双层预紧式6维力传感器预紧力对精度影响分析

针对传统Stewart结构6维力传感器性能的不足,设计并研制了一种双层预紧式6维力传感器,并进行了精度分析与实验研究.首先,介绍了该6维力传感器的结构特点,基于螺旋理论建立了其数学模型以及预紧力的数学描述形式.为了提高传感器的测量精度,在分析预紧支路结构的基础上,通过增大预紧力来降低由于预紧支路结构变形产生的误差.其次,对不同预紧力下预紧支路的结构变形进行了有限元仿真.最后研制并开发了6维力传感器样机和标定系统,进行了不同预紧力情况下的标定实验.通过增大预紧力,传感器的最大Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别由满量程的2.73%、2.43%降低到0.41%、0.64%.实验结果表明,增大预紧力有效地降低了预紧支路变形带来的测量误差,提高了传感器的测量精度,从而验证了理论分析与仿真的正确性.     

Stewart型六维力传感器的标定方法研究

I、II类误差是影响Stewart型六维力传感器测量精度的主要因素,对Stewart型六维力传感器的测力原理和误差引入原因做了简要的介绍。为提高传感器的实际测量精度,减小测量误差,提出了一种基于标定杆的标定方案。通过理论分析验证了该方案的可行性并通过有限元仿真软件ANSYS完成了Stewart型六维力传感器的静态标定仿真实验,标定前后传感器测量精度的对比证明该方案可有效提高传感器的实际测量精度,降低I、II类误差。     

一种四柱式结构的六维力传感器

针对多维力传感器普遍存在维间耦合效应导致测量精度偏低等问题,设计了一种具有自解耦特性的四柱式六维力传感器,通过结构设计、仿真分析、应变片粘贴和电路组桥等方面的研究,较好的解决了各个分量之间的交叉影响问题,最终通过单分量标定试验得出传感器单个方向精度高于0.1％F.S.,通过交叉影响量标定试验得出传感器交叉影响量小于3％F.S.,达到了设计要求.     

基于正弦力激励的预紧压电式力传感器的研究

为了校准预紧的压电式力传感器动态灵敏度并研究其频响特性和预紧结构的设计,首先介绍了正弦力激励的方法并建立校准数学模型。分别在传感器正立和倒立安装方式下进行测试,通过对比试验研究传感器端部等效质量引入的惯性力对传感器动态灵敏度的影响。然后根据传感器固有频率的落球测试方法,将传感器和附加质量块安装于振动系统。通过白噪声激励得到系统安装谐振频率,进而研究传感器有效频率范围和测量精度与安装谐振频率的关系。最后通过理论分析,说明传感器非对称设计的原因。试验结果表明,当附加质量块质量约为传感器质量的121倍时,可忽略端部等效质量对灵敏度标定的影响;压电式力传感器固有频率高达46kHz,但其有效使用频率范围受安装谐振频率限制,当试验频率与安装谐振频率比 时,压电式传感器精度等级为1%;传感器两端等效质量不同,预紧结构是非对称的,用于动态测试时要将端部等效质量轻的一端连接到被测物体。本研究结果可为开展传感器的现场标定和预紧结构的设计提供理论依据。     

用于壁虎脚掌接触力测试的3-维传感器

介绍一种3-维力传感器的结构和工作原理,用于测量壁虎爬行时脚掌与接触面间的3-维接触力,通过Ansys有限元分析软件,对这种结构的传感器进行结构静力分析和模态分析,检验这种结构的传感器用于小量程3-维接触力测量的可行性,该传感器三个方向量程均为±1.5 N,分辨力达到3 mN,实验表明该传感器适合壁虎爬行时脚掌与接触面间接触力的测试.     

基于螺母外侧压电材料阻抗峰值频率变化的螺栓松动监测

对于地脚螺栓之类螺栓本体埋藏于结构中的螺栓联接装置,提出了一种将压电材料粘贴于螺母外侧面并通过测量压电阻抗峰值频率变化来反映螺栓联接状态的监测方法.结合有限元仿真,理论分析了该方法的基本原理.构建实验装置,实验以螺栓联接结构中螺母作为对象,采用万能材料拉伸试验机对螺栓联接结构进行加载,模拟螺母所受预紧力,并在不同预紧力下测量了粘贴在螺母侧面的压电材料的导纳信号,提取了其峰值频率,得到峰值频率随预紧力的变化规律.结果表明压电材料的导纳峰值频率随着螺栓预紧力增大而增大,且预紧力大小变化与频率变化成一定的线性关系,提出以峰值频率表征螺栓联接状态的方法,该方法具有较好的应用前景.     

基于螺栓头部端面应变状态的螺栓松动检测研究

针对螺栓联接结构中的松动问题,提出了一种通过测量螺栓头部径向应变进而确定螺栓预紧力的方法。采用有限单元法分析了受不同预紧力作用下螺栓头部端面的应变状态,发现端面径向应变与所受预紧力之间存在较好的线性关系;并进一步对不同工况下的预紧力检测效果进行分析,发现螺栓在受到四种不同因素的影响下两者仍具有很好的线性关系。因此,可通过检测螺栓头部端面的径向应变,实现螺栓联接状态(表现为预紧力大小)的检测。设计了径向应变片,并制作了集成应变片的螺栓传感器,进行了实验研究。实验结果表明,螺栓头部端面径向应变与预紧力变化的线性关系明显,与有限元分析结果一致,说明所提出的方法和所设计的传感器能有效检测螺栓预紧力大小,进而实现对螺栓联接状态的检测,可作为螺栓联接结构健康检测的一种新途径。     

一种Stewart结构六维力／力矩传感器参数辨识研究

介绍了一种大量程Stewart结构六维力／力矩传感器系统．建立了传感器力／力矩测量数学模型,构建了基于运动学逆解的优化目标函数．提出了一种新的参数标定法,称作分支轮换标定法．基于所研发的六维力／力矩传感器系统进行了实验研究,实验结果表明分支轮换法可以有效地辨识出传感器的结构参数,提高了测量精度．该方法可用于类似结构的六维力／力矩传感器参数标定．     

基于旋转谐振结构的单芯片二维电场传感器

提出并研制了一种二维电场检测传感芯片,将四个电场测量微型单元和旋转式驱动微结构集成在3. 5 mm ×3. 5 mm的敏感结构上,实现了单芯片的电场二维测量.介绍了传感器的工作原理、敏感结构的设计,以及基于绝缘体上硅( SOI)工艺的单芯片微型二维电场传感器制备工艺技术.成功研制出传感器原理样机,研究了微型二维电场传感器的标定方法,开发了用于电场二维标定的测试装置,并在室温常压下对传感器进行了二维标定.实验结果表明:该传感器能够有效减小电场的轴间耦合干扰,测量误差优于7. 04%,线性度可达到1. 25%.     

足式机器人腿部倾角传感器信号处理研究

足式机器人在自主行走时,一般通过倾角传感器来测量腿部转动角度计算足端位置,然而目前足式机器人腿部倾角传感器测量时易受噪声干扰、温度等因素的影响,导致测量精度低,足端位置估计不准确.针对以上问题,提出新的倾角传感器信号处理方法,首先利用卡尔曼滤波方法对倾角传感器输出信号进行滤波预处理,然后把滤波信号和倾角传感器输出温度值作为建立的双输入单输出RBF神经网络模型的输入变量,采用蚁群聚类算法的并行寻优特征和自适应调整挥发系数方法来确定RBF神经网络基函数位置.实验结果表明,提出的算法能很好地滤除倾角传感器信号中的噪声,实现了倾角信号的温度补偿,测量误差能够控制在0.75％以内,具有实际运用价值.