向力及弯矩动态耦合效应考虑较少,导致轴承实际服役寿命与理论寿命存在较大差异的问题,提出一种随机道路载荷下轮毂轴承的服役寿命预测方法.以试验场实测轮心六分力载荷数据为基础,通过联合分布计数确定多轴载荷间耦合频次关系,以确定损伤载荷作用次数;根据轴承滚子-滚道间的变形协调关系,并考虑弯矩作用下滚子角位移及滚道错位对载荷传递的影响,建立圆锥滚子轴承的外滚道-滚子-内滚道瞬时接触载荷计算模型;综合多轴载荷联合分布计数结果与接触载荷计算模型,采用Newton-Raphson迭代算法求解得到轴承周向接触载荷序列,并与Romax仿真结果对比验证结果的有效性;基于修正的L-P理论得到多轴载荷对应下的轴承当量动载荷,综合联合分布计数结果、线性损伤累积准则,完成试验场随机道路载荷下轮毂轴承寿命计算,并通过台架试验验证结果的准确性和方法的合理性.由此,可为轮毂轴承的设计选型及寿命预测提供参考依据.     

一种三梁结构六维力传感器设计与研究

设计了一种三梁结构六维力传感器,详述了传感器弹性体在各载荷分量作用下应变梁的应变情况,并通过合理的应变片组桥电路将各载荷分量信号转换成电压信号输出。提出了一种简化计算解耦矩阵的方法,最后通过有限元仿真技术施加10组载荷,求解并验证解耦矩阵,结果表明该六维力传感器设计方案和解耦方法完全可行。