[发明专利]多维力传感器的结构尺寸优化方法

摘要

本发明涉及一种多维力传感器的结构尺寸优化方法，该方法以求得传感器的应力应变解析解为基础，以传感器最重要的两个性能指标灵敏度和线性度为优化的目标函数进行优化。具体步骤如下：首先根据传感器的力学模型，建立弹性体在各种工况下的数学模型，求解出传感器应力、应变的解析解；基于应力应变的解析解，并以传感器的灵敏度和线性度为结构尺寸的优化目标函数对传感器的主要结构尺寸进行优化。该优化方法具有简单有效的特点，很好地处理了多维力传感器在精度、线性度和灵敏度之间很难达到一个很好的平衡点的难点，提高了传感器的测量精度、线性度和灵敏度。

主权项

1.一种多维力传感器的结构尺寸优化方法，其特征在于，其步骤是：（一）建立二维力传感器的力学模型，根据力学模型建立弹性体的数学模型，并求解出应力、应变与力的解析解，具体表达式如下公式：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）其中为轴向拉压力作用时的径向应力，为轴向拉压力作用时的切向应力，为轴向拉压力作用时的径向应变，为轴向拉压力作用时的切向应变，为径向剪切力作用下的应力应变、为径向剪切力作用下的切向应力 、为径向剪切力作用下的径向应变、为径向剪切力作用下的切向应变，式中：a为弹性体的外径，b为弹性体的内径，h为弹性体的膜厚，E为传感器的弹性模量，为传感器的泊松比，为轴向拉压力，为径向剪切力，为径向剪切力的偏转角度，r为膜片上的任意半径值，为硬中心的高度；（二）基于应变与力的解析解，确定影响多维力传感器的灵敏度和线性度的结构尺寸，并以多维力传感器的灵敏度和线性度为结构尺寸的优化目标函数进行优化：1）优化确定内外半径首先确定内半径或外半径当中的一个尺寸，通过改变内外半径比求得相对于硬中心相同比例位置处的应变，比较应变值的大小，在时，传感器的形变最大，应变达到最大值，传感器的灵敏度最大，由此，确定多维力传感器的内外半径比为；2）优化确定膜片厚度h为了确定边界条件，令多维力传感器实际的最大应力，以此作为膜片厚度的优化函数方程，膜片厚度的目标约束函数为，以此能得到的优化值，在此多维力传感器的工作范围内，最大轴向拉压力为=70N，最大径向剪切力为,估算得，由目标约束公式算得，h0.8176mm。