用于生物力学测量的新型电容式三维力传感器

针对生物力学测量的应用需求,考虑到电容型传感器温度特性好、功耗低等特点,研制了一种新型电容式三维力传感器。该传感器基于一种新颖的弹性体结构,以聚氨酯泡沫作为介质构成了3组电容,使得传感器能够同时感知3个维度的输入力分量并转化为3个通道的电容变化,利用ANSYS有限元分析确定了传感器的尺寸,使其各维度的量程达到±200 N,安全过载大于150%。设计了由电容采集模块和信号处理模块组成的测量系统,嵌入传感器内部,一体化的设计实现了测量数据的实时解算和输出。此外,针对电容式传感器存在的迟滞效应和维间耦合干扰问题,建立了迟滞补偿与解耦模型。通过实验验证,该传感器的Ⅰ类误差低于2.8%,Ⅱ类误差低于4.6%。

面向运动力学测量的无线六维力传感器

针对目前六维力传感器普遍存在的体积偏大、操作繁琐、应用场景复杂的问题,设计了一种基于电阻应变原理的小型化无线六维力传感器。首先,基于十字横梁结构设计传感器的弹性体,并通过ANSYS软件进行结构静力学分析,确定了传感器的最优结构尺寸;其次,基于传感器小型化和无线传输的设计要求,设计了传感器的内部硬件电路,包括四等臂全桥电路、两级放大电路以及数据采集与传输电路,有效减小了传感器的体积,增强了灵活性;最后,设计并优化了静态标定方法及静态解耦算法,降低了传感器的维间耦合干扰,提高了测量精度。实验结果表明,该传感器室内无线传输距离达到8 m,传输速率满足中低频力信号测量,Ⅰ类与Ⅱ类误差均满足在高精度要求场合的使用。