电容型多维力传感器设计及标定研究文献综述

 2022-09-25 02:09

  1. 文献综述(或调研报告):

摘要:本文在查阅大量文献资料的基础上,了解电容型力传感器的工作原理及其研究现状,分析电容型多维力传感器的设计意义和应用价值;了解不同形式的多维力传感器标定,探索操作简便、结构简洁、稳定性高的标定方法;理解多维力传感器维间耦合的概念,分析各种解耦算法,以提高传感器的测量精度。

关键词:电容型力传感器;多维力传感器;传感器标定;解耦。

  1. 电容型力传感器研究
    1. 电容型力传感器原理

力传感器是一种以一定精度将力信号转变为与之具有确定对应关系的电信号输出的测量装置[1],是绝大多数机器人系统中不可或缺的传感器件。广义的力共有六个维度,包括三维正交力和三维正交力矩。若一个力传感器仅能检测某一固定方向的输入力信号,则该传感器为单维力传感器;同理,若能同时感知多个方向的力或力矩,则为多维力传感器(可细分为二维、三维、六维等)。

按照工作原理的不同,力传感器可分为电阻应变式、压磁式、电容式、压电式、光纤式等。其中电阻应变式力传感器具有较长的发展历史和较成熟的生产技术,因而得到了广泛地应用。例如,文献[2]设计了柱式结构的力传感器,外部输入力使得弹性结构产生形变,通过贴于侧壁的电阻应变片感应应变,并将其转换为电压输出,从而实现力值检测,具有灵敏度高、结构简单等优点。而基于其他原理的力传感器仍主要处于研究阶段,还具有很大的发展空间。文献[3]介绍了光纤传感器在生物力学中应变和力测量的应用;文献[4]提出了一种基于8点支撑结构的压电式六维力/力矩传感器,利用石英晶体的压电效应,将力或力矩转换为电压输出,具有体积小、动态特性好等优点。

与上述原理相比,基于电容原理的力传感器温度效应好、功耗低、迟滞小、过载能力强、成本低、环境适应性强,具有广阔的应用前景和较高的实用价值。电容型力传感器,可将力信号转换为电容量的变化,再通过相应的测量电路,将电容变化转换为电压输出,从而实现力值测量。根据引起电容量变化的参数的不同,电容传感器还可细分为变极距型、变面积型和变介质型。其中变极距型电容传感器应用最为广泛,它将输入信号转换为电容极板间距离的变化,进而引起电容量的变化。

1.2 电容型力传感器研究现状

目前已有的电容型力传感器多为单维力传感器。文献[5]提出了一种用于铁路道岔转换设备检修的电容型单维力传感器,采用多电容并联的结构,体积小巧,量程达到了10kN。文献[6]提出了一种双面变极距电容式压力传感器,该传感器具有较强的抗过载能力,适用于浅海域海水压力的快速测量。虽然基于电容原理的单维力传感器已经有广泛的研究,但其应用场合具有较大的局限性。尤其对于复杂系统,如人体运动测量系统、操作力测量系统、航空航天系统等,输入力的方向和大小均为变化量,单维力传感器难以完成测量任务,必须采用多维力传感器才能准确测量力值信息。

目前针对电容型多维力传感器的研究相对较少,且主要集中在触觉传感器领域。文献[7]-[9]提出了结构类似的变气隙式三维触觉传感器。力作用于柔性材料,使得柔性材料发生形变,从而改变电容极板间的气隙厚度,实现力到电容变化量的转换。此类传感器结构体积小,且可阵列排布,适用于仿生皮肤、触屏界面等应用场合。但由于其量程较小(通常为数十毫牛到数牛),无法实现对较大输入力的测量。文献[10]提出的三维力传感器,采用串联弹性结构,可测量力的大小和作用点,并且能够实现输入力的缓冲,从而避免传感器在人机交互场合应用中造成危险。该传感器既可采用电阻应变原理,也可采用电容或光电原理进行检测,量程可达到50N。虽已具备较大的量程,但该传感器仍有很大的局限性。由于其本身弹性结构的特殊性,该传感器只能敏感z向输入力和x/y向输入力矩,而无法完成普遍意义上的任意方向力(x/y/z向力)的测量。

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