集成式壓電六維力傳感器測(cè)量原理與技術(shù)研究.pdf

1、作為測(cè)試與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，六維力傳感器能夠同時(shí)獲取被測(cè)物體在三維空間下所受的三個(gè)力分量以及三個(gè)力矩分量，在航空航天、智能機(jī)器人以及軍工等重要領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用且作用日益突出。但隨著力的測(cè)量要求的提高以及測(cè)量條件愈加苛刻，在一些對(duì)傳感器安裝空間要求比較嚴(yán)格或者對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量要求較高的領(lǐng)域，比如高超聲速氣動(dòng)力各分量的測(cè)量以及微型機(jī)器人關(guān)節(jié)力的實(shí)時(shí)測(cè)量等，受限于六維力傳感器的性能或者結(jié)構(gòu)尺寸等因素，目前的六維力測(cè)量技術(shù)還無(wú)法獲得良好的測(cè)量結(jié)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(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文從壓電效應(yīng)以及各向異性彈性力學(xué)等基本理論出發(fā)，對(duì)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(jìn)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(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得了該傳感器的相關(guān)性能指標(biāo)，具體工作如下:
　　首先，基于各向異性材料力學(xué)，分析了六維力作用下石英晶片內(nèi)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(nèi)部應(yīng)力分布情況

3、并求得了六個(gè)應(yīng)力分量，結(jié)果表明晶面法向應(yīng)力與法向力以及彎矩線性相關(guān)，剪切應(yīng)力與扭矩以及剪切力線性相關(guān)。
　　在壓電效應(yīng)基礎(chǔ)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(guān)系和壓電方程式，采用分割面域的分析方法求得了每個(gè)面域內(nèi)的電荷量與六維力力系之間的線性方程組，并推導(dǎo)了六維力的解耦公式;運(yùn)用Ansys軟件對(duì)六維力作用下石英晶片的壓電效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，獲得了晶片表面電勢(shì)分布云圖以及晶片內(nèi)電場(chǎng)矢量云圖，此外還仿真

4、分析了石英晶片在復(fù)合加載作用下的效果與各單獨(dú)加載作用下所得效果之間的關(guān)系。
　　基于理論分析并利用分區(qū)域電荷采集的方法，設(shè)計(jì)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(diǎn)支撐式壓電六維力傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)尺寸得到了大幅的縮減;通過(guò)對(duì)集成式六維力傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，獲取了傳感器在各維力下標(biāo)定曲線以及非線性誤差、重復(fù)性誤差和橫向干擾等靜態(tài)指標(biāo)，并對(duì)干擾誤差進(jìn)行了補(bǔ)償分析。