压电式六维力传感器结构仿真及信号处理电路设计

论文摘要

在机器人传感器中,力传感器是最基本的一种,能够检测三维力和三维力矩的六维力传感器是机器人最不可或缺的重要传感器。虽然,对多维力传感器的研究已有40多年的历史,科研工作者在这方面也已经做了大量的科研工作,但就目前的各种方法主要还是通过设计不同的弹性体和改变电阻应变片的贴片位置等来设计多维力传感器,由于贴片工艺和弹性体加工精度等因素的影响,制造出来的传感器几乎都存在结构复杂、加工制造困难、体积大、动态响应特性差等缺点。为了解决目前六维力传感器的不足之处,本文研究了一种结构简单的直接输出型压电六维力传感器,该传感器具有体积小,质量轻,工作可靠,固有频率高,灵敏度和信噪比高,滞后小,且无需对输出信号进行解耦运算等优点。对该传感器的研究具有十分重要的研究意义和广阔的应用前景。本文首先介绍了压电传感器的工作原理,接着分析了各种压电材料的压电特性,选择石英作为传感器的转换元件材料;根据传感器的受力范围,设计了石英晶片的尺寸;根据传感器测量六维力(力矩)的需要,提出了传感器敏感元件的布局方案。整个六维力传感器通过两个四维力传感器组合构成,该结构具有很好的对称性,可以避免施加纯力的过程中附加力矩的干扰。论文运用三维有限元理论和ANSYS软件,针对设计的压电式六维力传感器,在ANSYS中建立了该传感器的模型。并运用ANSYS软件对六维力传感器进行了静力分析、电磁分析和模态分析。仿真结果表明,该传感器的结构设计合理,具有较好的线性度,高灵敏度,维间干扰较小,固有频率较高等特点。最后论文分析了压电传感器对测量电路的要求,选用电荷放大器作为压电传感器的处理电路,在分析电荷放大器的各功能模块的基础上,研制了电荷放大器电路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 六维力传感器的介绍
• 1.1.1 六维力传感器的应用
• 1.1.2 六维力传感器的分类
• 1.1.3 六维力传感器研究现状
• 1.1.4 六维力传感器的发展前景
• 1.2 压电式力传感器研究的意义
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 2 压电式六维力传感器的结构设计
• 2.1 压电式六维力传感器的的设计要求
• 2.2 压电式六维力传感器的压电理论基础
• 2.3 传感器转换元件的设计
• 2.3.1 压电材料的选择
• 2.3.2 石英晶体
• 2.3.3 六维力传感器中石英晶片的布局
• 2.3.4 石英晶片尺寸计算
• 2.4 传感器本体结构设计
• 2.4.1 传力构件设计
• 2.4.2 预紧构件设计
• 2.4.3 壳体的设计
• 2.4.4 材料的选择
• 2.5 六维力传感器总体结构设计
• 2.6 本章小结
• 3 压电式六维力传感器的ANSYS 仿真
• 3.1 有限元方法理论基础
• 3.1.1 有限元方法介绍
• 3.1.2 ANSYS 有限元分析软件
• 3.2 ANSYS 计算分析
• 3.2.1 ANSYS 计算分析过程
• 3.2.2 模型的建立
• 3.2.3 前处理基本参数的输入
• 3.2.4 网格的划分
• 3.2.5 接触对的建立
• 3.2.6 力或力矩的施加及其结果
• 3.3 本章小结
• 4 压电式六维力传感器的模态分析
• 4.1 前言
• 4.2 模态分析
• 4.2.1 模态提取方法
• 4.2.2 载荷处理及边界约束条件
• 4.2.3 扩展模态
• 4.2.4 模态计算结果
• 4.3 结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 压电传感器处理电路的设计
• 5.1 引言
• 5.2 压电式传感器的等效电路
• 5.3 压电式传感器对测量电路的要求
• 5.4 压电式传感器的二次仪表
• 5.4.1 电压放大器
• 5.4.2 电荷放大器
• 5.5 “力——电”电荷放大器的设计
• 5.5.1 联接电缆的选择
• 5.5.2 电荷变换级的设计
• 5.5.3 归一化放大级的设计
• 5.5.4 滤波技术
• 5.5.5 功率输出级
• 5.5.6 过载指示级
• 5.5.7 电源
• 5.6 PCB 板设计注意事项
• 5.6.1 去耦电容
• 5.6.2 地线设计
• 5.6.3 布线注意事项
• 5.7 本章小结
• 6 电荷放大器的实验分析
• 6.1 电荷放大器的实验分析
• 6.2 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A. 电荷放大器电路板
• 附录B. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录