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    氣浮式測力傳感器靜特性的影響因素

    發布時間:2019-11-07 14:07:48 |來源:網絡轉載

    1.引言

          氣浮式測力傳感器靜特性是評價傳感器性能的重要指標,主要包括線性度、靈敏度、穩定性、準確性等。氣浮式測力傳感器是新型的六維力傳感器,六維力傳感器在機器人操作手、火箭發動機推力測試、醫學治療裝備以及體育運動中人體足力信息的測試等場合有重要的應用¨。4]。至今,國內外六維力傳感器主要有梁式結構、筒形結構、十字結構和Stewart結構等形式口。1…,這些類型的傳感器存在維間耦合現象,測量精度難以突破l%FS。氣浮式六維力傳感器能有效避免維問耦合現象,大幅提高六維力測量精度[11。”一。但目前對氣浮式測力傳感器靜特性的研究很少。噴嘴浮板機構是構成氣浮式六維力傳感器的基本單元,本文將基于簡化的二維模型分析研究氣浮式測力傳感器的靜特性。從傳感器設計的完整性角度看,氣浮式測力傳感器靜特性與噴嘴結構及各部位(包括承壓腔、節流孔、測壓孔)的尺寸、供氣壓力大小等因素有關,本課題前期研究過噴嘴半徑、承壓腔及節流孔的尺寸對靜特性的影響。為了研究氣膜厚度、供氣壓力變化以及測壓孑L的設置對氣浮測力傳感器靜特性的影響,本文采用理論、仿真及實驗相結合的方法。首先根據諾維一斯托克斯方程建立噴嘴浮板機構靜特性方程,再通過Fluent軟件仿真及實驗研究噴嘴浮板之間氣膜流場特性(包括線性度、靈敏度、承載力等)及其變化規律,揭示靜特性與噴嘴結構參數、供氣壓力及測壓孔之間的內在聯系。其中,在仿真和實驗分析過程中,由于Fluent軟件的特點,它不能直接得到輸入為承壓腔壓力,輸出為承載的曲線,本文取氣膜厚度為中間變量描述仿真和實驗結果,因為當噴嘴結構及各部位的尺寸、供氣壓力大小等參數一定時,承載與氣膜厚度及承壓腔壓力一一對應,所以取氣膜厚度不會影響靜特性的分析。本文為氣浮測力傳感器氣膜流場特性及其變化規律研究提供了科學依據,為氣浮式六維力傳感器的進一步研制提供了理論依據,對氣浮式六維力傳感器的研究具有重要意義。

     

    2.噴嘴浮板機構靜特性方程

    2.1工作原理

          氣浮測力傳感器的基本工作單元是噴嘴和浮板組成的噴嘴浮板機構,其二維模型如圖1所示。上面為浮板,下面為噴嘴,其中噴嘴承壓腔半徑為盤,噴嘴半徑為b,氣膜層厚度為h,供氣壓力為P。,承壓腔內氣體壓力為Pa,大氣壓力為P。,“為氣膜層內任一點的速度。以平行噴嘴半徑方向為T軸,垂直噴嘴半徑方向為了軸建立直角坐標系,并設定Y軸方向上氣膜層厚度為h時的承載力為Ⅳ,則根據諾維斯托克斯方程可以建立承載力W與承壓腔內壓力P。之間的函數關系。氣浮測力傳感器工作時通過測量承壓腔內的壓力即可計算出噴嘴的承載力。

    3.實驗驗證

          設計加工節流孔直徑0.4mm,節流孔深度1mm,承壓腔直徑6mm,承壓腔深0.15mm,噴嘴外徑20mm,在離節流孔4mm處設置0.4mm的測壓孔的噴嘴,并在如圖7所示的靜特性實驗裝置上進行實驗。以線性度及靈敏度形式與仿真結果進行對比驗證。線性度是指從標定和數據處理得易操作角度出發,輸入值和輸出值之間呈現一種線性的關系,輸人為承壓腔壓力,輸出為承載。由于Fluent無法直接得到輸入為承壓腔壓力,輸出為承載的曲線,而氣膜厚度及承壓腔壓力一一對應,可以取氣膜厚度作為輸入來分析靜特性,定義靈敏度A=(w。一W:)/(^,一h。),即將承載力對氣膜層厚度求導。實驗在供氣壓力分別為303、505和707kPa條件下,通過調節加重塊使氣膜層厚度分別為5、10、20、30、40、50、60、80和100ttm,測得相應的承載力,并用測壓表測得相應的承壓腔壓力。

     

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