傳感器的優(yōu)化設(shè)計

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1結(jié)構(gòu)解耦優(yōu)化設(shè)計

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(shè)計合理的結(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(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

傳感器維間耦合的產(chǎn)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(jù)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(zhuǎn)作用。對此，本文設(shè)計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)計思路如下:1)將傳統(tǒng)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(xiàn)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(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，由于有彈性鉸鏈效應(yīng)，彎曲力矩的影響將會大大減小，使得力傳遞基本上按照設(shè)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(yōu)化設(shè)計

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，同時具備工作區(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，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(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)化前后樣機進行仿真受力分析，比較工作區(qū)應(yīng)變，驗證優(yōu)化結(jié)構(gòu)的合理性。仿真時對優(yōu)化前后的傳感器都進行裝配體受力分析，嚴(yán)格按照實際參數(shù)(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(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于未優(yōu)化傳感器的抗耦能力。比如:在附加100力矩時，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。2)優(yōu)化后支路傳感器的抗側(cè)向力的能力明顯強于未優(yōu)化傳感器的抗側(cè)向能力。比如:在附加測向力為200N時，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)計了相應(yīng)的標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是通過比對的方法來進行，在施加力的路徑上串聯(lián)一個高精度的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條件下進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，最后驗證比對測量精度。試驗標(biāo)定過程中對傳感器6支路通道依次進行標(biāo)定，每路各取不少于6個標(biāo)定點，并進行遞增、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(shù)據(jù)。本文為了驗證傳感器的耦合情況，進行了三維復(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)計了一種基于AT89S52單片機和DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫度采集報警系統(tǒng)，對軟硬件設(shè)計進行詳細說明。該設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適用于糧倉、電力機房、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