面向柔顺作动器紧凑性设计的应变式一体化多模态传感研究

作     者：曹闻强 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈忠;刘焱

授予年度：2017年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：多模态传感器 应变 桥式柔顺机构 集成一体化 

摘      要：本文设计了一种紧凑型的应变式一体化多模态传感器。该传感器具有高集成度、多模态化等特点。整个传感器集成于一个通过压电陶瓷驱动的复合型桥式柔顺放大机构中,使其结构紧凑,便于应用于多种场合。传感器利用嵌入复合型桥式柔顺放大机构的应变片作为传感单元,可以在相同的应变片粘贴位置下,通过设置不同的应变电路连接方式,来建立起应变与输入力、输入位移和输出位移的关系,从而实现输出位移传感模态、输入位移传感模态和输入力传感模态等多模态传感间转换。本文的工作主要可分为以下几个方面:1)应变式多模传感器的一体化结构设计基于桥式放大机构,在满足其放大系数的要求下,考虑应变片的安装位置与应变电桥的选择,对原桥式放大器进行改进,设计出一种固有频率高、放大系数大、横向刚度大的叶型双层柔性铰链的多模态传感器。并通过有限元分析的方法确定应变片的最佳粘贴位置。2)传感模型的建立与传感器静态特性的有限元分析根据弹性梁理论和改进的几何分析方法,分别推导出输入力数学传感模型、输出/输入位移数学传感模型,进而,通过有限元仿真分析方法,分析了所有的传感模型在有/无输出负载下的传感特性,验证了传感器在无负载或负载比较小的情况下,其具有良好的线性传感特性。3)传感器的动态特性和有限元分析通过分析影响传感器动态特性的因素,具体计算了应变片和桥式放大机构允许的最高频率,并对于负载耦合效应的影响,依次运用卡尔第二定理做理论推导,然后在有限元中对传感器在不同负载、不同输入力情况下做仿真分析。结果表明传感器的灵敏度系数与输出负载密切相关。4)传感器的动静态特性及负载耦合效应的实验探究基于上述建立的应变式一体化多模态传感器模型,对其静态特性、动态特性以及负载耦合效应进行实验。分析其在静态、动态以及在有负载和无元负载的不同情况下,其传感特性的变化,从而确定它的量程、精度、灵敏度、线性度、带宽等传感器基本性能。另外,也进一步的验证了之前建立的理论模型的正确性及适用性。更为重要的是,相关的实验验证了所设计的结构嵌入式多模态传感器在位移传感模态能达到纳米级的精度,在力传感模态下能达到亚牛顿力的精度。