傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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1結(jié)構(gòu)解耦優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上面的原理可知，基于Stewart結(jié)構(gòu)的六維力傳感每一個(gè)支路如果只受到拉壓方向的力，則測量的結(jié)果將比較準(zhǔn)確，如果有耦合力進(jìn)入該支路傳感器，則由于耦合的影響，傳感器的精度會(huì)降低，并且耦合因素是降低傳感器精度的一個(gè)重要原因，因此，就需要設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)將耦合應(yīng)力影響降到最小，從而提高測量精度。本文在結(jié)構(gòu)解耦設(shè)計(jì)上，主要在2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):一是盡量減少耦合力的引入;另一方面是盡量提高結(jié)構(gòu)的抗耦合能力。

1．1支路去耦結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳感器維間耦合的產(chǎn)生是在主測量載荷作用時(shí)會(huì)伴隨著非測量方向載荷的干擾影響。根據(jù)Stewart六維力傳感器的特點(diǎn)與工作原理，傳感器耦合形式主要是各支路傳感器會(huì)受到額外的彎曲和沿軸線的扭轉(zhuǎn)作用。對此，本文設(shè)計(jì)了一種支路傳感器去耦結(jié)構(gòu)可以很好地減小耦合扭曲、彎曲的影響。它由球頭球窩組件、十字槽鏈接桿部件等部分構(gòu)成，如圖2所示。設(shè)計(jì)思路如下:1)將傳統(tǒng)的球鉸面接觸改為錐頭球窩的點(diǎn)接觸，連接桿一端為錐狀半球型，套入在半球形的窩中，基本實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，這樣，在對傳感器施加力時(shí)，力比較集中，大大減小了雜散力的影響，提高了載荷傳遞的穩(wěn)定性，并且通過接觸面的減小降低了耦合影響。2)在連接桿上加工可等效為彈性鉸鏈的正交十字槽結(jié)構(gòu)，當(dāng)有彎曲力矩施加到支路傳感器上時(shí)，由于有彈性鉸鏈效應(yīng)，彎曲力矩的影響將會(huì)大大減小，使得力傳遞基本上按照設(shè)計(jì)的方向進(jìn)行，力的傳遞越集中，傳感器的精度就越高。

1．2支路傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高傳感器整體抗耦合性，各支路傳感器結(jié)構(gòu)須具有很好抗扭、抗彎曲能力。本文根據(jù)力學(xué)分析，將板環(huán)結(jié)構(gòu)改為圓環(huán)內(nèi)嵌十字梁結(jié)構(gòu)，圓環(huán)內(nèi)嵌十字梁結(jié)構(gòu)集合了板環(huán)結(jié)構(gòu)線性好、輸出靈敏度高、剛性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備工作區(qū)應(yīng)變穩(wěn)定、對稱、抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)等特性。其力學(xué)模型如圖3所示。圓環(huán)內(nèi)嵌十字梁結(jié)構(gòu)測量的是梁上的拉/壓應(yīng)力，當(dāng)環(huán)受拉向或壓向載荷作用時(shí)，垂直與水平直徑位移方向相反，在十字梁的根部(圖3(b)中1，2，3，4處)會(huì)產(chǎn)生彎曲和拉伸兩類變形，其中拉伸應(yīng)變可通過全橋接線測量，環(huán)上的彎曲應(yīng)力具有很好的對稱性，因此，傳遞到梁上的工作應(yīng)變?yōu)榧兝?壓應(yīng)變，工作應(yīng)變區(qū)如圖3(b)的1，2，3，4處。本文利用Solidworks軟件為對優(yōu)化前后樣機(jī)進(jìn)行仿真受力分析，比較工作區(qū)應(yīng)變，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)構(gòu)的合理性。仿真時(shí)對優(yōu)化前后的傳感器都進(jìn)行裝配體受力分析，嚴(yán)格按照實(shí)際參數(shù)(材料、約束、配合、載荷)進(jìn)行仿真。載荷施加方法:在軸向載荷基礎(chǔ)上附加額外的彎矩與扭矩，測試其對工作應(yīng)變區(qū)影響。兩結(jié)構(gòu)施加載荷大小、方向、作用點(diǎn)都一致，其中對于扭矩加力，是直接施加于上端鉸座面上;對于彎矩加力，是在同一面上施加側(cè)向力荷來等效，如圖4。根據(jù)仿真的結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)由表1所示。由仿真數(shù)據(jù)可得:1)優(yōu)化后支路傳感器的抗耦合力矩能力明顯強(qiáng)于未優(yōu)化傳感器的抗耦能力。比如:在附加100力矩時(shí)，優(yōu)化后的傳感器其微應(yīng)變值增加了(1105－951)×10－6=154×10－6，而未優(yōu)化的傳感器微應(yīng)變值增加了(1510－956)×10－6=554×10－6，因此，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)其抗扭能力大大加強(qiáng)。2)優(yōu)化后支路傳感器的抗側(cè)向力的能力明顯強(qiáng)于未優(yōu)化傳感器的抗側(cè)向能力。比如:在附加測向力為200N時(shí)，優(yōu)化后的傳感器其微應(yīng)變值增加了(1215－951)×10－6=264×10－6，而未優(yōu)化的傳感器微應(yīng)變值增加了(1460－956)×10－6=504×10－6，因此，新結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力效果明顯。2．3支路傳感器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)根據(jù)以上的分析結(jié)果，新的支路傳感器利用了各種去耦方式，得到的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2六維力傳感器的標(biāo)定

依據(jù)要研制的傳感器量程和精度，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要是通過比對的方法來進(jìn)行，在施加力的路徑上串聯(lián)一個(gè)高精度的S型傳感器，精度為0．03%，滿足本系統(tǒng)要求。將優(yōu)化前后傳感器在完全相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行加載并記錄測量結(jié)果，利用線性解算法求解各自的映射關(guān)系矩陣，最后驗(yàn)證比對測量精度。試驗(yàn)標(biāo)定過程中對傳感器6支路通道依次進(jìn)行標(biāo)定，每路各取不少于6個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，并進(jìn)行遞增、遞減加載各3次，然后對遞增、遞減的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理即為最終的標(biāo)定數(shù)據(jù)。對于六維力傳感器，解耦的優(yōu)劣和傳感器的精度息息相關(guān)，一個(gè)方向的加載很難對傳感器的解耦能力做出全面的評價(jià)，截至目前為止，大部分的論文只是在試驗(yàn)時(shí)只是加載了一維力，只有個(gè)別的文章提及到二維加載［11］，還沒有三維加載的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文為了驗(yàn)證傳感器的耦合情況，進(jìn)行了三維復(fù)合加載，標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2～表4。

3結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89S52單片機(jī)和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度采集報(bào)警系統(tǒng)，對軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于糧倉、電力機(jī)房、軸瓦、空調(diào)、冰箱和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，DS18B20單總線和多點(diǎn)式測溫特點(diǎn)使其擴(kuò)展性加強(qiáng)，具有廣闊的市場前景。

作者：蓋廣洪 高波 單位：陜西電器研究所