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压电力传感器中晶轴偏转产生的维间耦合研究

压电与声光 2023年第4期45卷 614-618页

作者：张军王郁赫任宗金李新阳滕玄德大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室辽宁大连116024

针对压电式石英力传感器的维间耦合现象,从敏感材料测量原理出发开展研究。结合优化算法,以控制维间耦合为目标,建立了石英晶轴偏转与传感器维间耦合的公式关系,计算了石英晶轴偏转角度的容差范围,并通过有限元仿真验证了公式精度。结... 详细信息

针对压电式石英力传感器的维间耦合现象,从敏感材料测量原理出发开展研究。结合优化算法,以控制维间耦合为目标,建立了石英晶轴偏转与传感器维间耦合的公式关系,计算了石英晶轴偏转角度的容差范围,并通过有限元仿真验证了公式精度。结果表明,晶轴偏转对传感器维间耦合影响较大,建立的公式在一定范围内可较高精度地计算维间耦合输出,为高精度压电传感器的研究提供了参考。

关键词：压电力传感器测量精度有限元仿真维间耦合晶轴偏转

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多支点测力平台维间耦合误差建模与精度分配

吉林大学学报(工学版) 2024年

作者：张军王郁赫姜楠蔡佳乐滕玄德张鹏大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室沈阳飞机设计研究所

针对多传感器布置的测力平台耦合误差成因不明、难以削减的问题，本文以压电式六维测力平台为研究对象，从传感器耦合、装配误差、标定装置全环节分析耦合成因。基于测量原理，建立包含34个影响因素的维间耦合模型，采用敏感性算法筛选... 详细信息

针对多传感器布置的测力平台耦合误差成因不明、难以削减的问题，本文以压电式六维测力平台为研究对象，从传感器耦合、装配误差、标定装置全环节分析耦合成因。基于测量原理，建立包含34个影响因素的维间耦合模型，采用敏感性算法筛选来量化各因素影响程度，以耦合误差≤5%量程为目标进行精度容差分配。采样仿真结果表明，分配后各项耦合误差的99%置信上限均满足要求。实验表明，满足容差下平台力输出耦合误差≤3.64%量程，力矩输出耦合误差≤4.80%量程，验证了精度范围的有效性和在耦合误差控制上的实用性。

关键词：精密仪器及机械维间耦合测量误差大量程六维力敏感性分析

基于WOA-ELM的空间分层结构FBG三维振动加速度传感器非线性解耦

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仪器仪表学报 2024年第7期45卷 139-147页

作者：孙世政武宇峰何江徐向阳陈仁祥重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074

针对三维振动加速度传感器存在的维间耦合干扰问题,以空间分层结构光纤布拉格光栅(FBG)三维振动加速度传感器为研究对象,阐述了三维振动加速度传感的基本原理。其次,构建了振动加速度动态标定实验平台,并分析了传感器的结构耦合特性。最... 详细信息

针对三维振动加速度传感器存在的维间耦合干扰问题,以空间分层结构光纤布拉格光栅(FBG)三维振动加速度传感器为研究对象,阐述了三维振动加速度传感的基本原理。其次,构建了振动加速度动态标定实验平台,并分析了传感器的结构耦合特性。最后,提出一种基于鲸鱼算法优化极限学习机(WOA-ELM)的神经网络模型并进行了非线性解耦实验,其结果显示,在x、y、z三轴的平均测量误差分别降至1.58%、1.17%、0.95%,平均I类和II类误差最大值分别降至0.73%和0.37%。为验证解耦效果,将WOA-ELM与其他算法等进行解耦效果对比。结果表明,WOA-ELM更有效地降低三维振动加速度传感器的维间耦合干扰,提高测量精度。

关键词：光纤布拉格光栅三维振动加速度传感器维间耦合鲸鱼优化算法极限学习机

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轮辐结构压电式六维力传感器设计

光学精密工程 2020年第12期28卷 2655-2664页

作者：徐兴盛李映君王桂从孙选孙杨济南大学机械工程学院山东济南250022

针对机器人对工作环境进行反馈进而实现自动化作业,展开了对压电式六维力传感器的研究。本文选用压电石英作为力敏元件,结合并联分载原理及多点测量原理提出一种8点支撑轮辐式压电六维力传感器结构及其测量原理,它具备强解耦、轻量化、... 详细信息

针对机器人对工作环境进行反馈进而实现自动化作业,展开了对压电式六维力传感器的研究。本文选用压电石英作为力敏元件,结合并联分载原理及多点测量原理提出一种8点支撑轮辐式压电六维力传感器结构及其测量原理,它具备强解耦、轻量化、大量程和高固有频率的特点。利用ANSYS软件进行参数化建模,并进行六维力静力学仿真实验,验证了8点支撑轮辐式传感器测量原理。搭建了准静态标定及动态标定平台,对设计的压电式六维力传感器进行标定。实验结果表明,传感器的非线性度维间干扰维力传感器可以有效地完成六维力测量并消除维间耦合,满足动态测量需求,为轻量化大量程传感器的设计提供了理论基础和设计依据,对其他类型压电式六维力传感器设计和研制具有重要的参考价值。

关键词：压电石英轮辐式多点测量原理六维力传感器维间耦合

基于光纤布拉格光栅的二维力传感器设计及实验研究

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仪器仪表学报 2020年第2期41卷 1-9页

作者：孙世政廖超李洁蒙志强向洋重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074 重庆邮电大学移通学院智能工程学院重庆401520

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... 详细信息

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。

关键词：光纤布拉格光栅二维力传感器十字横梁结构维间耦合

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车轮多分力传感器静态解耦方法

农业机械学报 2008年第4期39卷 18-23页

作者：张小龙冯能莲张为公马德贵清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京工业大学环境与能源工程学院东南大学仪器科学与工程学院安徽农业大学工学院博士后讲师(安徽农业大学)100084北京市教授通讯作者100022北京市教授博士生导师210096南京市讲师230036合肥市

从标定方法和解耦算法两方面对车轮力传感器静态耦合特性进行了研究。给出了详细的标定过程和样本获取方法,基于实际标定样本应用3种回归模型对多分力传感器维间耦合进行量化对比分析。结果表明:标定主通道线性特性显著;自行研制轮力传... 详细信息

从标定方法和解耦算法两方面对车轮力传感器静态耦合特性进行了研究。给出了详细的标定过程和样本获取方法,基于实际标定样本应用3种回归模型对多分力传感器维间耦合进行量化对比分析。结果表明:标定主通道线性特性显著;自行研制轮力传感器静态耦合率与国外产品相当;最小二乘支持向量回归机回归精度高、泛化能力强和算法稳定;对标准正交最小二乘径向基神经网络算法改进回归效果显著。

关键词：车轮力传感器维间耦合静态解耦最小二乘支持向量机

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高灵敏度大量程六维力传感器设计

仪器仪表学报 2019年第9期40卷 61-69页

作者：韩康陈立恒李行夏明一吴清文中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

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... 详细信息

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 mV/V,力矩通道测量灵敏度大于2.6 mV/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。

关键词：六维力传感器刚度灵敏度最小二乘法标定维间耦合

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考虑角度偏差的压电三维力传感器标定

光学精密工程 2023年第17期31卷 2546-2554页

作者：张军王郁赫任宗金孙文举蔡佳乐大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

为实现对压电式三维力传感器的高精度标定,在原标定模型上引入标定角度偏差因素。针对传感器转角、固定面不平与标定力源偏斜因素,开展了标定模型改进、参数获取与解耦效果分析等研究。分析传感器标定中存在的角度偏差,采用千分表与倾... 详细信息

为实现对压电式三维力传感器的高精度标定,在原标定模型上引入标定角度偏差因素。针对传感器转角、固定面不平与标定力源偏斜因素,开展了标定模型改进、参数获取与解耦效果分析等研究。分析传感器标定中存在的角度偏差,采用千分表与倾角仪进行测量。对未知参数过多问题,建立了合适的目标函数与约束条件,基于优化算法求解参数,实现了分离标定角度偏差的传感器标定。采用两种模型对实验数据解耦,从解耦误差均值和极值角度证明了新模型的有效性。结果表明:相比旧模型,实验数据下新模型大部分方向的解耦误差均值下降了80%左右,极值下降20%~49%。基于此分析了标定角度偏差对于传感器耦合特性的影响,得到各环节偏差引入的耦合比例,部分耦合系数中标定偏差因素占比达到70%以上。研究表明角度偏差对传感器标定的影响不可忽略,应加以控制。

关键词：压电式力传感器标定装置维间耦合测量精度

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组合式自解耦压电薄膜三维力传感器研制

西安交通大学学报 2023年第3期57卷 139-149页

作者：赵鹏王桂从李映君杨志康济南大学机械工程学院济南250024

针对传统三维力传感器存在的非线性误差、维间耦合误差过大等瓶颈问题,面向重载、高频、强冲击三维力的测量需求,基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜,结合并联分载原理,创新性的利用冲击力产生的倾覆力矩,设计了立柱菱形布局的压电薄膜三维... 详细信息

针对传统三维力传感器存在的非线性误差、维间耦合误差过大等瓶颈问题,面向重载、高频、强冲击三维力的测量需求,基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜,结合并联分载原理,创新性的利用冲击力产生的倾覆力矩,设计了立柱菱形布局的压电薄膜三维力传感器结构,立柱菱形布局时具有抵消维间耦合能力,每个立柱近似只受单个倾覆力矩的影响,故可进行组合测量。探究了PVDF压电薄膜的最优布置,采用理论分析、有限元仿真分析和实验验证相结合的方法,对传感器设计方案的可行性进行了验证。研制了组合式自解耦压电薄膜三维力传感器样机,分别对其进行准静态标定实验和动态标定实验,实验结果表明,改进后传感器具有高灵敏度、高固有频率等特点,3个方向非线性误差均小于0.2%,维间耦合误差在1.2%以内,其结构设计具备抵消维间耦合的能力。该三维力传感器在高精密轴承钢球冷镦成型及瞬态强冲击等场景下有着重要的应用价值及潜力。

关键词：三维力传感器聚偏氟乙烯压电薄膜维间耦合重载