基於並聯分載原理的壓電式六維大力感測器研究

《基於並聯分載原理的壓電式六維大力感測器研究》是依託濟南大學，由李映君擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於並聯分載原理的壓電式六維大力感測器研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李映君
• 依託單位：濟南大學

項目摘要

本項目針對大慣量、大衝擊、大載荷重載操作裝備，通過機理分析、數字建模、數值仿真與實驗驗證相結合的途徑，突破重載操作裝備多維時變大載荷動態測量關鍵技術，揭示極端載荷條件下多自由度重載操作裝備的力學行為與動態回響規律，研究溫度和衝擊惡劣工況對測力感測器系統的影響規律，依據壓電石英晶體高剛度、高靈敏度、高固有頻率、高穩定性和低阻尼的特點，提出重載、強衝擊條件下基於壓電效應的六維大力線上測量原理和方法，研究基於並聯結構原理的六維大力測量多力敏元件分布結構與解耦方法，設計並研製壓電式六維大力感測器，解決大承載能力和六維力測量之間的矛盾，提高重載大慣量操作裝備的動態特性和控制精度，為實現重載、強衝擊條件下重載操作裝備設計、製造與力反饋控制提供科學依據和技術基礎。

結題摘要

本項目研究目標是大慣量、大衝擊、大載荷極端工況下重載操作裝備多維時變大載荷動態測量關鍵技術，解決大承載能力和多維力同時測量技術難題。首次提出了基於並聯分載原理和壓電效應的支撐式結構的壓電六維大力感測器測量原理和方法，發展出了高溫、重載、大衝擊力從一維到六維的大力測量原理和方法，提出了壓電式六維大力感測器新的彈性體結構形式，從理論分析、仿真分析、實驗分析相結合方面研究了感測器彈性體和力敏原件空間布局結構形式，推導出了基於壓電效應的六維大力測量多力敏元件分布結構與解耦方法，建立了力敏元件空間布局點數與被測六維大力的映射關係。提出了利用支撐式結構及大力承載軸剛性並聯來實現並聯多維分載測量方法，初步解釋並推導出了六維大力感測器的軸向、橫向、力矩及扭矩理論分載比公式。實現了基於並聯分載原理和壓電效應的高靈敏度、高剛度、高線性度和強解耦的壓電式六維大力感測器的結構設計，建立了感測器靜力學和動力學模型，揭示了感測器所受外力與其彈性體變形、內部應力及應變的本質關係，得到了感測器零部件屬性和結構參數對感測器靜、動態特性影響的規律。基於LABVIEW技術、神經網路技術、最小二乘法技術等數據處理技術相結合的方式，實現了壓電式六維大力感測器靜態標定的解耦算法研究，設計了一種能滿足大量程六維力感測器靜態標定的裝置，為感測器建模和解耦提供了數據和評價依據。搭建了六維大力感測器靜動態標定實驗平台，針對感測器的測量要求和實際安裝條件，提出了一種基於脹緊原理的六維力感測器緊固裝置，解決了六維力感測器軸上固定和力傳遞問題。對研製的壓電式六維大力感測器進行了靜/動態標定實驗，通過實驗數據分析研究了影響六維大力感測器測量精度誤差產生的各種因素，建立並推導出了各種原因引起的六維大力感測器的測量誤差誤差模型和公式，研究了抗干擾措施和提高信噪比的方法，針對高溫場合等極端環境下感測器套用開展了高溫環境下測試信號傳輸的穩定性控制技術方面的研究。研製了壓電式六維大力感測器樣機，並將其在重載操作裝備上進行套用試驗，對快鍛工況、剁斷等工況進行了衝擊力測量試驗，試驗測試效果良好，驗證了項目研究內容和研究方法的合理性和有效性，為實現重載、強衝擊條件下重載操作裝備設計、製造與力反饋控制提供了科學依據和技術基礎。