应变式多维力传感器结构优化设计方法研究
MEMS应变传感器的设计与制备技术研究
MEMS应变传感器的设计与制备技术研究随着科技的不断发展，MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术在各个领域得到了广泛应用。
其中，MEMS应变传感器作为一种重要的微纳传感器，具有灵敏度高、尺寸小、功耗低等优点，被广泛应用于工业、医疗、军事等领域。
本文将探讨MEMS应变传感器的设计与制备技术研究。
一、MEMS应变传感器的工作原理MEMS应变传感器是通过测量材料在受力作用下产生的应变来实现对力的测量。
其工作原理基于材料的应变敏感性，当材料受到外力作用时，会发生微小的形变，进而导致电学性能的变化。
通过测量这种电学性能的变化，可以间接地得到外力的大小。
二、MEMS应变传感器的设计MEMS应变传感器的设计是整个研究的核心。
设计过程中需要考虑传感器的尺寸、灵敏度、可靠性等因素。
首先，传感器的尺寸应尽可能小，以适应微纳制造的要求。
其次，传感器的灵敏度应高，能够检测到微小的应变变化。
最后，传感器的可靠性是非常重要的，需要经受长期使用和恶劣环境的考验。
在设计过程中，需要选择合适的材料和结构。
常用的材料包括硅、聚合物等，这些材料具有良好的机械性能和电学性能。
而结构的选择则需要考虑到应变传感器的工作原理和实际应用需求。
三、MEMS应变传感器的制备技术MEMS应变传感器的制备技术是实现设计要求的关键。
常用的制备技术包括光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等。
首先，通过光刻技术可以制备出微米级的图案，用于定义传感器的结构。
其次，薄膜沉积技术可以在基底上沉积出薄膜材料，用于构成传感器的敏感层。
最后，离子刻蚀技术可以实现对薄膜的精确加工，进一步定义传感器的结构。
制备过程中需要注意工艺参数的控制，以保证传感器的性能。
例如，薄膜的厚度、光刻的曝光时间等都会对传感器的灵敏度和可靠性产生影响。
因此，制备技术的研究和优化是非常重要的。
四、MEMS应变传感器的应用前景MEMS应变传感器的应用前景非常广阔。
在工业领域，它可以用于测量结构的变形和应力分布，从而实现对结构安全性的监测。
纺织结构压力及应变传感器性能优化
纺织结构压力及应变传感器性能优化1. 引言1.1 研究背景纺织结构压力及应变传感器是一种能够在纺织品表面测量压力和应变的传感器技术，具有在医疗、运动、安防等领域的潜在应用前景。
随着人们对生活质量和安全性的要求越来越高，传感器技术在纺织品中的应用也日益受到关注。
目前纺织结构压力及应变传感器仍然存在着一些问题，比如灵敏度不高、稳定性差、耐用性低等。
对纺织结构压力及应变传感器进行性能优化和集成设计是非常有必要的。
传统的压力和应变传感器通常由硅芯片或金属片制成，但这些传感器在柔性、透气性和舒适性方面无法满足纺织品的要求。
开发基于纺织结构的压力及应变传感器成为一种新的趋势。
通过利用纺织品的柔软性、弹性和适应性，可以实现对不同场合下的压力和应变的实时监测，从而实现更多的应用场景与需求。
通过对纺织结构压力及应变传感器的性能进行优化和集成设计，可以提高传感器的灵敏度、稳定性和耐用性，进一步拓展其在医疗、运动、安防等领域的应用。
本文旨在探讨纺织结构压力及应变传感器的优化设计及性能分析，为其应用前景展望提供理论基础和技术支持。
1.2 研究目的研究目的是为了通过优化设计纺织结构压力传感器和应变传感器，提高其性能指标和传感准确度，从而实现在纺织结构中实时监测压力和应变的功能。
通过集成设计压力和应变传感器，可以实现同时监测纺织结构的压力和应变变化，为纺织结构的性能分析与优化提供更全面的数据支持。
本研究旨在探讨纺织结构压力及应变传感器在工程实践中的应用前景，为纺织结构的智能化、智能监控和健康管理打下基础。
通过本研究的开展，可以推动纺织结构传感领域的发展，为智能纺织产品的研发提供技术支持，进一步提升纺织结构的科研水平和产业竞争力。
1.3 研究意义纺织结构压力及应变传感器在现代工业生产中起着至关重要的作用。
研究纺织结构压力及应变传感器的性能优化，具有重要的意义和价值。
优化纺织结构压力传感器的设计可以提高其灵敏度和稳定性，确保其准确度和可靠性。
提高应变式压力传感器的性能研究
提高应变式压力传感器的性能研究提要：压力传感器是比较常见的测力传感器之一，但传感器的性能包括灵敏度和精度等也都不尽相同，文章阐述了提高传感器性能的有效方法。
标签：压力传感器；应变片；轮辐；切应力压力传感器的种类很多，在工业领域应用也较为广泛，可以适用于各种工业自动控制系统中，石油石化、水利水电、铁路公路、油井、船舶，核电管道等众多行业，应用原理也有区别，有压磁式的，有压电式的，但最常见也是最稳定的还是应变片式的压力传感器。
1 电阻应变式压力传感器机构及测量电路电阻应变片是由基底、敏感栅及引线组成，黏贴在被测点的位置上，由敏感栅感应被测点压力的变化，进而转化为敏感栅上电阻阻值的改变，通过搭建电桥，转化为电压的变化。
电阻应变片制作精巧，安装简单方便，能够在种种恶劣的条件下工作。
此种电测方法具有线性特性好、灵敏度高、大大地提高了测量的准确度。
敏感元件的选择也决定了压力传感器的性能好坏，广泛使用的弹性敏感元件一般有圆柱式、圆环式、等截面或等强度悬臂梁式，实际根据我们在机械压力测试中的使用环境及测试规程，最常用的就是柱式弹性敏感元件。
电阻应变片通过基底上引线搭建的电路可以分为单臂式电桥，差动式半桥及差动式全桥电路，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，还可消除温度误差等共模干扰[1]。
为了提高测量的灵敏度及减小测量的非线性误差，常用的是由4片应变片搭建的差动式全桥电路，而且也必须通过对被测点结构的分析来合理安排4片应变片的安装位置，确保获得最高的测量精度。
如图1所示，差动式全桥测量电路中，其中电阻应变片R1和R4沿着圆柱体的轴向中心位置呈相对安装，另外两片电阻应变片R2和R3沿着圆柱体的径向中心位置亦呈相对安装，为了焊线的方便，同侧的轴向与径向的安装位置应该尽量保持紧凑。
这种黏贴方式能够确保在相同的压力作用下，4片电阻应变片会产生最大的应变值，测量电路的灵敏度最大。
例如，在压力机标定试验中，当压力作用在弹性敏感元件上，通过有限元软件Ansys分析可知，在轴向中心位置为正向应力最大值，相反在径向中心位置为负向应力最大值。
课程设计--应变式力传感器设计
本文主要介绍应变式力传感器的设计及应用。
当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息社会的重要技术基础，应变式力传感器用作静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。
随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。
在本文中主要介绍传感器的工作原理，电阻应变片的基本工作原理，传感器的选择材料，弹性元件的选择，应变式传感器的结构与设计。
以及简单介绍电阻应变式力传感器的两种应用形式，柱式力传感器，梁式力传感器及它们胶的粘贴类型及工艺原理，最后介绍温度补偿方法等。
关键词：力传感器；电阻应变片；电桥；线性度1 引言 (4)1.1 课题研究背景 (4)1.2 国内外发展动态 (4)1.3 传感器概念 (5)1.4 传感器的工作原理 (5)1.5 传感器的组成结构 (6)2 电阻应变片的相关知识 (8)2.1 电阻应变片的结构和工作原理 (8)2.2 电阻应变效应 (8)2.3 电阻应变片的种类及材料 (10)2.3.1 电阻应变片的种类 (10)2.3.2 电阻应变片的材料 (12)2.4 金属应变片的主要特性 (14)2.5 柱形应变式力传感器 (18)2.5.2 利用拉伸与压缩应力的称重传感器 (19)2.5.3 柱式称重传感器的误差来源 (22)2.6 梁式力传感器 (22)3 粘贴技术及稳定处理 (26)3.1 应变片粘贴技术 (26)3.1.1 粘结剂的选择 (26)3.1.2 应变计的粘贴 (26)3.2 弹性元件材料的稳定处理 (27)4电阻应变式传感器的信号处理电路 (29)4.1 转换电路 (29)4.2 直流电桥 (29)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)1 引言1.1课题研究背景现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和处理技术，也就是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”、“大脑”。
应变式三维加速度传感器弹性体结构的优化设计
作 者简介 ： 王小燕（ １ ９ ７ ７ 一 ） ， 女， 助＿ Ｙ － ， 在读 硕士研 究生 ， 研 究方向为传
感 器设 计 。
收稿 日期 ： ２ ０ ０ ６ — １ ２ — １ ４
日前 ， 中 国电器工业协会 副会 长兼秘 书长
杨 启明、 中 国 电 器 工 业 协 会 副会 长 兼 电 动 工 具
设 取 得 了丰 硕 成 果 。
全市现有 电动 工具 企业 ３ １ ０家， 其 中有规
模 以上 企 业 ３ ５家 、 亿 元 以 上 企 业 ８家 。并形 成 以 数 十 家 骨 干 企 业 和 众 多配 件 企 业 相 配套果 ，用极差分析法来确定因素对指标的
影 响 的主 次关 系 和最 优方 案 。结 果见 表 ３ 。
产值 近 ６ ０亿元 ， 销 售收入 ５ ２ ． ４亿 元 ， 出口交易
值 １ ８亿 元 的 区域 性 特 色 经 济 和 全 国电 动 工 具 零 配件 的主 要 产 销 基 地 之 一 。
表 中Ｋ （ １ ， ２ ， ３ ， ４ ） 表示各 因素 中各水平所对应 的
表 １ 弹性元件正交试验水平表
水 平 面磊
面 因 素
面
３ ． ３ 正 交试验 表
由表 １ 知这是一 个 ４因 素 ４水平 的试验 ，应选用 应的各次试验数据之和的平均值。极差为同一列 中 的 Ｌ ６ ４ ５ 型正交表 ， 把４ 个因素依次放在表的前 ４ 列（ 第５ 列 最大值与最小值之差 ，极差越大表示其因素水平改变对 不要 ） ， 把各列 的水平和该列相应因素的具体水平对应起 试验指标影响越大。表 中可以看出各 因素对综合性能 的 来， 得到具体 的试验方案见表 ２ 。在整个 １ ６ 次试验 中， 不 影响由主到次依次为薄壁厚度—— 圆环高度——薄壁高 最佳方案为 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ ， 即Ａ ： 薄壁厚度， 第 同因素 的各个不 同的水平 出现了相 同的次数 ，即水平 和 度——弧长比。 水平 ， １ ． ５ ｍ ｍ； Ｂ ： 薄壁高度 ， 第一水平 ， ７ ｍ ｍ； Ｃ ： 圆环高 因素搭 配 都 均匀 ， 能 全面 代 表 ２ ５ ６ 次 试验 ， 较 全面 反 映各
219465121_多孔结构柔性应变传感器的研究进展
多孔结构柔性应变传感器的研究进展何崟1，2，乔惠惠1，刘丽妍1，2，刘皓1，2（1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津300387；2.天津工业大学智能可穿戴电子纺织品研究所，天津300387）摘要：随着智能可穿戴柔性电子技术的发展，兼具高灵敏度和宽检测范围的柔性应变传感器的研发需求日益增长。
多孔结构的材料中本身大量孔隙的存在便于构造复杂的导电网络，可实现灵敏度的有效提高；同时材料内部孔隙的存在导致自身杨氏模量降低，材料表现出更好的压缩性。
对多孔结构柔性应变传感器的研究进展进行了全面概述，简要介绍了基于多孔结构柔性应变传感器的材料和类型，详细综述了多孔结构柔性应变传感器敏感材料常见的多孔结构和制备方法，总结了这些传感器在人体运动监测、生理信息监测和能量收集器等方面的应用，讨论了多孔结构的柔性应变传感器目前面临的一些挑战和未来发展的方向。
关键词：多孔结构；柔性应变传感器；静电纺丝；3D 打印；脉搏；心跳监测中图分类号：TB381文献标志码：A文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园23）园3原园园28原08收稿日期：2022-02-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51473122）；中国博士后科学基金项目（2021M691699）；天津市教育委员会科研项目（2019KJ001）通信作者：何崟（1985—），女，副教授，主要研究方向为智能服装服饰、可穿戴传感材料及电子器件。
E-mail ：******************.cn Research progress of flexible strain sensor with porous structureHE Yin 1，2，QIAO Hui-hui 1，LIU Li-yan 1，2，LIU Hao 1，2（1.School of Textile Science and Engineering ，Tiangong University ，Tianjin 30087，China ；2.Institute of Smart Wearable Electronic Textiles ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：With the development of intelligent wearable flexible electronic technology袁the research needs of flexible strainsensors with high sensitivity and wide dynamic range are growing.The existence of a large number of pores in the porous materials contributes to fabricating a complex conductive network袁which leads to an effective increase in sensitivity曰meanwhile袁Young忆s modulus will decrease袁and the material shows better compressibility.The research progress of porous flexible strain sensor is comprehensively reviewed.The materials and types of porous flexible strain sensors are briefly introduced袁and the preparation methods of porous flexible strain sensor areoverviewed in detail.The applications of these sensors in human movement monitoring袁physiological informationmonitoring and energy collector are summarized.Finally袁current challenges and future opportunities forporous flexible strain sensors are discussed.Key words ：porous structure曰flexible strain sensor曰electrospinning曰3D printing曰pulse曰heartbeat monitoring高性能柔性应变传感器具有柔软且贴合人体皮肤的显著优点，它可以将外部力信号转化为电信号，是人体运动检测、人机交互、软机器人、电子皮肤等系统的重要组成部分，也是未来人类医疗保健监测和人工智能领域的关键技术[1-2]。
一种小型电阻应变式三维力传感器的仿真设计
一种小型电阻应变式三维力传感器的仿真设计吴强;俞志伟;吉爱红;戴振东【摘要】研制了一种小型电阻应变式三维力传感器,其弹性体由主弹性体和附加弹性体组成,主弹性体上开有若干槽孔,电阻应变片贴于附加弹性体上,而附加弹性体与主弹性体通过物理方式连接.采用有限元方法进行仿真分析,将弹性体的位移变化转变成应变片的应变量,利用静力不同时应变不同的原理分析了弹性体的解耦性能.有限元分析计算和静力实验结果表明,所研制的传感器具有较高的灵敏度,并能够较好地消除各维间的耦合.%The paper developed a miniature three dimensions force sensor of resistance strain type. It used strain gauge as sensing element for the detection of force. The elastomers were composed with central and additional elastomers. Central elastomer having some cutting slots was joined physically with additional elastomer adhering to resistance strain. The displacement variables of elastomers were translated into dependent variable of strain type. It was analyzed based on different decoupling capabilities of the elastomers under different static forces by ANSYS simulator. Experimental results have indicated three dimensional force sensor has desirable sensitivity and can remove coupling in different dimensions.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2011(022)011【总页数】6页(P1288-1293)【关键词】电阻应变;力传感器;仿真设计;有限元法【作者】吴强;俞志伟;吉爱红;戴振东【作者单位】南京航空航天大学,南京,210016;南京航空航天大学,南京,210016;南京航空航天大学,南京,210016;南京航空航天大学,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TP212.12传感器在现代科学技术中的重要作用已被人们所充分认识,无论是在工业与国防领域,还是在生物工程、医疗卫生、环境保护等领域,处处都离不开传感器的应用[1]。
力传感器设计与性能优化
力传感器设计与性能优化力传感器是一种广泛应用于工业自动化领域的重要设备，它能够测量物体受到的力的大小和方向。
在工业生产中，力传感器的设计和性能优化对于提高生产效率和质量至关重要。
本文将从传感器设计的原理和优化的方法两个方面进行探讨。
一、传感器设计原理力传感器的设计原理主要基于弹性体的变形原理。
当外界施加力量作用于弹性体上时，弹性体会发生变形，其变形程度与施加力的大小成正比。
传感器通过测量弹性体的变形来间接测量外界施加的力。
在传感器的设计中，弹性体的选择十分重要。
一般来说，金属材料常常被用作传感器的弹性体，因为金属具有较高的弹性模量和抗腐蚀性能。
此外，传感器的结构和形状也会影响其灵敏度和测量范围。
例如，采用薄片状的弹性体可以提高传感器的灵敏度，而选择合适的结构形式可以扩大传感器的测量范围。
二、性能优化方法为了提高力传感器的性能，可以从多个方面进行优化。
1. 灵敏度优化传感器的灵敏度是指传感器输出信号与输入力之间的比例关系。
提高传感器的灵敏度可以使其对微小力的测量更加精确。
在设计过程中，可以通过增加弹性体的长度或改变其形状来提高传感器的灵敏度。
此外，还可以采用电桥等电路结构来放大传感器的输出信号，从而提高灵敏度。
2. 频率响应优化传感器的频率响应是指传感器对不同频率力的响应能力。
在某些应用中，如振动测量，传感器的频率响应至关重要。
为了优化传感器的频率响应，可以通过选择合适的材料和结构来提高传感器的自然频率。
此外，还可以采用滤波器等电路来调整传感器的频率响应。
3. 温度补偿优化温度对传感器的性能有较大影响，因为温度变化会导致弹性体的物理特性发生变化。
为了优化传感器的温度补偿性能，可以采用温度传感器来测量环境温度，并通过软件或硬件的方式进行温度补偿。
此外，还可以选择具有较小温度系数的材料来制作传感器的弹性体，以减小温度对传感器的影响。
4. 噪声抑制优化传感器的输出信号中常常存在各种噪声，如电磁干扰、机械振动等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图1
传感器结构尺寸图
其中 l 为应变片丝栅纵向长度。 建立 ANSYS 有限元仿真模型（ 如图 2 所示 ） ， 该弹性体为一体化
11 2 铝合金材料， 其弹性模量 E = 0 ． 72 × 10 N / m ， 泊松 3 3 密度 ρ = 2 ． 778 × 10 Kg / m 。 比 μ = 0 ． 33 ，
。由于设计原理和制造加工等因素影响， 多
维力传感器存在维间耦合， 由于这种耦合关系复杂 导致其测量精度 且难以从 理 论 上 进 行 精 确 描 述， 不高。 多维力传感器耦合的根本原因在于传感器结构 上存在耦合， 弹性体结构设计对传感器的综合性能影 响很大， 是影响传感器性能的核心技术。好的弹性体 结构不仅可以消除或减小这种维间耦合的影响， 减小 传感器的传递误差， 而且可以极大简化后续繁冗的标
)
Abstract： The precision and main performances of multiaxis force strain sensor are determined by its elastomer structure，the reason for the transmission of couplingerror of structure is analyzed． And then the application of optional and optimal method for the function of objectiveoptimization of sensor matrix，Finite Element Method（ FEM） ， orthogonal design and range analysis method are all elaborated． Finally， the practicality and feasibility of optimal design method applied for sensor elastomer structure has been analyzed and canvassed in a concrete example． Key words： multiaxis force strain sensor； elastomer； integrated optimization； FEM； orthogonal design EEACC： C4185 ； B7130 ； B7230 doi： 10． 3969 / j． issn． 1004 － 1699． 2010． 10． 010
应变式多维力传感器结构优化设计方法研究
*
(
摘
1 吴宝元 ， 申
2 2* 飞， 吴仲城
1． 中国科学院合肥智能机械研究所，合肥 230031 2． 中国科学院合肥强磁场技术研究中心，合肥 230031
)
要： 多维力传感器的结构决定了其精度及静 、 动态性能指标， 对应变式多维力传感器弹性体结构耦合误差传递的原因进
正交实验结果及各组合对应的 C 目标优化值 因素 A B 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 C 1 2 3 4 2 1 4 3 3 4 1 2 4 3 2 1 D 1 2 3 4 3 4 1 2 4 3 2 1 2 1 4 3 E 1 2 3 4 4 3 2 1 2 1 4 3 3 4 1 2 实验结果 W 1 929 ． 6 5 564 4 368 4 096 6 400 11 520 2 706 3 493 ． 6 3 222 ． 4 2 840 8 382 19 448 2 346 2 530 ． 8 2 842 2 946 ． 4 目标值 f（ x） 26 ． 250 25 ． 922 13 ． 482 8 ． 3741 49 ． 517 91 ． 790 7 ． 3155 10 ． 458 24 ． 031 11 ． 107 65 ． 669 88 ． 399 15 ． 046 20 ． 243 36 ． 885 30 ． 380 图3 因素—指标图
U o（ i） U exc GF i
因素
（ 6）
弹性体结构参数 / 正交实验水平表（ mm）
外径 R 内径 r 膜片 t1 水平 1 水平 2 水平 3 水平 4 表2 32 34 36 38 10 12 14 16 0． 2 0． 4 0． 6 0． 8
质量块 t2 8 9 10 11
硬中心 t3 5 6 7 8
ΔF = （ ΔV + ΔC） k （ C） 式中 k（ C ） 为误差传播因子， 其存在上界：
（ 3）
cond（ C ） k（ C） ≤ （ 4） 1 － cond（ C ） ΔC cond（ C） 为传感器特征矩阵 C 的谱条件数， 其中， 即 －1 cond（ C = ‖C‖ · C ） ， · ， ‖ ‖ ‖ ‖表示矩阵谱范数 应 有 cond（ C） ≥1， 并且谱条件数完全由传感器的特征矩 阵 C 决定， 当误差项 （ ΔV + ΔC ） 一定时， 谱条件数越 小， 则传感器的误差传播就越小， 另外， 当弹性敏感元 件（ 电阻应变片、 弹性体） 和测量转化放大电路的精度 即观测矩阵 V 一定，被测力 F 的误差取决于 一定时， C 的误差， 特征矩阵 C 的误差对 F 的影响是传感器系 统测量精度的主要因素。由此可见， 较小的矩阵谱条 件数 cond（ C） 可以保证被测载荷有较小的误差， 也就 是可以使传感器获得较高的精度。因此， 传感器特征 矩阵 C 的谱条件数 cond（ C） 可作为优化目标。
(
WU Baoyuan1 ，SHEN Fei2 ，WU Zhongcheng2*
1 ． Institute of Intelligent Machines，Chinese Academy of Science，Hefei 230031 ，China； 2 ． Hefei High Magnetic Field Laboratory，Chinese Academy of Science，Hefei 230031 ，China
“仿人机器人集成化足部感知系统 ” （ 2008AA04Z205 ） ； 国家高 项目来源： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 面上项目资助 技术研究发展计划（ 863 计划） 重点项目： 仿人机器人移动作业协调关键技术和系统集成（ 2008AA0420601 ） 资助 收稿日期： 2009 － 04 － 08 修改日期： 2009 － 06 － 07
m
4
正交实验设计—极差分析法
多维力传感器的结构复杂且设计参数多， 如果
对不同结构参数和不同的载荷情况任意组合进行数 值优化分析， 计算量太大， 且计算结果仍然不能充分 反映各结构参数对传感器性能的影响程度 。 因此， 此处采用正交实验设计—极差分析法以期最大限度 地减少计算量， 可以较全面分析主要结构设计参数
（ 5）
1414
传
感
技
术
学
报
第 23 卷
对传感器静、 动特性的影响。 依据前节所述边界条件， 选取 5 个弹性体主要 结构参数为因素（ A … E ） ， 取水平数 4 ，每个因素按 照相同的幅度递增 （ 表 1 所示 ） ， 选用 L16 （ 4 ） 型正 交表， 列写正交实验表（ 表 2 所示 ） 。 灵敏度 S 和固 有频率 f 是多维力传感器弹性体的两个重要性能指 标， 对前节中的六维力传感器来讲， 传感器各向灵敏 度为： Si =
表1
5
2， …6 ） 为各桥路应变量， K 为应变片 其中： ε i （ i = 1 ， 灵敏系数，G 为桥路放大增益。 传感器各阶固有频率： 1 Ki ，i = 1 ， 2， …， 6 （ 8） 2π m K 为各维向刚度， m 为硬中心及质量块的质量。 fi =
槡
为了同时兼顾该两种性能指标， 我们选其乘积 W（ 即 W = S × f ） 为试验设计指标， W 值高说明传感 器综合性能好。 据表 2 中各因素和水平的均匀组 利用 ANSYS 进行有限元分析， 并利用 Algor Feas 合， Y、 Z 向均受 5g 载 中的相关分析程序包仿真， 以 X、 荷计算。根据正交实验设计结果， 用极差分析法确 定各因素对指标 W 的影响的主次关系列于指标 － 因素图（ 图 3 。 所示 ） ， 每种试验组合设计所得试验 结果列于表 2 。
第 23 卷 第 10 期 2010 年 10 月
传 感 技 术 学 报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUct． 2010
Study on Optimal Design Method for the Structure of MultiAxis Force Strain Sensor*
第 10 期
吴宝元， 申
飞等： 变式多维力传感器结构优化设计方法研究
1413
1
传感器误差传递分析
3
有限元法仿真模型
应变式多维力传感器是利用本身弹性体形变感 知外载荷， 并通过敏感元件将变形转变为可测信号 。 在载荷力 F 作用下， 传感器产生变形所引起的应变 输出为 V， 两者之间的关系可以用下式表示 V = CF （ 1） F 为传感器所受外载 式中： V 为传感器的应变输出， C 为传感器特征矩阵， 由传感器的结构、 尺寸及 荷， 制作工艺等所决定。 V 和 F 都存在一定的 一般来说， 在实际测量中， 测量误差， 矩阵 C 的误差 ΔC 要比测量误差 ΔF 大 很多， 在建立传感器的应变测量误差 ΔV 以及力加 载误差 ΔF 的情况下， 则传感器真实数学模型就为： V + ΔV = （ C + ΔC） （ F + ΔF） （ 2）
2
目标优化函数的选择
图2 有限元仿真模型
多维力传感器大多采用最小谱条件数作为优化 但特征矩阵 C 的谱条件数无法反映应变 目标函数， 片的灵敏度， 对于特征矩阵不同而矩阵的条件数相 同的两只传感器， 很难对其灵敏度进行准确评价． 由 于特征矩阵行范数可以反映应变片的灵敏度 ， 所以 可以将传感器 综合考虑传感器精度和灵敏度要求， 特征矩阵的最小条件数与行范数加权比值作为目标 优化函数， 即 f（ x） = cond（ C ） n → min ［ norm］