采用电磁力杠杆机构的力平衡式传感器

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1、采用电磁力杠杆机构的力平衡式传感器重庆大学硕士学位论文(专业学位)学生姓名：沈利坚指导教师：王秋晓副教授兼职导师：韦向东高工学位类别：工程硕士（机械工程领域）重庆大学机械工程学院二O一六年五月ForceBalanceSensorBasedonElectromagneticForceBalanceLeverStructureAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheProfessionalDegreeByShenLijianSupervise

2、dbyAss.Prof.WangQiuxiaoPluralisticSupervisedbySen.Eng.WeiXiangdongSpecialty：ME(MechanicalEngineeringField)CollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity，Chongqing，ChinaMay2016中文摘要摘要力传感器在力学计量领域中具有重要地位，是质量特性参数（质量、质心、转动惯量和惯性矩）的基础。传统力传感器由于弹性敏感元件的非线性和信噪比问题，其精度难以突破0.02%。本文提出了一种采用电

3、磁力杠杆机构的力平衡式传感器，改善传感器的非线性和信噪比问题以提高传感器精度。首先，通过对目前常用力平衡式传感器的工作原理进行分析，提出了本文研究的力平衡式传感器的工作原理及实现机制，并对传感器进行了机械结构设计，主要包括单点传感器和三点传感器的设计。其次，设计分析了用于产生电磁力的电磁铁。确定了电磁铁的结构参数，包括电磁铁结构形式的确定及线圈的设计。使用有限元软件ANSYS对电磁铁进行了仿真，初步得到电磁力与线圈电压之间的关系曲线，验证了F-U曲线的非线性。随后，对电磁铁的特性进行了分析，得出气隙和温度是影响F-U曲线非线性的主要原因，并提出采用分段线

4、性拟合的方法解决F-U曲线的非线性问题。然后，设计了电磁力控制系统的硬件电路。采用直流斩波电路对电磁力进行控制。通过信号采集电路，利用压力传感器、温度传感器和霍尔电流传感器对传感器进行实时监测，使用TMS320F2812的EV模块产生PWM输出信号控制直流斩波电路。基于上述硬件设计了控制系统的软件，包括信号采集模块和PWM信号产生模块。最后，建立传感器实验台，进行了传感器重复性误差实验、位置误差实验及温度实验来验证传感器的静态特性。此外，对测量误差的来源进行了分析。关键词：力传感器，电磁力，线性度，信噪比I英文摘要ABSTRACTForcesensori

5、saveryimportantpartinforcemeasurementfield,whichisthefoundationofmassproperties(quality,centroid,rotationalinertiaandmomentofinertia).Theelasticallysensitiveelementnonlinearityandthesignal–noiseratioarethelimitationofthetraditionalforcetransducer,whichmakestheprecisionisrarelyhig

6、herthan0.02%.Thispaperproposesaforcetransducerwithelectromagneticforcebalanceleverstructure,whichimprovesthenonlinearityandsolvesthesignal-noiseratioproblemtoacquirehighprecision.Firstly,theprincipleandtheimplementationmechanismofthesensorwereproposedbyanalyzingtheoperatingprinci

7、pleofnormalforcebalancesensor.Thenthemechanicalstructureofthesensorwasdesigned,includingsingle-pointsensorandthree-pointsensor.Secondly,theelectromagnetweredesignedandanalyzed,whichwasusedtoproducetheelectromagneticforce.Theelectromagnetstructureparametersweredesignedincludingthe

8、structuralformandthedesignofthecoil.Fini