傳感器的優化設計

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1結構解耦優化設計

根據上面的原理可知，基于Stewart結構的六維力傳感每一個支路如果只受到拉壓方向的力，則測量的結果將比較準確，如果有耦合力進入該支路傳感器，則由于耦合的影響，傳感器的精度會降低，并且耦合因素是降低傳感器精度的一個重要原因，因此，就需要設計合理的結構將耦合應力影響降到最小，從而提高測量精度。本文在結構解耦設計上，主要在2個方面進行改進:一是盡量減少耦合力的引入;另一方面是盡量提高結構的抗耦合能力。

1．1支路去耦結構優化設計

傳感器維間耦合的產生是在主測量載荷作用時會伴隨著非測量方向載荷的干擾影響。根據Stewart六維力傳感器的特點與工作原理，傳感器耦合形式主要是各支路傳感器會受到額外的彎曲和沿軸線的扭轉作用。對此，本文設計了一種支路傳感器去耦結構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成，如圖2所示。設計思路如下:1)將傳統的球鉸面接觸改為錐頭球窩的點接觸，連接桿一端為錐狀半球型，套入在半球形的窩中，基本實現點接觸，這樣，在對傳感器施加力時，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構，當有彎曲力矩施加到支路傳感器上時，由于有彈性鉸鏈效應，彎曲力矩的影響將會大大減小，使得力傳遞基本上按照設計的方向進行，力的傳遞越集中，傳感器的精度就越高。

1．2支路傳感器優化設計

為了提高傳感器整體抗耦合性，各支路傳感器結構須具有很好抗扭、抗彎曲能力。本文根據力學分析，將板環結構改為圓環內嵌十字梁結構，圓環內嵌十字梁結構集合了板環結構線性好、輸出靈敏度高、剛性好的優點，同時具備工作區應變穩定、對稱、抗彎曲、抗扭轉等特性。其力學模型如圖3所示。圓環內嵌十字梁結構測量的是梁上的拉/壓應力，當環受拉向或壓向載荷作用時，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)會產生彎曲和拉伸兩類變形，其中拉伸應變可通過全橋接線測量，環上的彎曲應力具有很好的對稱性，因此，傳遞到梁上的工作應變為純拉/壓應變，工作應變區如圖3(b)的1，2，3，4處。本文利用Solidworks軟件為對優化前后樣機進行仿真受力分析，比較工作區應變，驗證優化結構的合理性。仿真時對優化前后的傳感器都進行裝配體受力分析，嚴格按照實際參數(材料、約束、配合、載荷)進行仿真。載荷施加方法:在軸向載荷基礎上附加額外的彎矩與扭矩，測試其對工作應變區影響。兩結構施加載荷大小、方向、作用點都一致，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向力荷來等效，如圖4。根據仿真的結果，得到的數據由表1所示。由仿真數據可得:1)優化后支路傳感器的抗耦合力矩能力明顯強于未優化傳感器的抗耦能力。比如:在附加100力矩時，優化后的傳感器其微應變值增加了(1105－951)×10－6=154×10－6，而未優化的傳感器微應變值增加了(1510－956)×10－6=554×10－6，因此，優化后的結構其抗扭能力大大加強。2)優化后支路傳感器的抗側向力的能力明顯強于未優化傳感器的抗側向能力。比如:在附加測向力為200N時，優化后的傳感器其微應變值增加了(1215－951)×10－6=264×10－6，而未優化的傳感器微應變值增加了(1460－956)×10－6=504×10－6，因此，新結構抗側向力效果明顯。2．3支路傳感器的優化結構根據以上的分析結果，新的支路傳感器利用了各種去耦方式，得到的總體結構如圖5所示。

2六維力傳感器的標定

依據要研制的傳感器量程和精度，設計了相應的標定系統，該系統的實現主要是通過比對的方法來進行，在施加力的路徑上串聯一個高精度的S型傳感器，精度為0．03%，滿足本系統要求。將優化前后傳感器在完全相同的試驗條件下進行加載并記錄測量結果，利用線性解算法求解各自的映射關系矩陣，最后驗證比對測量精度。試驗標定過程中對傳感器6支路通道依次進行標定，每路各取不少于6個標定點，并進行遞增、遞減加載各3次，然后對遞增、遞減的標定數據進行均值化處理即為最終的標定數據。對于六維力傳感器，解耦的優劣和傳感器的精度息息相關，一個方向的加載很難對傳感器的解耦能力做出全面的評價，截至目前為止，大部分的論文只是在試驗時只是加載了一維力，只有個別的文章提及到二維加載［11］，還沒有三維加載的試驗數據。本文為了驗證傳感器的耦合情況，進行了三維復合加載，標定數據見表2～表4。

3結束語

本文設計了一種基于AT89S52單片機和DS18B20數字溫度傳感器的溫度采集報警系統，對軟硬件設計進行詳細說明。該設計具有結構簡單、精度高和穩定性好等優點，適用于糧倉、電力機房、軸瓦、空調、冰箱和工農業等領域，DS18B20單總線和多點式測溫特點使其擴展性加強，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