传感器力敏元件位置优化及其动态特性研究

对多维力传感器的研究知道，传感器对力的测量是通过敏感电阻来实现的，应变式电阻阻值随着敏感位置的应变变化而变化，电阻阻值的变化量、应变及外力大小之间满足一定的函数关系实际上在某些应用中不仅要求了解外加力的大小，还需要了解外加力的频谱结构，而对于反映外部激振力的敏感面是比较大的，敏感面上每个位置对于传感器的模态反应不一样，对于线形时不变系统来说，系统任意一点的响应均可表示为各阶模态响应的线性组合，而各阶模态对响应的权重与外界激振力的频率结构相关，因此可以说，敏感单元位置的布置和传感器的动态特性之间是密切相关的过去对多维力传感器的研究局限在对外加力大小、方向和作用点的测量方面，而忽略对外加力的频谱结构了解，这主要的原因在于力传感器研究关注的重点在于静态测量从传感器的设计角度来看，研究动态性能不仅要了解传感器对不同频率输入响应即频率响无论是准静态还是完全动态的情况下，外加力的确定取决于敏感单元在弹性系统的位置布置为了得到外力，在很多情况下敏感单元在某些位置布置可能更加方便，特别是对于某些六维力传感器来说，其敏感单元多达24个甚至更多，这时敏感位置的优化布置显得更为重要从现有来看对于在动态应用背景下的多维力传感器敏感单元的优化布置问题很少有文章讨论，本文将针对基于E型膜片一体化三维加速度传感器，在有限单元模型分析基础上，研究传感器敏感单元的位置与传感器动态特性之间的关系。
　　2多自由度系统的模型简化根据有限元分析理论，多维力传感器可以看作是一多自由度系统为描述问题简化，这里有限单元模型表示为矩阵形式描述的自由振动：对称正定质量矩阵，对称正定刚度矩阵，阻尼矩阵，矩阵的维数为给定的有限单元模型的自由度数目n，输入f满位移丨X可选择保守的特征模式来描述：考虑到各个模态对响应点的作用不一样，一般采用简化方式来描述假设q（3）3传感器敏感单元模态与动态特性由前面的分析可知，每个敏感单元应变所反映的是外界所有输入力对传感器敏感单元的作用叠加之和。假设传感器为线形时不变系统，则任一敏感点响应均可表示为各阶模态响应的线形组合，设第l点的响也就是说，FX方向输出的电压反映了各阶模态的线性组合。
　　5结论传感器敏感单元位置敏感元件是通过应变来反映外界输入力的大小、方向，其反映的敏感位置阻值变化量与敏感位置的应变量之间的函数关系是在瞬时准静态条件下存在的当考虑弹性体刚度较大时，多维力传感器可看作是线性时不变系统，敏感单元应变是各阶模态的线性组合，由于各阶振型的差异，传感器敏感单元位置与传感器动态特性之间关系非常密切加速度传感器要求工作频带在其对应振型固有频率范围内，当外界输入频率超过振型固有频率，由于共振或拍振现象带来输出信号的失真