为实现基于垫圈式压电六维力传感器灵敏度指标的多结构参数设计与优选, 必须开展传感器的静态灵敏度解析数学模型研究。首先, 分析了传感器的结构特点和工作原理, 根据载荷在传感器内部的传递路径推导其静态灵敏度解析数学模型; 然后, 使用解析数学模型和基于ANSYS软件的数值模型对9组不同结构参数模型分别进行了解析计算和数值模拟, 在运用统计学理论对两种方法得到的结论进行分析的基础上, 验证了解析数学模型的有效性; 最后, 引入正交试验, 结合解析数学模型研究了多个结构参数对传感器灵敏度的影响规律, 优选了传感器结构参数并研制了实验样机, 完成了静态灵敏度标定实验。研究结果表明: 垫圈式压电六维力传感器的解析数学模型与数值模型之间的综合相关系数为0.988; 实验原型相对于解析数学模型和数值模型的平均载荷传递系数分别为0.73和0.75; 解析数学模型、数值模型和实验原型的综合各向同性度分别为0.71, 0.71和0.67, 3种模型对传感器的灵敏度研究结论一致。以解析数学模型为基础的正交试验可实现对该类传感器的多参数主动设计和优选。

位置敏感探测器(PSD)是基于半导体的横向光电效应的光电转换器件。根据横向光电效应的原理, 增强光生载流子的寿命可提高光生载流子的扩散长度, 从而实现横向光电效应的增强。利用缺陷和完整光子晶体设计了一维位置敏感探测器, 并用传输矩阵法计算了缺陷光子晶体的透射率和完整光子晶体的反射率。从所设计的位置敏感探测器对入射光的响应理论研究表明, 提高缺陷光子晶体的透射率和完整光子晶体的反射率可提高光生载流子的寿命, 从而实现增强位置敏感探测器的横向光电效应。

针对弹性体式六维力/力矩传感器存在的技术瓶颈, 提出了一种新型平板式压电六维力/力矩传感器。首先, 介绍了传感器的结构和工作原理, 提出了两种石英晶片组布置方案。然后, 推导了两种布置方案的传感器的数学模型, 并建立了有限元模型, 仿真得到了两种结构传感器输出的电荷灵敏度、维间干扰、固有频率等重要参数, 确定了石英晶片组相对合理的布置方式。最后, 对传感器进行了静态和动态标定。研究结果表明: 传感器结构简单合理、仿真分析方法和数学模型正确, 固有频率>25 kHz, 使用退耦矩阵后传感器的维间干扰<3%, 基本满足传感器的设计指标。

设计了一种新型的差动式压电加速度传感器.介绍了传感器的结构和工作原理,推导了传感器的数学模型,并分析了传感器惯性质量块和压电元件的质量对其输出特性的影响.然后,分析了传感器处理电路的结构,推导了该电路的设计指标.实验结果表明,该传感器采用单个惯性质量块实现了对加速度信号的差动式测量,其结构简单、重量轻、易于加工制造、抗干扰能力强;线性度为0.1%,是普通加速度计的1/2;频率响应误差为1%;重复性为1.27%;测量灵敏度是普通加速度计的2倍,基本达到了设计的目的.

提出一种基于位置敏感探测器(简称PSD)多光束同步检测技术的位姿检测新方法,采用两个二维PSD从不同角度同时测量出目标物体上多个特征点的二维坐标,然后通过坐标变换计算得到各点的三维空间坐标;根据位姿变化前后的各点空间坐标,采用比较简单的算法计算出目标物体的位姿参数.通过算例验证该方法是可行的;由初步的实验获得目标物体的位姿参数,最大平移误差为1.0574mm,最大旋转误差为0.2851rad,需要通过多种途径进一步提高系统的检测精度.