小型三维力传感器的设计和解耦测试研究.pdf

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1、第25卷第1期传感技术学报V01．25No．12012年1月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSJan．2012StudyonDesignandDecouplingTestofaMiniatureThreeDimensionsForceSensorYUZhiwei，GONGJun，Qiang，DAIZhendong(InstituteofBio-inspiredStructureandsu咖ceEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，

2、Nanjing210016，China)Abstract：Aminiatureresistancestrainthreedimensionsforcesensorwithanewelastomerstructureisdeveloped．Thisstructurehasmultipleslotsfromtoptobottom．Fourpiecesofresistancestraingaugeswhichareusedforthedetectionofthree—dimensionforceaffixedtothesidesoftheelast

3、omer．Thedisplacementvarietyofelastomeristranslatedintodependentvariableofstraingauges．Itisanalyzedtheelastomer’SdecouplingperformanceofthesensorbyusingthesimulationofFiniteElementAnalysistoanalyzetherelationshipbetweenforceandstrain．Focusonthethree—dimensionforcesensor，itge

4、tsthethree—dimensionforcedecouplingmatrix，throughstaticcalibrationanddecouplingcalculation．Three—dimensionforceexperimentshowsthatthesensorhashighaccuracy，andeffectivelyeliminatethecouplingamongthethreedimension，andhasfulfilledthedemandsofthesmallscaleforcefe：edbackcontrolo

5、ftheminiaturerobot．Keywords：miniature3·Dforcesensor；resistancestrain；sensordesign；decouplingtestEEACC：7230；7320Mdoi：10．3969／j．issn．1004—1699．2012．01．008小型三维力传感器的设计和解耦测试研究木俞志伟，宫俊，吴强，戴振东(南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京210016)摘要：研制了一种小型电阻应变式3维力传感器，采用一种新型弹性体结构，其自上而下开有多层槽孔，4个电阻应变片贴于弹性体侧

6、面，用于检测空间3维力。采用弹性体的位移变化量转化成应变片的应变量，运用有限元仿真分析力作用与应变关系，判定了具有该弹性体结构的传感器力解耦性能。针对实际3维力传感器进行静态标定和解耦计算，得到3维力解耦矩阵。3维力实验测试表明，所研制的传感器具有较高的精度，较好地消除了3维问的耦合性，能够满足小量程微小型机器人力反馈控制需求。关键词：小型3维力传感器；电阻应变式；传感器设计；解耦测试中图分类号：TP212．12文献标识码：A文章编号：1004—1699(2012)01—0038—06传感器在现代科学技术中的重要作用已为人们小体积、高灵敏度的

7、三维力传感器，如仿壁虎机器人充分认识．无论是在工业与国防领域，还是在生物工等小型智能系统，为此，研制了一种新型应变式三维程、医疗卫生、环境保护等领域，处处都离不开传感器力传感器。该传感器为电阻应变式，采用了一种特殊的应用⋯。多维力传感器是实现机器人类人化和智结构的弹性元件．实现了对三维力信息的获取。能化最为重要的一种传感器，它是工程力学检测和机1传感器结构设计及原理器人运动控制的基础，应用范围越来越广泛[2“]。近年来，随着半导体微加工技术的发展，三维力传感器电阻应变片是一种能将试件上的应变变化转换的研究在国外得到了迅速发展，基于不同工作原理

8、的成电阻变化的传感元件，其转换原理是基于金属电维力传感器纷纷推出，如压电式_5]、压阻式6等，阻丝的电阻应变效应。将应变片贴在被测定物上，谐振质量块则有单质量块和多