集成式壓電六維力傳感器測量原理與技術研究.pdf

1、作為測試與控制系統的首要環(huán)節(jié)，六維力傳感器能夠同時獲取被測物體在三維空間下所受的三個力分量以及三個力矩分量，在航空航天、智能機器人以及軍工等重要領域有著廣泛的應用且作用日益突出。但隨著力的測量要求的提高以及測量條件愈加苛刻，在一些對傳感器安裝空間要求比較嚴格或者對動態(tài)測量要求較高的領域，比如高超聲速氣動力各分量的測量以及微型機器人關節(jié)力的實時測量等，受限于六維力傳感器的性能或者結構尺寸等因素，目前的六維力測量技術還無法獲得良好的測量結果

2、，研制一種小尺寸集成式壓電六維力傳感器具有十分重大的科學意義和應用價值。
　　本文從壓電效應以及各向異性彈性力學等基本理論出發(fā)，對石英晶片在六維力作用下晶面感生電荷密度分布規(guī)律進行了研究，并基于此規(guī)律研制了一種小尺寸集成式壓電六維力傳感器，最后通過標定實驗獲得了該傳感器的相關性能指標，具體工作如下:
　　首先，基于各向異性材料力學，分析了六維力作用下石英晶片內部彎矩和扭矩的耦合作用，探究了六維力作用下石英晶片內部應力分布情況

3、并求得了六個應力分量，結果表明晶面法向應力與法向力以及彎矩線性相關，剪切應力與扭矩以及剪切力線性相關。
　　在壓電效應基礎上，建立了六維力作用下的單石英晶片面域電荷密度與六維力系之間的映射關系和壓電方程式，采用分割面域的分析方法求得了每個面域內的電荷量與六維力力系之間的線性方程組，并推導了六維力的解耦公式;運用Ansys軟件對六維力作用下石英晶片的壓電效應進行了仿真分析，獲得了晶片表面電勢分布云圖以及晶片內電場矢量云圖，此外還仿真

4、分析了石英晶片在復合加載作用下的效果與各單獨加載作用下所得效果之間的關系。
　　基于理論分析并利用分區(qū)域電荷采集的方法，設計了一種只使用了三組單元晶組的六維力石英晶組，并以其為核心元件研制了一種集成式壓電六維力傳感器，相比于多點支撐式壓電六維力傳感器，該傳感器結構尺寸得到了大幅的縮減;通過對集成式六維力傳感器進行靜態(tài)標定，獲取了傳感器在各維力下標定曲線以及非線性誤差、重復性誤差和橫向干擾等靜態(tài)指標，并對干擾誤差進行了補償分析。