三维力传感器标定的计算方法研究

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近十几年来,随着半导体微加工等电子技术的发展,对三维力传感器的研究在国内外得到了迅速发展。三维力传感器的标定工作是工程测试中的一个关键环节。目前在国内在三维力传感器的标定算法方面,既同时考虑传感器三个应变梁是正交的,又同时考虑了三向变形耦合关系的还是比较少的。本文首先从抽象的三输入三输出数学模型出发,建立三维力传感器的一般数学模型。在本文的研究中对该模型进行一阶泰勒展开时先将拉格朗日余项作为系统误差忽略,得到三维力传感器线性标定计算的正则方程组。分别在三个方向采取单向多次加载,通过最小二乘法将输出与载荷对应的数据进行线性拟合,将拟合结果与原正则方程组比对,确定其系数阵,从而得出标定的算法;利用最小二乘法将加载输出实际值与用标定算法计算值的差值及其对应实际载荷和计算标定值差的平方进行线性拟合从而求出该标定算法的系统误差式对应的系数,回代入标定计算式既可以得到标定算法的系统误差。为了验证该标定算法具有理论上的可行性,本文将具体的算例数据进行处理,可以得出算例的具体标定算法及算例的算法系统误差,发现该算法具有可行性而且其系统误差对算例的影响比较小,但该算法还存在一定的误差,因此本文还对造成算法出现误差的各种可能原因进行分析并提出改进及避免方法。最后通过设计一个具有普遍性的三维力传感器进行标定实验,得出一系列的标定数据,利用本文所提出的标定算法计算出标定结果并与实验结果进行对比,通过实验验证了该算法具有一定的可用性及标定准确性。该标定方法推导中仅假定传感器三个应变梁正交,同时考虑了三向变形耦合关系,而没有限定传感器的具体结构形式,因而该算法对于不同结构的三维力传感器具有一定的通用性。该算法为多向耦合类型传感器的标定提供了新的思路和研究方法。
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