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研究生:卓鴻隆
研究生(外文):Hon-Lung Jwo
論文名稱:金屬應變計式六分量力感測器之研究
論文名稱(外文):On the study of strain gauged six-component force sensors
指導教授:劉勝安劉勝安引用關係
指導教授(外文):Sheng-An Liu
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:感測器力感測器最佳化設計
外文關鍵詞:sensorforce sensoroptimal design
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中文摘要
金屬應變計式六分量力感測器係利用在特定位置貼有應變計而能感受互相垂直的三軸方向的三個力及三個力偶之彈性體的變形來改變應變計的電阻值,配合惠斯登電橋(Wheatstone Bridge)及其控制電路,能使其依感測彈性體的變形量比例得到輸出電壓,因此能精確得知所承受的各方向的負載。
六分量力感測器依其對各方向負載的交互影響程度分為耦合型與非耦合型。本研究將就所設計的耦合型與非耦合型兩種感測彈性體,利用電腦輔助工程分析套裝軟體(Cosmos/M)之有限元素法及最佳化法作模擬分析,以了解應力、應變分布情形及位移量,作為應變計黏貼位置與方向的參考及預期感測器之各項特性。利用各負載產生之應變,推導出力與應變的關係矩陣,以期模擬六分量感測器所能感測外力大小。
本文內容共分成四章:第一章概論,對金屬應變計式六分量力感測器作一簡介及敘述本研究之動機及目的。第二章基本理論,本單元將對六分量力感測器理論基礎作一闡述及推導,包括六分量力感測器之感測原理、有限元素法之元素及座標轉換、彈性力學理論、最佳化法及六分量力感測器特性等。第三章設計實例分析與結果,在本章裡將針對所設計之耦合型與非耦合型兩款六分量力感測器運用有限元素法及最佳化法執行分析模擬,此外亦對改善六分量力感測器之輸出信號均致的方法作一探討。第四章結論,對本研究之結果作一總結與建議。
Abstract
In a strain-gauged six-component force sensor, strain gauges bonded securely as a whole to appropriate locations of the associated elastic structural member in the sensor form at least six bridge circuit, form the voltage outputs of which the magnitudes and direction of three forces and moments are determined in an inverse matrix calculation. A six-component force sensors may be categorized into coupled and decoupled in terms of the relation between outputs from the various bridge circuits and the six force component. For the former, the existence of any force component generally produces outputs in more than one bridge. Cross sensitivities thus exist in such a sensor, ensuing a relatively complex calibration matrix. As for the later, the output of a corresponding to a specific force component is theoretically not affected by any of other force components. Since the force sensing member is generally monolithic, a completely decoupled one is not obtainable in reality. Every sensor is coupled to some degree.
The measurement characteristics, which are the measurement sensitivity, the measurement isotropy and the decoupling, of a strain-gauged six-component force sensor depends mainly on the structural design of the associated elastic member which senses the external force. Generally, in a design a compromises between stiffness and flexibility of the elastic member is required.
Here in this study, both coupled and decoupled six-component force sensors are designed, and are then subjected to the finite element and shape optimization analysis using a computer-aided analysis software. The optimal sizes are determined, and the stress and strain distribution in the elastic members are obtained. Based on the strain results, the outputs of the six full bridge circuits composed of strain gauges bonded to the location of maximum strain are calculated, from which the magnitude of the six external force component may be determined by matrix calculation.
This thesis includes four parts. First of all, the six-component force sensors are reviewed, and the purpose and scope of the study are described. Secondly, the fundamental theories related to a six-component force sensor are discussed. these include the sensing principles, the elasticity, the finite element technique, and the shape optimization procedure. Thirdly both coupled and uncoupled six-component force sensors are designed and are analyzed. The measurement characteristics of these sensors are obtained, evaluated. Finally, suggestions for future study as related to this particular topic are proposed.
第一章 概論……………………………………………1
1.1前言…………………………………………………1
1.2研究動機與目的……………………………………3
1.3研究目標與內容……………………………………4
第二章 基本理論…………………………...…………5
2.1電阻式應變計原理……………...…………………5
2.2惠斯登電橋……………….………….……….……6
2.2.1定電壓驅動之惠斯登電橋…………………….7
2.2.2定電流驅動之惠斯登電橋…………………….7
2.3六分量力感測器感測原理……………………….…9
2.4有限元素法概要…………….….………..……….11
2.5元素型式及座標轉換……………………………….12
2.6彈性力學理論…………………..………………...20
2.6.1彈性條件…………………...…………………..20
2.6.2平衡條件……………………………………….22
2.6.3相容條件………………………………………23
2.7最佳化設計理論………….…………………………24
2.7.1數學模式的建立………………………………24
2.7.2數值方法的選取…………………..………….25
2.8感測器特性指標…………………….…………….27
2.8.1校準矩陣………………………………..……..27
2.8.2條件係數……………………………………….28
第三章 設計實例分析與結果…………………...……29
3.1 偶合型六分量力感測器…………………………….31
3.2 非偶合型六分量力感測器…………………………46
3.3 改善條件係數之研究………………………………62
3.4六分量力感測器設計原型…………………...……74
第四章 結論………………………………………………78
4.1結論………………………………………………….78
4.2.建議………………………………………………….79
參考文獻……………………………………………………80
參考文獻
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