一体化结构六维加速度传感器设计

( t) = (ax, ay, az, Αx, Αy, Αz) T , a 和 Α为各轴向的线加速度 和角加速度分量。
这里给出的新型六维加速度传感器采用双膜片结
构, 通过将一个圆环形质量块实现各轴向惯性力和惯
性力矩的测量, 进而得到各轴向加速度和角加速度。其
结构示意图和有限元模型如图 1 所示。
212 弹性体的力学模型
B+ l]
(2)
式中: a, b, h 为圆环膜片的几何参数, 外半径、内半径
和厚度; F 为惯性力的等效集中力, 垂直于膜片平面。
则膜片上表面的应变:
Εr= -
h2dd2rΞ2 = -
3F (1- Λ2) 4ΠE h 2
2lnR - B -
ห้องสมุดไป่ตู้B R2
+
2
(3)
ΕΗ= -
h 2r
ddΞr =
-
3F (1- Λ2) 4ΠE h 2
1 引 言
2 多维加速度传感器原理及力学模型
如何从六维腕力传感器的信息中获取末端手爪与 外界环境的接触力是一个迫切需要解决的问题。 比较 有效的手段是检测出末端执行器的运动状态 (包括各 个方向的线加速度和角加速度)。
目前基于不同工作原理的多维微型加速度传感器 纷纷推出, 如压电式、压阻式、电容式和光纤位移式 等[1]。R. Puers 等设计了一体化的三维电容式微型加 速度传感器, 质量块固定在 4 个对称的横梁上, 形成了 4 个电容[2]。 K ijin Kw on 等利用整体微细加工与硅直 接粘合技术研制了一种一体化的三维压阻式微型加速 度传感器[3]。由于这些传感器研制成本高, 没有得到广 泛的应用, 另外, 也不能同时检测同一空间坐标系中运 动对象的角加速度。
这里提出一种新型结构的六维加速度传感器设 计, 其可实现空间坐标系中被测对象的三维线加速度 和三维角加速度。
2. 1 多维加速度传感器的基本工作原理
根据牛顿第二定律, 当质量块非匀速运动时, 在世
界坐标系中有惯性力:
F ( t) = M xβ(t)
(1)
式中: F ( t) = (Fx, Fy, Fz, M x, M y, M z) T , F 和 M 为各轴 向的惯性力和力矩分量; M 为质量矩阵, 其对角元素 为质量块的质量 m 和质量块的转动惯量 Ixx, Iyy, Izz; xβ
5 结 论
3 加速度传感器弹性体的有限元仿真分析
311 静力仿真分析结果 图 2 是 F 膜片的径向应变 Εr 分布云图, 沿 x 轴向
内 外 边 缘 附 近 是 应 变 最 大 的 区 域, 其 中 最 大 值 为 01343×10- 3, 而沿 y 轴向的应变则非常小, 沿半径的 最大值仅为 01487×10- 6, 约为 114‰。X, Y 方向加速 度变化影响对称。 在 az 加速度载荷作用下, 应变 Εr 沿 圆周分布相同, 是膜片内外边缘处应变最大, 最大值为 01637×10- 3, 但圆心两侧的半径上应变方向相同, 因 此通过适当的桥路连接, 也可以消除 z 轴向与 x 和 y 轴向间的维间耦合。
第 25 卷第 4 期增刊 仪 器 仪 表 学 报 2004 年 8 月
一体化结构六维加速度传感器设计Ξ
吴仲城 孟 明 申 飞 戈 瑜
(中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室 合肥 230031)
摘要 提出了一种基于单惯性质量块的一体化结构六维多维加速度传感器设计, 介绍了传感器的工作原理, 采用有限元工具 对传感器静态和动态特性进行了分析, 给出了弹性体的应变分布、固有频率及振型等, 实验结果表明传感器的误差小于 1%。 关键词 六维加速度 弹性体 有限元分析
条件与传感器工作状态一致, 即采用 311 中的约束, 得
到前 6 阶固有频率和振型特征列于表 1 中。
表 1 弹性体固有频率和振型特征
Hz
阶数
1
2
3
4
5
6
固有频率 7411 7411 7515 10013 23217 23217
4 实验结果
加速度传感器翻转法和等效力矩法的验证实验及 误差分析表明, 该传感器在施加载荷的主方向的误差, 即各测量点 类误差和系统综合 类误差均小于 1% , 类误差小于合同规定的 5%。
图 3 中给出了有限元模型和由式 (3)、(4) 理论模 型计算得到沿半径的膜片在 az 加速度载荷作用下应 变曲线, 可看出两者结果非常接近, 这说明有限元分析 是有效的, 模型建立比较合适。在 Αx Αy Αz 角加速度载 荷作用下相应的应变, 与 ax ay az 应变分布规律相同。
有限元仿真分析的结果给出了弹性体的静态和动 态特性, 从得到的各轴向载荷作用下的应变, 可以看出 该结构具有较高的灵敏度, 各轴向的灵敏度也比较接 近, 自解耦性高并且结构工艺简单。在弹性体有限元模 型的基础上, 可按照传感器各轴向灵敏度及其一致性 和固有频率等目标进行结构尺寸的优化, 为传感器性 能提高提供有效的设计依据。
Abstract A novel m ono lith ic six2ax is accelerom eter is p resen t. It u ses st rain gauge as sen sing elem en t fo r the detect ion of accelerat ion. Six fu llW heaston b ridges w ill ou tpu t differen t ial vo ltages due to the m ass inert ial fo rce to rque. T he stat ic and dynam ic characterist ics of the sen so r are analysized by FEM. T he experim en t resu lt s are p resen ted also, it s erro rs are less than 1%. Key words Six2ax is accelerat ion Sen sing st ructu re FEM
E 型膜片中的敏感部分圆环平膜片属于薄板结
构, 在 z 轴向加速度 az 的作用下, 边界条件比较简单,
Ξ 本文系国家自然科学基金 (60375027, 60343006) 资助项目。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
4 刘正士, 陆益民, 等. 一种高性能六轴腕力传感器弹性体 结构设计. 应用科学学报, 2001, 19 (1).
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2lnR -
B+
B R2
(4)
而弹性体结构在每个方向的固有频率求解, 可以
简化为单自由度二阶系统问题。 对于 z 轴向有固有频 率 Ξnz= Kz m , 式中 Kz 为弹性体 z 轴向刚度, 为灵敏 度的倒数; m 为弹性体中可动部分的总质量。
图 3 膜片的应变曲线图
312 动力学仿真分析结果
对弹性体的有限元模型进行动力学分析时, 边界
第 4 期增刊
一体化结构六维加速度传感器设计
303
图有1限 元传模感型器示结意构图及 图
2 ax
作用下
Εr
分布云图
等效为外圆环固定, 集中力作用在硬中心。根据板的小
挠度变形理论, 得到膜片的法向位移为:
Ξ(r) =
3F
(14ΠE
Λ2 h2
)
a
2
[
R
2
(
2
lnR
-
B-
1) + 2B lnR +
D es ign of a M onol ith ic S ix-ax is Accelerom eter Ba sed on S ingle Inertia l M a ss
W u Zhongcheng M eng M ing Shen Fei Ge Yu
( Institu te of In tellig en t M ach ines, CA S , H ef ei 230031, C h ina)
参考文献
1 吴仲城. 多维力传感器设计及其应用基础研究: [ 博士学 位论文 ]. 北京: 中国科学院智能机械研究所, 2001.
2 R. Puers, S. R eyn tijen s. D esign and p rocessing exp eri2 m en t of a new m in ia tu rized cap acitive triax ia l accelerom 2 eter. Sen so rs and A ctua to rs A , 1998, 68.
3 K ijin Kw on, etc. , A bu lk 2m icrom ach ined th ree2ax is ac2 celerom eter u sing silicon direct bonding techno logy and po lysilicon layer. Sen so rs and A ctua to rs A , 1998, 66.