基于ANSYS的新型三维微力传感器的设计 - 文章

基于ANSYS的新型三维微力传感器的设计

作者：李伟王卫英王军

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1 引言

在自然界中，为了求得生存与发展，生物形态通过亿万年的进化，往往具有最优的评价函数。随着仿生机器学的兴起和发展，很多生物学家运用各种测试手段，获取动物运动过程中的生物力学信息，通过对测试结果分析研究发现生物运动的机理，进而揭开其中的奥秘。树蛙可以在树上和竖直墙壁上飞快、自由、灵活地爬行，为研究树蛙的吸附机制，为将来研制仿生爬壁机器人及工作于各种复杂环境下的其他特种机器人提供客观依据，需要设计一种量程、精度合适的三维力传感器来测量树蛙在不同角度、不同表面(地面、壁面等)上爬行时脚掌与接触面间三维接触力。本文将介绍利用ANSYS软件来设计和分析一种小量程电阻应变片式微力传感器的设计方案，它具有结构简单、易于加工、成本低的特点，便于推广应用。

2 三维力传感器结构

三维微力传感器的核心部件为弹性体，弹性体的设计好坏直接影响到传感器的各项指标。在进行弹性元件设计时，一般都需考虑强度和刚度。粘贴应变片的位置应有足够大的应变，以使传感器有相当的灵敏度；另一方面要保证弹性元件中任何部分的应力不应超过材料的屈服极限。传感器由金属弹性体(硬铝合金LY12CZ)以及弹性体上的金属箔式应变片组成，如图1所示，在“L”型弹性体上，在垂直梁上A、C位置和水平梁上B位置的三个H孔薄壁处各贴有三组金属箔式应变片，如图2所示，分别用于测量被测力的3个分量(Fx，Fz，Fy)。垂直梁和水平梁均可简化为一端固定的悬臂梁，实质就是双孔平行梁式传感器。双孔平行梁式传感器具有结构刚度好、稳定性好、灵敏度高、传感器的输出与力的作用位置无关等优点。同时采用H孔对贴片部位附近的弹性体进行局部削弱，使贴片位置局部应力(应变)水平明显提高，而弹性体其它部位的应力〔应变)水平基本不变，刚度影响小；而且H孔结构还能获得高灵敏度、高固有频率、低维间耦合以及具有自限位保护功能等优点。每组应变片分别组成惠斯登全桥电路，电桥中的四个桥臂上全部接工作应变片，由于它们处于相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响，这样可以达到精确测量。

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图1 传感器结构简图

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图2 传感器贴片示意图

3 有限元分析

由参考文献[4]可知，双孔平行梁式传感器设计时，用材料力学知识计算不仅复杂且结果与实验结果相差很大，而采用弹性力学有限元法计算结果与实验吻合。ANSYS良好的操作界面和强大的前后处理功能大大减少工作量、缩短研发设计周期、降低成本，能为产品设计和性能评估提供可靠的依据。所以用ANSYS软件来设计三维微力传感器弹性体可以起到事半功倍的效果。

单元类型选用ANSYS提供的Solid95高精度实体单元，这种单元适用于弯曲模型分析，每个单元由20个节点组成，每个节点又有3个自由度：即x、y、Z方向上的平移自由度。杨氏模量为72GPa，泊松比为0.33，密度为2.78x 103 kg/m3。采用实体建模的自底向上法建模，首先定义关键点，依次得到相关的线、面、体，然后进行布尔运算，从而塑造出一个实体模型。这样便于使用ANSYS适应网格划分、局部细化、路径映射、优化功能等功能。再通过智能网格划分控制(SmartSize),选择划分精度，由ANSYS自动划分将实体模型转化为有限元模型。为了得到更精确的解，将H孔薄壁这种应力集中区域进行网格细分。

根据传感器的固定方式，水平梁右边截面全部自由度设置为零。根据传感器的测力要求和实际受力情况，分别在垂直梁顶端面中心点处施加满量程集中力载荷Fx=5.0N、Fy=5.0N、Fz=5.0N。然后求解，通过分析应力、应变等值线或曲线图，就可以了解应力、应变的分布状况。

同时，施加Fx＝5.0N 、Fy=5.0N、Fz=5.0N的力作用于垂直梁顶端面中心点处，应力图如图显示，弹性体的最大应力为196.02MPa，远小于硬铝合金的屈服强度360MPa，说明安全。

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图3 应力图

因为传感器是小量程的，所以确定精确的贴片位置尤为重要。利用ANSYS后处理器中的路径映射技术可以很方便地精确确定贴片位置。ANSYS后处理器提供的路径映射技术，可以任意设定路径，将应变结果映射到路径上，从而能以图表或列表的形式直观地显示、观察应变沿路径的变化情况，最终确定贴片的最佳位置。通过坐标位置很方便地定义路径。例如C位置的H孔，先通过坐标位置定义路径，在全局坐标系中定义点：X=4，Y=35-59，Z=0，这样就可以定义一条路径，如图4所示。然后再把应变映射到Y方向的坐标上，最后绘制路径数据曲线，如图5所示。可以看出0.6-4.6mm和16.6-20.6mm区间内应变水平最高，又满足我们所使用的金箔式应变计的尺寸，所以选择路径上该位置为测垂直方向力Fz的4个应变计的最佳贴片位置。

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图4 C孔处路径C1C2示意图

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图5

固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数，它为结构总体方案的动态设计提供依据。通过ANSYS软件的模态分析功能，获得该三维微力传感器的前六阶固有频率和振型，见表。

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三维微力传感器属于低通型传感器。一般可由第一阶固有频率的2/3来确定其工作带宽，因此估计传感器的工作带宽约为0～100Hz。

4 结语

本文运用ANSYS软件对的一种新型三维微力传感器的弹性体进行了有限元分析，通过计算弹性体的受力变形情况，精确地掌握了各点的受力情况，得到弹性体的应力、应变数据。利用后处理器中的路径映射技术，确定弹性体削弱部分表面最佳贴片位置，为传感器的进一步优化设计与应用奠定了基础。

参考文献
[1]朱超甫，陈虎平，刘哲.传感器设计的应力集中原则[J].传感器世界，2001，7(12)：22-24，21.
[2]陶宝棋，王妮.电阻应变式传感器[M].国防工业出版社，1993.
[3]Koyu Abe，Yusuke Tanida，Atsushi Konno and Masaru UchiyamaA directional deflection sensor beam for very small force/torquemeasurement [A].Proceedings of the 2003 IEEE/RSJ Intl.Conference on Intelligent Robots and Systems Las Vegas，Nevada，October20033，1056-1061.
[4]何芝仙，常小强，李震.双孔平行梁式传感器设计的理论分析与实验研究[J].试验技术与试验，2006，(3)：15-17.
[5]周宁.ANSYS机械改成应用实例【M].中国水利水电出版社，2006.
[6]胡晓伦，陈艾荣.ANSYS路径映射技术在结构分析中的应用[J].交通与计算机，2004，3(22)：86-90.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/4/2010)


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