末端负载对应变式力传感器动态特性影响的研究

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应变式力传感器由于静态特性好被广泛使用。但是,由于其固有频率不高、阻尼比较小,导致其动态特性较差;而且,工况下应变式力传感器的支撑机构和末端负载等工装会进一步降低其动态特性,从而增大其动态测量误差。因此,为了评价应用中应变式力传感器的动态测量性能或对其动态测量误差进行校正,不仅需要研究传感器自身的动态特性,还需要研究工装对传感器动态特性的影响。本文则主要研究应变式力传感器工装中的末端负载对传感器动态特性的影响,通过仿真和实验研究分析传感器动态特性随末端负载变化的规律。仿真研究中,首先采用弹簧振子级联系统搭建“力传感器+末端负载”的简化模型,推导出其传递函数;然后,采用归一化结构特征参数表征末端负载、采用归一化动态特征参数表征带末端负载情况下传感器的动态特性,据此在MATLAB中对传感器动态特征参数随末端负载变化的规律进行了数值仿真。通过固定传感器结构特征参数,变化末端负载结构特征参数,分析传感器归一化动态特征参数的变化规律;同时改变传感器结构特征参数,通过变异系数分析传感器归一化动态特征参数变化规律的一致性。仿真结果表明,随着末端负载归一化质量、刚度、阻尼的变化,力传感器的归一化动态特征参数均随其呈现规律性变化,且归一化动态特征参数随末端负载的变化几乎不受传感器自身质量、刚度的影响,而只受其阻尼比影响。据此,采用BP神经网络建立了传感器归一化动态特征参数随传感器阻尼比和末端负载结构特征参数变化的模型。实验研究中,以ATI-mini45应变式多维力传感器为例,设计了变末端负载质量的传感器动态标定实验,获得了传感器在不同末端负载质量情况下的动态响应数据。针对传感器动态响应信号的多模态、密集模态的特征,采用分段积分迭代法对其进行模态参数辨识,得到了传感器在不同末端负载质量情况下的各阶模态参数,分析其随末端负载质量的变化规律,与仿真结果及神经网络所建模型进行对比分析。结果表明,实际传感器动态特征参数变化规律趋势和仿真分析结果基本一致;但由于传感器和末端负载自身参数未知,所以文中试探性地对比分析了实验结果与仿真建模结果之间的定量差异。总体上,研究结果在一定程度上揭示了传感器动态特征参数随末端负载变化的共性特征。
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