CN112747842B - 应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法，其中检测方法包括：向悬臂梁自由端施加给定作用力，根据应力值与应变片检测到的应变值，将应变值与应力值间的非线性关系进行线性拟合，构建应力‑应变模型，悬臂梁采用非线性弹性模量材料；根据力学特性构建应力‑作用力模型和位移‑作用力模型；悬臂梁自由端产生位移时，根据应变值和应力‑应变模型得到自由端所受的复合应力值；根据复合应力值和应力‑作用力模型得到自由端所受的复合作用力；根据复合作用力和位移‑作用力模型得到自由端发生的位移。通过本发明的技术方案，减少了测量误差，提高了位移检测的精确度，降低了计算量，提高了响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法。
背景技术
目前在各种不同的工业企业中，比如注塑行业，铸件行业等，经常有工件等需要搬运，特别是各种零件在机电、日用品、五金中占很大比例(70％以上)，但目前绝大多数是采用手工作业，从而引发了大量的工伤事故。机械手不但可以实现安全操作，同时也可以提高产品质量、提高生产效率、降低劳动强度、还可以避免人工送料、取料时因疲劳往往送料、取料不准等。为实现机械手对物品的准确抓取，机械手必须动态响应快，定位精度好。
位置检测系统是实现工业机械手精确定位的装置，它的主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时的修正机械手的位置，实现精确定位。其中，位移量是最基本、最主要的几何量，高精度的位移测量技术对高精度机械手的发展起到关键作用。
角位移测量在各种测量和自动控制系统中的作用十分重要，应用极其广泛。现代测量方法与设备众多，原理各异，但最终的目标都是能够以低成本、高稳定性，重复性好、精度合适地实现角度的测量。许多应用还要求在动态下多自由度同步测量，比如高速焊接机械手和自动换刀夹具的机械手臂的腕关节等。
传统的机械手位移测量多是通过多个单自由度高精度位移测量传感器组合来实现，测量系统结构较复杂、成本高，在传感器串联安装时易引入多轴累积误差等，难以满足精密位移测量及定位的需求。
目前，国内外在高度柔性的机器人闭环位置测量控制上广泛使用旋转绝对编码器，即每个一维角位移关节都配置一个转动编码器。机械手末端的位置由来自各编码器的信号计算而定。这种测量方法传感器本身分辨率可以做到较高，但易形成链式累积误差并忽略了惯性引起的机械手臂变形，在终端位置闭环控制中造成精度下降。另外因单台机器人上用量大，成本也较高。同时，从多个角位移传感器计算机械手末端位置运算量大，降低机械手反应速度和计算成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法，通过分布于非线性弹性模量材料的悬臂梁上的应变片检测应变量，基于预先线性拟合和依据力学特性构建的力学模型，从而在悬臂梁自由端受到外力发生位移时得到位移量，减少了测量误差，提高了位移检测的精确度，降低了计算量，提高了响应速度。
为实现上述目的，本发明提供了一种应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器，包括：悬臂梁和应变片；所述悬臂梁一端固定另一端自由，所述悬臂梁采用非线性弹性模量材料制成；所述应变片贴设于所述悬臂梁外表面，所述悬臂梁外表面上设置有平行于悬臂梁轴向和倾斜于所述悬臂梁轴向的应变片。
在上述技术方案中，优选地，沿所述悬臂梁轴向的所述悬臂梁外表面上距所述悬臂梁固定端不同距离处设置至少两组平行于悬臂梁轴向的所述应变片，不同组的所述应变片之间距离为1-2厘米，所述悬臂梁外表面还设置有与所述悬臂梁轴向夹角为45°的所述应变片。
在上述技术方案中，优选地，所述悬臂梁采用具有非线性弹性模量特性的高弹性低阻尼的柔性体结构，所述悬臂梁为柱状或管状结构。
本发明还提出一种应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法，应用于如上述技术方案中任一项提出的应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器，包括：控制向悬臂梁的自由端施加给定作用力，根据所述悬臂梁所受的应力值与所述悬臂梁上贴设应变片检测到的应变值，利用线性拟合将所述应变值与所述应力值之间的非线性关系进行线性拟合，以构建应力-应变模型，其中，悬臂梁采用非线性弹性模量材料；根据非线性弹性模量材料的力学特性，构建所述应变片的应力值与所述给定作用力之间关系的应力-作用力模型，构建所述悬臂梁自由端位移值与所述给定作用力之间关系的位移-作用力模型；在所述悬臂梁自由端受到外力作用产生位移时，根据所述应变片检测到的应变值以及所述应力-应变模型，计算得到所述悬臂梁自由端所受到的复合应力值；根据所述复合应力值以及所述应力-作用力模型，计算得到所述悬臂梁自由端所受到的复合作用力；根据所述复合作用力以及所述位移-作用力模型，计算得到所述悬臂梁自由端发生的位移。
在上述技术方案中，优选地，沿所述悬臂梁轴向的所述悬臂梁外表面上距所述悬臂梁固定端不同距离处设置至少两组平行于悬臂梁轴向的所述应变片，不同组的所述应变片之间距离为1-2厘米。
在上述技术方案中，优选地，所述悬臂梁外表面还设置有与所述悬臂梁轴向夹角为45°的所述应变片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过分布于非线性弹性模量材料的悬臂梁上的应变片检测应变量，基于预先线性拟合和依据力学特性构建的力学模型，从而在悬臂梁自由端受到外力发生位移时得到位移量，减少了测量误差，提高了位移检测的精确度，降低了计算量，提高了响应速度。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的测量原理示意图；
图2为本发明一种实施例公开的应变片的分布结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法的流程示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1.悬臂梁，2.应变片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，根据本发明提供的一种应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器，包括：悬臂梁1和应变片2；悬臂梁1一端固定另一端自由，悬臂梁1采用非线性弹性模量材料制成；应变片2贴设于悬臂梁1外表面，悬臂梁1的外表面上设置有平行于悬臂梁轴向和倾斜于悬臂梁轴向的应变片2。
在该实施例中，通过分布于非线性弹性模量材料的悬臂梁1上的应变片2检测应变量，从而在悬臂梁1的自由端受到外力发生位移时，能够基于预先线性拟合和依据力学特性构建的力学模型计算得到位移量，减少了测量误差，提高了位移检测的精确度，降低了计算量，提高了响应速度。
在上述实施例中，优选地，沿悬臂梁轴向的悬臂梁1的外表面上距悬臂梁1的固定端不同距离处设置至少两组平行于悬臂梁轴向的应变片2，不同组的应变片之间距离为1-2厘米，悬臂梁1的外表面还设置有与悬臂梁轴向夹角为45°的应变片2。
如图1所示，悬臂梁1为一端固定，一端自由，悬臂梁原始长度为l，在距离悬臂梁1的自由端a处和b处的悬臂梁1外表面贴设有应变片2，应变片2的设置方向为平行于悬臂梁轴向。当控制系统向悬臂梁1的自由端施加给定位移时，悬臂梁1内部产生应变，应变片2发生电位反馈，通过应变仪装置以及一系列算法得出应变量。
具体地，如图2所示，在悬臂梁1的截面m的外表面上有1、3、5、6号应变片，在悬臂梁1的截面n外表面上有2、4号应变片，两个截面相距(a-b)，优选地，两组应变片距离为1-2厘米。1、2、3、4、5、6号应变片的设置方向平行于悬臂梁轴向，用于测量悬臂梁1上的正应变，7号应变片的设置方向与悬臂梁轴向呈45°夹角，用于测量悬臂梁1上的切应变。利用应变片2在悬臂梁1上的分布，获取必要的应变值，从而计算悬臂梁1位移量，且使用较少片数的应变片2即可实现测量，降低了成本。
在上述实施例中，优选地，悬臂梁1采用具有非线性弹性模量特性的高弹性低阻尼的柔性体结构，具有良好的延展性，悬臂梁1为柱状或管状结构，横截面为圆形、矩形、方形或六边形等，优选为圆形。
如图3所示，本发明还提出一种应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法，应用于如上述实施例中任一项提出的应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器，包括：控制向悬臂梁1的自由端施加给定作用力，根据悬臂梁1所受的应力值与悬臂梁1上贴设应变片2检测到的应变值，利用线性拟合将应变值与应力值之间的非线性关系进行线性拟合，以构建应力-应变模型，其中，悬臂梁1采用非线性弹性模量材料；根据非线性弹性模量材料的力学特性，构建应变片2的应力值与给定作用力之间关系的应力-作用力模型，构建悬臂梁1的自由端位移值与给定作用力之间关系的位移-作用力模型；在悬臂梁1的自由端受到外力作用产生位移时，根据应变片2检测到的应变值以及应力-应变模型，计算得到悬臂梁1的自由端所受到的复合应力值；根据复合应力值以及应力-作用力模型，计算得到悬臂梁1的自由端所受到的复合作用力；根据复合作用力以及位移-作用力模型，计算得到悬臂梁1的自由端发生的位移。
具体地，预先向悬臂梁1的自由端施加给定作用力，通过应变片2获取应变值，由于非线性弹性模量材料的非线性力学特性，将应变值与应力值之间的非线性关系进行线性拟合，得到应力-应变模型为：
其中，σ为应力值，ai为右式每项中的常系数，∈为应变值，由该模型可得应力值。
进一步地，根据非线性弹性模量材料的力学特性构建应力-作用力模型为：
其中，
是应力值σ关于复合作用力F、弯矩M、扭转力T和拉伸力FN的函数，根据该模型，可由应力值得到悬臂梁1的自由端所受到的复合作用力。
进一步地，根据非线性弹性模量材料的力学特性构建位移-作用力模型为：
w＝f(F，M，T，FN)
其中，f是位移w关于复合作用力F、弯矩M、扭转力T和拉伸力FN的函数，根据该模型，可由复合作用力F得到悬臂梁1的自由端发生的位移w。
在上述实施例中，优选地，沿悬臂梁轴向的悬臂梁1的外表面上距悬臂梁1固定端不同距离处设置至少两组平行于悬臂梁轴向的应变片2，不同组的应变片2之间距离为1-2厘米。
在上述实施例中，优选地，悬臂梁1的外表面还设置有与悬臂梁轴向夹角为45°的应变片2。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法，其特征在于，应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器包括：悬臂梁和应变片；
所述悬臂梁一端固定另一端自由，所述悬臂梁采用非线性弹性模量材料制成；
所述应变片贴设于所述悬臂梁外表面，沿所述悬臂梁轴向的所述悬臂梁外表面上距所述悬臂梁固定端不同距离处设置至少两组平行于悬臂梁轴向的所述应变片，不同组的所述应变片之间距离为1-2厘米，所述悬臂梁外表面还设置有与所述悬臂梁轴向夹角为45°的所述应变片；
在所述悬臂梁的自由端受到外力发生位移时，根据所述应变片检测到的应力，能够结合预先线性拟合和依据力学特性构建的力学模型确定所述自由端的位移量；
所述悬臂梁采用具有非线性弹性模量特性的高弹性低阻尼的柔性体结构，所述悬臂梁为柱状或管状结构；
针对所述复合应力传感器的检测方法包括：
控制向悬臂梁的自由端施加给定作用力，根据所述悬臂梁所受的应力值与所述悬臂梁上贴设应变片检测到的应变值，利用线性拟合将所述应变值与所述应力值之间的非线性关系进行线性拟合，以构建应力-应变模型；
根据非线性弹性模量材料的力学特性，构建所述应变片的应力值与所述给定作用力之间关系的应力-作用力模型，构建所述悬臂梁自由端位移值与所述给定作用力之间关系的位移-作用力模型；
在所述悬臂梁自由端受到外力作用产生位移时，根据所述应变片检测到的应变值以及所述应力-应变模型，计算得到所述悬臂梁自由端所受到的复合应力值；
根据所述复合应力值以及所述应力-作用力模型，计算得到所述悬臂梁自由端所受到的复合作用力；
根据所述复合作用力以及所述位移-作用力模型，计算得到所述悬臂梁自由端发生的位移。
2.根据权利要求1所述的应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法，其特征在于，沿所述悬臂梁轴向的所述悬臂梁外表面上距所述悬臂梁固定端不同距离处设置至少两组平行于悬臂梁轴向的所述应变片，不同组的所述应变片之间距离为1-2厘米。
3.根据权利要求2所述的应用非线性弹性模量材料的复合应力传感器的检测方法，其特征在于，所述悬臂梁外表面还设置有与所述悬臂梁轴向夹角为45°的所述应变片。
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