传感器弹性元件的结构优化设计_刘齐茂
基于SIMP方法微电容加速度计结构固有频率拓扑优化
来保 证 和提 高微加 速 度计 的测 量精 度
本 文采 用有 限 元方 法 ， 立 了结 构 离 散 化 的系 建
减少结 构 中 间密度 单 元 数 目 ， 结 构单 元 密 度 尽 可 使 能为 ０或 １从 而 用 连 续 优 化设 计 方 法 近 似 离 散 优 ，
速度 计结 构 固有频率 的方 法进 行研 究 。 结构 拓扑 优 化 ， 一 种 创 新 设 计 方 法 和 手 段 ， 是 处于 产 品的概 念设 计 阶段 ， 用 拓扑 优 化 方 法 进 行 采
和隧道 效应 式 ， 由于它 的高 灵 敏度 、 的 直 流 响应 、 好 低 噪声 、 漂 移 、 温 度 的敏 感 性 低 、 能耗 、 构 低 对 低 结 简单 的优 点 ， 其 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 ， 中 电容 使 其
式 微加 速 度 计 应 用 最 为 广 泛 Ｊ 目前 这 类 传 感 器 。 的测 量 范 围 一 般 ０ １ ｇ ０ ｇ 频 响 范 围 为 （ — ． —５ ， ０
结构 设计 ， 能够 显 著 降低 研 发 成 本 ， 升 产 品性 能 。 提 谢勇 君 等 基 于 ＳＭＰ材料 插值 方 法 ， 立 了热 固 Ｉ 建 耦 合 场结 构 的有 限元 控 制 方 程 ， 研究 了 热 固耦 合 场 的敏 度分 析 问题 ， 建立 了叉 指 式 微 电容 加速 度 计 质 量块 结构 的热 固耦 合 拓扑 优 化 模 型 ； 齐 茂 等 采 刘 用均 匀化 方法 ， 以电容 式 微 加 速 度计 微 结 构 的第 一
关键词
微 电容加速度计
拓扑优化
固有频 率
ＳＭＰ密度 法 Ｉ
中图法分 类号
Ｔ ８４４ Ｈ ２． ；
传感器中的弹性敏感元件设计课件
max
max
E
r EJ
Mt
轴向单位长度上的扭转角
fi
1 GJ
Mt
单位长度上的扭转角
fi与扭矩M
成正比，与乘积
t
GJ 成反比，GJ称为抗扭刚度。
扭转棒长度为l时的扭转角为
f
fil
l GJ
Mt
3.3.4 平膜片
圆形膜片分为平面膜片和波纹膜片两种。 在相同压力情况下，波纹膜片可产生较大的
r
3p
8h 2
a2 1 r 2 3
t
3p
8h 2
a2 1 r 2 1 3
r
1 E
r
t
3p1 2
8Eh2
a 2 3r 2
t
1 E
t
r
3p1 2
8Eh2
a2 r2
• 在圆板中心（r = 0）处，切向应力与径向应力相
等，切向应变与径向应变相等，而且具有正的最大
4.1电阻应变片的工作原理
➢ 电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上的 应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转换 原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。
➢ 所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝）的 电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一 种物理现象。
➢ 原因：因为金属丝的电阻和材料的电阻率与其 几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过 程中，它们都要发生变化，因而引起金属丝的 电阻变化。
3.3.2 悬臂梁
悬臂梁是一端固定一端自由的金属梁。 作为弹性敏感元件，它的特点是结构简
单，加工方便，适用于较小力的测量。 根据梁的截面形状不同又可分为等截面
梁和等强度梁。
传感器的弹性敏感元件-第三章.
EA
f0 0.159 2l ml
l — 柱体元件的长度 ml — 柱体元件单位长度的质量
(3.7)
ml A
f0
0.249 l
E
(3.8)
ρ — 柱体元件的材料密度
圆柱形弹性敏感元件主要用于电阻应变式拉力 或压力传感器中。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
2、悬臂梁 结构简单，灵敏度高，多用于较小力的测
5、固有振动频率 固有频率决定其动态特性，一般来说，固
有频率越高，其动态特性越好。
1k
f
(Hz )
2 me
(3.5)
k — 弹性敏感元件的刚度
与灵敏度相矛盾
me — 弹性敏感元件的等效振动质量
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
1、弹性圆柱(实心和空心) 结构简单，可承受很大载荷；但产生的位移
很小，所以往往以应变作为输出量。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
6、波纹管
图3.12 波纹管
压力(或轴向力)的变化与伸缩量成比例， 所以波纹管可以把压力(或轴向力)变成位移。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
轴向作用力下，与波纹管的轴向位移的关系：
1 2
n
yF
Eh0
A0
A1
2 A2
B0
h0 2 RH 2
(3.24)
F — 轴向集中作用力 n — 工作的波纹数
具有弹性变形特性的物体。
§1 概述
弹性敏感元件： 利用弹性变形实现将被测量由一种物
理状态变换为另一种相应物理状态的元件。
作用：直接测量被测量
常用的弹性敏感元件有波纹管、弹性梁、 柱及筒、膜片、膜盒、弹簧管等。
振筒式压力传感器弹性元件结构设计与分析
数无 明显 影 响。通 过 瞬 态动 力 学分析 计 算得 到谐振 筒的调 节 时 间， 明 了谐振 筒 具有 较 好 的 动 态响 应 证
特 性 。为谐 振 筒 的结构 设计 和优 化提 供 了参考 。 关键词 ： Ｎ Ｙ ； 响 应分析 ； Ａ Ｓ Ｓ谐 品质 因数 ； 弹性 元件 中图分 类 号 ：Ｐ １ ； Ｐ ９ ． Ｔ ２ ２ Ｔ ３ １７ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章编 号 ：０ ８ ５ ０ （ ０ １ ０ — ０ ４ ０ １０ — ３ ０ ２ １ ） ６ ０ ５ — ４
收稿 日期 ：０ １ ０ — ４ ２ １ — ７ ０
・
５４ ・
・
计算机应用技术 ・
电 子 机 械 工 程
２１ 年 ｌ 月 ０１ ２
其振 型 可 用 轴 向 截 面 半 波数 ｍ 与 径 向截 面 整 波 数 ／ １ ， 以 （ｔ ｍ） ／ ＇ ， 的形 式 表 示 。 为 了确 定 谐 振 筒 结 构 的 固 有 频率 ， 决定 振筒 的工 作 振 型 ， 对 振筒 进 行 模 态 分 析 ， 需
ＰＡ＝８ ０ ｇ ｍ 。 １ ０ ｋ ／ 。
◆罾 ●叠 ◆墨
●鐾 ●
图 ３ 谐 振 筒 各 阶振 型
根据 振筒式压力传感器 的结构 ， 弹性元件谐 振筒为带 有顶盖的薄壁 圆柱壳。其壳 体部分使 用 弹性 壳 Ｓ ＥＬ３ Ｈ ｔ６
单元， 顶盖部分使用 Ｓ ＬＤ３ Ｏ Ｉ７ 单元。Ｓ ＬＤ３是带有转动 Ｏ Ｉ７ 自由度的八节点六 面体单元 ， 便于 同 Ｓ Ｅ＿ 单元耦合 ， Ｈ Ｉ￣ ／ 由于没有 中问节点 ， 因而相 比于同类 型的 Ｓ ＬＩ ５单元 可 Ｏ Ｉ９ Ｙ 节省处理时间。结构中实体单元与板壳单元的连接利用节
传感器中的弹性元件(共7张PPT)
在横向（ α =90°）产生的应力、应变为：
σ =-μ F/A ； ε= -μ F/AE
柱形弹性元件的固有频率f0为：
f0 =(0.249/l) √E/ρ 3.4.2悬臂梁
(3-6)
一、等截面梁
x
F
x处的应变为：
εx=6F (l-x)/EAh (3-7)
悬臂梁自由端的挠度（位移）为：
l
h
y=4l³F/E bh³ (3-8)
第三章 传感器中的弹性敏感元件
3.1引言
弹性敏感元件：把被测参数由一种物理状态（如：力、力矩、 压力）变换为另一种所需要的相应物理状态（如：：应变、 位移）
3.2弹性敏感元件的基本特性 3.2.1弹性特性
指作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形之间的关系， 可由刚度或灵敏度表示
一、刚度 弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力，即：
F h
l
在压力P的作用下，中心最大挠度为：
ymax=3(1-μ²)R²P/16Eh³ (3-12)
在半径为r处膜片的应变值：
εr=3(1-μ²) (R²-3r³)P/8Eh (3-13)
2F圆弹0 性形敏感平元件的膜基本片特性的固有振动频率：
εr=3(1-μ²) (R²-3r³)P/8Eh (3-13)
第一页，共7页。
k = dF /dx (3-1)
式中：F—作用在弹性元件上的外力；
x—弹性元件产生的变形；
二、灵敏度
F
Sn= dx / dF (3-2) 3.2.2弹性滞后
F
x
F
Δx
x
第二页，共7页。
3.2.3弹性后效
F
F0 3.2.4固有振动频率
光纤气泡微腔传感技术
文章编号：０２５５—８２９７（２０１８）０１—０１０４—４４
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎ－Ｆｉｂｅｒ Ａ ｉｒ Ｂｕｂｂｌｅ Ｍ ｉｃｒｏｃａｖｉｒｔｉｅｓ
ＬＩＵ Ｓｈｅｎ， ＬＩＡＯ Ｃｈａｎｇ－ｒｕｉ， Ｗ ＡＮＧ Ｙｉ－ｐｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，
第３６卷 பைடு நூலகம்１期
应 用 科 学 学 报
Ｖｏ１．３６ Ｎ。．１
２０１８年 １月
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＳＣＩＥＮＣＥＳ— Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊａｎ．２０１８
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５５—８２９７．２０１８．Ｏ１．００６
１０５
光 纤传 感器件类型较 多，其 中光 纤布 拉格光栅 （ＦＢＧ）和 长周期光纤光栅 （ＬＰＦＧ）是两 种 主要研究 的类 型．该类器件 制备工 艺 已经实现工程化 和 自动化 ，可应 用于光纤通信 及光纤 传感 ２－１４］．此外 ，光纤干涉 仪因结构紧凑和微型化也得 到了广泛 的研 究．研究人员设计 、制 备 的光纤干涉仪结构类型多种多样 ，包括光纤法布里一珀罗干涉仪 （ＦＰＩ）、光纤马赫一曾德尔干 涉仪 （ＭＺＩ）、迈 克尔逊干涉仪 （Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）及萨格纳 克 （Ｓａｇｎａｃ）干涉仪 【１５≈８１．
Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１ ８０６０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｏｐｔｉｃａｌ ｆ ｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ（ＦＰＩ）ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎ—
弹性波式压力传感器[实用新型专利]
![弹性波式压力传感器[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/03cf6f2515791711cc7931b765ce050877327541.png)
(10)授权公告号 (45)授权公告日 2014.04.30C N 203572603U (21)申请号 201320770024.6(22)申请日 2013.11.30G01L 1/25(2006.01)(73)专利权人成都国科海博信息技术股份有限公司地址610000 四川省成都市高新区天益街38号1栋(72)发明人吴磊 刘杰 宋德林 陈鹏 梁浩王全北(54)实用新型名称弹性波式压力传感器(57)摘要本实用新型公开了弹性波式压力传感器，包括印制电路板（1）、石英基座（2）、压力器件（3）、压力敏感屏（4）、换能器（6）和挡板圈（8），所述的石英基座（2）位于印制电路板（1）的正下方；所述的压力器件（3）的顶部设置有压力敏感屏（4），在压力敏感屏（4）的顶部还设置有换能器（6），压力器件（3）卡接在印制电路板（1）和石英基座（2）所形成的直角腔体上；所述的印制电路板（1）的正上方还设置有石英帽（5），在印制电路板（1）的外围设置有一圈挡板（8）。
本实用新型通过上述结构，只需通过与延迟时间成反比的震荡频率即可输出压力信号，功耗低且可靠性好，在印制电路板外围还设置有挡板与其它部件隔离，防止电路板被压坏。
(51)Int.Cl.(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利权利要求书1页 说明书2页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书2页 附图1页(10)授权公告号CN 203572603 U1/1页1.弹性波式压力传感器，其特征在于：包括印制电路板（1）、石英基座（2）、压力器件（3）、压力敏感屏（4）、换能器（6）和挡板圈（8），所述的石英基座（2）位于印制电路板（1）的正下方；所述的压力器件（3）的顶部设置有压力敏感屏（4），在压力敏感屏（4）的顶部还设置有换能器（6），压力器件（3）卡接在印制电路板（1）和石英基座（2）所形成的直角腔体上；所述的印制电路板（1）的正上方还设置有石英帽（5），在印制电路板（1）的外围设置有一圈挡板（8）。
传感器弹性元件的结构优化设计
传感器弹性元件的结构优化设计
传感器弹性元件的结构优化设计包括以下几点：
1、设计合理的弹性元件结构：根据应用要求，合理选择弹性
元件结构，如弹簧、橡胶等。
2、优化弹性元件材料：根据应用要求，合理选择弹性元件材料，如钢、铝、塑料等。
3、优化弹性元件尺寸：根据应用要求，优化弹性元件尺寸，
以达到最佳的传感性能。
4、优化弹性元件结构参数：根据应用要求，优化弹性元件的
结构参数，如弹性系数、摩擦系数等，以达到最佳的传感性能。
5、优化弹性元件外壳：根据应用要求，优化弹性元件外壳，
以达到最佳的传感性能。
结构模态测试中的传感器优化布置方法研究及应用
结构模态测试中的传感器优化布置方法研究及应用结构模态测试中的传感器优化布置方法研究及应用摘要：结构模态测试是工程领域中常用的一种手段，用于研究和评估结构的固有特性。
而在结构模态测试过程中，传感器布置的合理性对于测试结果的准确度和可靠性起到至关重要的作用。
因此，本研究针对结构模态测试中的传感器优化布置方法进行研究，并进行应用实例分析。
一、引言结构模态测试是一种通过振动测量手段研究结构固有特性的方法。
传感器布置的合理性对于测试结果的准确度和可靠性具有决定性影响。
因此，传感器优化布置方法的研究对于提高结构模态测试的效果具有重要意义。
二、传感器布置的原则与目标在进行结构模态测试中，传感器的布置需要遵循以下原则和目标：1. 全面性原则：传感器的布置应能够充分覆盖结构的重要区域，以确保测试结果的全面性和代表性。
2. 均衡性原则：传感器的布置应均匀分布在结构的不同区域，以使得测试结果在空间上具有较好的均衡性。
3. 敏感性原则：传感器的布置应考虑到结构的近场和远场区域，以提高测试结果的敏感性和分辨率。
4. 目标：通过传感器布置的优化，得到清晰，并具有合理经济解释的测试结果，以满足该测试的目标。
三、传感器布置方法的研究与优化传感器布置方法的研究与优化主要从以下两个方面入手：1. 基于经验的布置方法基于经验的布置方法是通过对结构特性的理论分析和经验总结，得出一定规则和经验公式。
根据这些规则和公式，可以进行传感器的布置。
（1）基于力振反馈法布置传感器：根据结构在不同频率下的受力和振动情况，选择合适的位置布置传感器，以获取结构的模态参数。
（2）基于随机分析法布置传感器：通过对不同位置的随机振动响应进行分析，选择具有较高信号幅值的位置，以布置传感器。
2. 基于数值优化的布置方法基于数值优化的布置方法是利用数字计算方法进行传感器布置的优化。
通过数值模拟分析和优化算法，选择最佳的传感器布置方案。
（1）有限元模拟和优化算法：通过有限元模拟分析结构的模态特性，结合优化算法进行传感器布置的优化。
基于敏度分析的框架抗震优化
基于敏度分析的框架抗震优化
刘齐茂;燕柳斌
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2012(031)017
【摘要】针对目前结构抗震优化设计方法存在优化效率低下的问题,提出一种高效的框架抗震优化设计方法.在有限元法和Newmark法基础上导出一种高效的层间相对位移对设计变量一阶和二阶导数的算法,建立显含时间参数,以结构质量最小化为目标,同时满足层间相对位移和设计变量约束的优化数学模型,通过积分型内点罚函数将显含时间参数的不等式约束优化问题转变为一系列不含时间参数的无约束优化问题,利用层间相对位移对设计变量一阶和二阶导数的信息计算罚函数的梯度和海森矩阵,然后利用梯度和海森矩阵构造求解优化设计问题高效有效的优化算法.算例表明该抗震优化方法能获得结构的最优设计,具有简单、下降速度快、不需要进行一维搜索等特点.是一种有效和高效的框架抗震二阶优化方法.
【总页数】7页(P99-105)
【作者】刘齐茂;燕柳斌
【作者单位】广西工学院土木建筑系,广西柳州545006;广西大学土木建筑学院,南宁530004;广西大学土木建筑学院,南宁530004
【正文语种】中文
【中图分类】TU311
【相关文献】
1.框架结构抗震优化设计的灵敏度分析 [J], 张立翔;
2.基于改进粒子群优化算法的钢框架抗震优化设计 [J], 李沛豪;李东;刘崇奇
3.基于均匀变形和混合智能算法的框架结构抗震优化设计 [J], 何浩祥; 王文涛; 吴山
4.基于混合智能算法的弯剪型框架结构抗震优化设计 [J], 杨鎏;江峰
5.基于混合智能算法的弯剪型框架结构抗震优化设计 [J], 杨鎏;江峰
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一种抗震结构拓扑渐近优化设计方法
一种抗震结构拓扑渐近优化设计方法
刘齐茂;燕柳斌
【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2008(024)004
【摘要】提出一种抗震结构拓扑渐近优化设计方法.采用显式动力分析方法计算结构单元在整个地震过程中发生的总等效残余应变,基于在地震过程中单元发生的总等效残余应变越大意味着该单元消耗的地震能越多,则该单元在整个结构地震的过程中所起的作用就越大这一原理,通过单元的总等效残余应变阈值将结构单元定义为高效单元和低效单元,在拓扑优化过程中逐渐删除设计域中的低效单元,逐步使抗震结构趋于优化.当总的删除率大于等于给定删除率时抗震结构收敛于最优拓扑,实现了抗震结构的拓扑优化设计.算例表明文中提出的抗震结构拓扑渐近优化设计方法获得的抗震结构最优拓扑符合工程结构的特点,在结构的初始设计阶段可为结构工程师提供一种结构概念设计和结构选型方法.
【总页数】5页(P71-75)
【作者】刘齐茂;燕柳斌
【作者单位】广西大学土木建筑学院,南宁,530004;广西工学院土木建筑系,柳州,545006;广西工学院土木建筑系,柳州,545006
【正文语种】中文
【中图分类】TU3
【相关文献】
1.一种桁架结构的拓扑优化设计方法 [J], 段宝岩
2.一种多工况下桁架结构的拓扑优化设计方法 [J], 段宝岩
3.结构随机模糊优化设计方法及其对抗震结构的应用 [J], 王光远;谭东耀
4.一种三维结构拓扑优化设计方法 [J], 荣见华;唐国金;杨振兴;傅建林
5.飞机加强框的一种结构拓扑优化设计方法 [J], 邓扬晨;刘晓欧;朱继宏
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chanics analysis ,machine electron coupling system theory and combined FEM structure analysis with optimization arithmetic. took the
structure optimization of one electrical resistance strain gauge extensometer as an example. And established the mechanics model , 4 所示 。贴片段 AB 、弹性元件
和柔性臂连接段 BC 的长度固定不变 ,长度分别为 15 mm ,20
mm.
4 引伸计弹性元件优化数学模型的建立
4. 1 目标函数
应变计式引伸计弹性元件和柔性臂结构的力学模型如图
1 所示 ,若把该结构视为系统 ,则输入为给定的位移边界条件 2 u ,输出则为应变计 R1 , R2 , R3 , R4 感受应变 ε1 ,ε2 ,ε3 ,ε4 而引 起的电桥输出的电压ΔUg ,如图 4 所示 。 将 4 个电阻应变计接入电桥各个桥臂 ,电桥由直流电压供电 , 4 个桥臂电阻为 R1 , R2 , R3 , R4 ,电源电压为 U , 电桥输出电压为 ΔUg ,初始桥臂电阻 R1 = R2 = R3 = R4 = R , 这时电桥处于平衡 状态 ,ΔUg = 0 。当 4 个桥臂的应变计感受应变而使电阻发生
Sensor Elastic Element Structural Optimization
L IU Qi2mao1 ,L I Wei2
(1. Department of Automobile , Guangxi Institute of Technology ,Liuzhou 545005 ,China ;
变化时 ,即
图 4 电压输出电桥
R1 →R1 +ΔR1 ; R2 →R2 +ΔR2 ;
R3 →R3 +ΔR3 ; R4 →R4 +ΔR4
(5)
则输出电压为
ΔUg
=
(
R
+ΔR1) ( R +ΔR3) - ( R +ΔR2) ( R +ΔR4) (2 R +ΔR1 +ΔR2) (2 R +ΔR3 +ΔR4)
量可以忽略 ,电压输出与各桥臂的电阻变化 (或应变) 的代数和
近似为线性关系 , 且相邻桥臂的符号相反 , 相对桥臂的符号相
同。
静态灵敏度 K 即线性传感器的校准曲线的斜率 , 其计算
公式为
K
=
输出量变化 输入量变化
=ΔΔXY
(7)
分别给予输入信号位移 2 u1 及 2 u2 , 相应的输出电压为 ΔUg1 ,ΔUg2 ,则引伸计的灵敏度可表达为
收稿日期 :2003 - 09 - 05 收修改稿日期 :2004 - 01 - 21
图 2 应变计式引伸计的等效力学模型 图 1 的力学模型与等效力学模型区别是将 A 点的滚轴支 座约束改为固端铰支支座约束 , B 端面受到力 F 的作用 , 力边
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=
U 4
K1·f
1 ( x)
(9)
式中 ε21 ,ε22 ,ε23 ,ε24为输入信号位移 2 u2 对应的应变响应 ;ε11 ,
ε12 ,ε13 ,ε14为输入信号位移 2 u1 对应的应变响应 。
f ( x)
=
(ε21
- ε22
+ε23
2 ( u2 - u1) - 24) - (ε11 - ε12
3 引伸计弹性元件优化参数模型的建立
由图 1 引伸计的弹性元件和柔性臂的形状可见 ,该结构的
几何形状可用低阶曲线如直线 、圆弧来描述 。将结构的尺寸 、
圆弧半径用变量表示即可得到参数化模型 ,如图 3 所示 。
图 3 应变计式引伸计弹性元件的优化参数模型
弹性元件和柔性臂的形状尺寸完全由设计变量 x1 , x2 , x3 ,
2. Department of Engineering Mechanics ,South2east University ,Nanjing 210018 ,China)
Abstract :Introduced the efficient computer aided design method to optimize the elastic element structure of sensor based on me2
+ε13
- ε14)
(10)
式 (9) 中
U 4
K1
为常量 ,由电源电压及电阻应变计的灵敏系
数决定 。为了提高传感器的灵敏度
K =Δ2Uug22
-
ΔUg1 2 u1
(8)
将式 (6) 代入式 (8) ,得
K=
U 4
K1 (ε21 - ε22 +ε23 - ε24) 2 ( u2 -
U 4
K1 (ε11
- ε12
+ε13
- ε14)
u1)
=
U 4
K1
[ (ε21 - ε22 +ε23 - ε24) - (ε11 - ε12 +ε13 - ε14) ] 2 ( u2 - u1)
4
Instrument Technique and Sensor
J un 2004
界条件为
FB = F
(2)
等效力学模型的主要作用是可根据作用力 F 的大小要求 , 计
算 B 点的水平位移 。
可假设引伸计的基本要求为 : (1) 引伸计的量程为 2 mm ;
(2) 引伸计对被测试件的作用力小于或等于 2 N.
U
≈ 4
R2
R (ΔR1 - ΔR2 +ΔR3 - ΔR4) + 2 R (ΔR1 +ΔR2 +ΔR3 +ΔR4
)
U
≈ U 4
ΔR1 R1
-
ΔR2 R2
+ΔRR33
-
ΔR4 R4
≈
U 4
K1 (ε1
- ε2
+ε3
-
ε4)
(6)
式中 K1 为电阻应变计的灵敏系数 。
假设 ΔR1/ R1 、ΔR2/ R2 、ΔR3/ R3 、ΔR4/ R4 较小 , 分 母 中 小
x8
=
(
x7 - x1) 213
;
x9
=
x2 5
;
x10
=
3
×(01125 5
-
x6/ 2) ;
x11
=
3
×(
x5 5
-
x3)
(4)
在图 3 的主视图 AB 段的中点将贴上应变计 R1 、R2 、R3 、
R4 ,应变计 R1 、R3 将感受 AB 方向的拉应力 , 应变计 R2 、R4 感
受 AB 方向的压应力 ,将 R1 、R2 、R3 、R4 连接为全桥差动电桥电
Key Words :Sensor ; Elastic Element ; Extensometer ,Finite Element ,Structure Optimization
1 引言
2 引伸计弹性元件力学模型的建立
目前 ,传感器弹性元件的设计方法很多 ,但可以将它们归 为 3 类 : (1) 基于经典力学的弹性元件设计的解析设计方法 ,如 文献[1 ] 、[2 ] 、[ 3 ] ; (2) 基于光弹修形法的实验方法 ,如文献 [4 ] ; (3) 基于数值模拟的结构优化方法 ,主要是有限单元法的 弹性元件设计 ,如文献[5 ] 、[6 ] 、[7 ]等 。
摘要 :给出了以力学分析和机电耦合系统建模理论为基础 ,以有限元结构分析和优化算法相结合为手段的结构型传感 器的计算机辅助优化设计的有效方法 。以应变计式引伸计弹性元件的结构优化为例 ,建立了引伸计弹性元件的力学模型 、 优化参数模型 、优化数学模型 ,用 ANSYS 的参数化设计语言编制了分析文件和优化控制文件 ,经计算获得最优结果 。优化 结果表明 :该方法对传感器的弹性元件结构起到很好的优化作用 ,可广泛应用于传感器弹性元件的优化设计工程 。 关键词 :传感器 ;弹性元件 ;引伸计 ;有限元 ;结构优化 中图分类号 :TP212 文献标识码 :A 文章编号 :1002 - 1841 (2004) 06 - 0003 - 03
得到 。
为了能在优化数学模型中引入引伸计对被测对象的作用
力的约束条件 ,根据弹性元件的受力特点 , 建立图 1 力学模型