考虑角度偏差的压电三维力传感器标定

张军; 王郁赫; 任宗金; 孙文举; 蔡佳乐

doi:10.37188/OPE.20233117.2546

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

考虑角度偏差的压电三维力传感器标定

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-09-22

- 考虑角度偏差的压电三维力传感器标定
- Calibration of piezoelectric three-dimensional force sensor considering angle deviation
- 光学精密工程 2023年31卷第17期页码：2546-2554
- 作者机构：
  
  1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024
- 作者简介：
  
  [ "张军（1969-），男，吉林长春人，博士，教授，博士生导师，1994年、2009年于大连理工大学分别获得硕士和博士学位，现为大连理工大学机械工程学院传感与振动工程研究所副所长，主要从事压电传感器与测力仪研制、火箭发动机矢量力测量。E-mail： zhangj@dlut.edu.cn" ]
  王郁赫（1999-），男，黑龙江佳木斯人，硕士研究生，2021年于大连理工大学获得学士学位，主要从事压电传感器测试精度的研究。E-mail： dutyuhewang@foxmail.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52075097;5217052316);国家科技重大专项项目(J2019-V-0011-0106)
- DOI：10.37188/OPE.20233117.2546
  中图分类号：
扫描看全文
张军, 王郁赫, 任宗金, 等. 考虑角度偏差的压电三维力传感器标定[J]. 光学精密工程, 2023,31(17):2546-2554.

ZHANG Jun, WANG Yuhe, REN Zongjin, et al. Calibration of piezoelectric three-dimensional force sensor considering angle deviation[J]. Optics and Precision Engineering, 2023,31(17):2546-2554.
张军, 王郁赫, 任宗金, 等. 考虑角度偏差的压电三维力传感器标定[J]. 光学精密工程, 2023,31(17):2546-2554. DOI： 10.37188/OPE.20233117.2546.

ZHANG Jun, WANG Yuhe, REN Zongjin, et al. Calibration of piezoelectric three-dimensional force sensor considering angle deviation[J]. Optics and Precision Engineering, 2023,31(17):2546-2554. DOI： 10.37188/OPE.20233117.2546.

摘要

为实现对压电式三维力传感器的高精度标定，在原标定模型上引入标定角度偏差因素。针对传感器转角、固定面不平与标定力源偏斜因素，开展了标定模型改进、参数获取与解耦效果分析等研究。分析传感器标定中存在的角度偏差，采用千分表与倾角仪进行测量。对未知参数过多问题，建立了合适的目标函数与约束条件，基于优化算法求解参数，实现了分离标定角度偏差的传感器标定。采用两种模型对实验数据解耦，从解耦误差均值和极值角度证明了新模型的有效性。结果表明：相比旧模型，实验数据下新模型大部分方向的解耦误差均值下降了80%左右，极值下降20%~49%。基于此分析了标定角度偏差对于传感器耦合特性的影响，得到各环节偏差引入的耦合比例，部分耦合系数中标定偏差因素占比达到70%以上。研究表明角度偏差对传感器标定的影响不可忽略，应加以控制。

Abstract

As the final step in the fabrication of a force sensor， the sensor is calibrated to obtain its true performance parameters. Therefore， the accuracy of a force sensor is determined by its calibration accuracy. Generally， calibration is an ideal process， but angle deviations can reduce the calibration accuracy. To achieve high-precision calibration of piezoelectric three-dimensional force sensors， a calibration angle-deviation factor is introduced into the original calibration model. For factors such as uneven surface， sensor angle， and deflection of force source， calibration model improvement， parameter acquisition， and decoupling effect analyses are performed. First， the angle-deviation factors in sensor calibration are analyzed. A dial indicator and an inclinometer are used for measurement. Second， considering the unknown parameters， an appropriate objective function and constraint conditions are established. Based on the optimization algorithm， model parameters are solved and sensor calibration to remove calibration angle deviation is realized. Finally， two models are used to decouple the experimental data. The effectiveness of the new model is proven from the perspective of the mean and extreme values of the decoupling error. Results show that compared to the old model， the mean value of decoupling error in most directions decreases by approximately 80%， and the extreme value decreases by 20%-49%， thereby verifying the effectiveness of the proposed method. On this basis， the influence of angle deviation on sensor coupling characteristics is analyzed， and the coupling ratio introduced by each link deviation is obtained. As the calibration angle-deviation factor accounts for over 70% of partial coupling coefficients， the influence of angle deviation cannot be ignored and should be controlled.

关键词

压电式力传感器标定装置维间耦合测量精度

Keywords

piezoelectric force sensorcalibration devicecrosstalkmeasurement accuracy

references

王云灏，孙铭会，辛毅，等. 基于压电薄膜传感器的机器人触觉识别系统［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2022（4）： 702-710.

WANG Y H， SUN M H， XIN Y， et al. Robot tactile recognition system based on piezoelectric film sensor［J］. Journal of Zhejiang University （Engineering Science）， 2022（4）： 702-710.（in Chinese）

于昌新，何彦霖，何超江，等. 用于微创手术探针的光纤力传感器设计［J］. 光学精密工程， 2022， 30（20）：2421-2429. doi: 10.37188/OPE.20223020.2421http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223020.2421

YU CH X， HE Y L， HE CH J， et al. Design of fiber force sensors for surgical probes［J］. Opt. Precision Eng.， 2022， 30（20）： 2421-2429. （in Chinese）. doi: 10.37188/OPE.20223020.2421http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223020.2421

丁旭，冯传奇，薛文鹏，等. 航空发动机全机推力试车台测力方法与校准技术［J］. 航空动力学报， 2023， 38（1）： 144-150. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210362http://dx.doi.org/10.13224/j.cnki.jasp.20210362

DING X， FENG CH Q， XUE W P， et al. Force measurement method and calibration technology of aeroengine whole thrust test bed［J］. Journal of Aerospace Power， 2023， 38（1）： 144-150.（in Chinese）. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210362http://dx.doi.org/10.13224/j.cnki.jasp.20210362

任宗金，李洋，徐田国，等. 组合支撑方式下气动多维力多点测量研究［J］. 中国机械工程， 2022， 33（2）： 170-175， 186. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.006http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.006

REN Z J， LI Y， XU T G， et al. Research on multi-point measurement of pneumatic multi-dimensional forces under combined support mode［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（2）： 170-175， 186.（in Chinese）. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.006http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.02.006

张军，徐成帅，任宗金，等. 羽流力/力矩测量系统在线标定研究［J］. 传感器与微系统， 2017， 36（1）： 13-15， 19. doi: 10.13873/J.1000-9787(2017)01-0013-03http://dx.doi.org/10.13873/J.1000-9787(2017)01-0013-03

ZHANG J， XU CH SH， REN Z J， et al. Research on online calibration of plume force/torque measuring system［J］. Transducer and Microsystem Technologies， 2017， 36（1）： 13-15， 19.（in Chinese）. doi: 10.13873/J.1000-9787(2017)01-0013-03http://dx.doi.org/10.13873/J.1000-9787(2017)01-0013-03

刘俊，徐军领，李敏，等. 垫圈式压电六维力传感器静态灵敏度解析［J］. 光学精密工程， 2019， 27（4）： 901-910. doi: 10.3788/ope.20192704.0901http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192704.0901

LIU J， XU J L， LI M， et al. Static sensitivity analysis of washer-type piezoelectric six-axis force sensor［J］. Opt. Precision Eng.， 2019， 27（4）： 901-910.（in Chinese）. doi: 10.3788/ope.20192704.0901http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192704.0901

QIN L， JIANG C， LIU J， et al. Design and calibration of a novel piezoelectric six-axis force/torque sensor［C］.Proc SPIE 8321， Seventh International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation， 2011， 8321： 118-126. doi: 10.1117/12.903717http://dx.doi.org/10.1117/12.903717

孙世政，于竞童，韩宇，等. 基于SSA-ELM的双层十字梁结构光纤布拉格光栅传感器三维力解耦［J］. 光学精密工程， 2022， 30（3）： 274-285. doi: 10.37188/OPE.2021.0549http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2021.0549

SUN SH ZH， YU J T， HAN Y， et al. FBG sensor of double-layer cross beam structure based on SSA-ELM three-dimensional force decoupling［J］. Opt. Precision Eng.， 2022， 30（3）： 274-285.（in Chinese）. doi: 10.37188/OPE.2021.0549http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2021.0549

YU Y Q， SHI R， LOU Y J. Bias estimation and gravity compensation for wrist-mounted force/torque sensor［J］. IEEE Sensors Journal， 2021， 22（18）： 17625-17634. doi: 10.1109/jsen.2021.3056943http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2021.3056943

李映君，韩彬彬，王桂从，等. 基于径向基函数神经网络的压电式六维力传感器解耦算法［J］. 光学精密工程， 2017， 25（5）： 1266-1271. doi: 10.3788/ope.20172505.1266http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172505.1266

LI Y J， HAN B B， WANG G C， et al. Decoupling algorithms for piezoelectric six-dimensional force sensor based on RBF neural network［J］. Opt. Precision Eng.， 2017， 25（5）： 1266-1271.（in Chinese）. doi: 10.3788/ope.20172505.1266http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172505.1266

ZHANG J， TIAN Y， REN Z J， et al. The calibration of force offset for rocket engine based on deep belief network［J］. Measurement and Control， 2018， 51（5/6）： 172-181. doi: 10.1177/0020294018776442http://dx.doi.org/10.1177/0020294018776442

WU B Y， WU Z C， SHEN F. Research on calibration system error of 6-axis force/torque sensor integrated in humanoid robot foot［C］. 2010 8th World Congress on Intelligent Control and Automation. 79，2010， Jinan， China. IEEE， 2010： 6878-6882. doi: 10.1109/wcica.2010.5554239http://dx.doi.org/10.1109/wcica.2010.5554239

付立悦，宋爱国. 六维力传感器静态标定系统误差分析［J］. 计量学报， 2019， 40（2）： 295-299. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2019.02.20http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2019.02.20

FU L Y， SONG A G. Error analysis of six-axis force/torque sensor’s static calibration system［J］. Acta Metrologica Sinica， 2019， 40（2）： 295-299.（in Chinese）. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2019.02.20http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2019.02.20

范志强，马宏昊，沈兆武，等. 夹心式 PVDF 压力传感器压电特性及标定装置研究［J］. 振动与冲击， 2014， 33（16）： 68-71. doi: 10.13465/j.cnki.jvs.2014.16.012http://dx.doi.org/10.13465/j.cnki.jvs.2014.16.012

FAN ZH Q， MA H H， SHEN ZH W， et al. Piezoelectric property of sandwich PVDF pressure gauge and its calibration device［J］. Journal of Vibration and Shock， 2014， 33（16）： 68-71.（in Chinese）. doi: 10.13465/j.cnki.jvs.2014.16.012http://dx.doi.org/10.13465/j.cnki.jvs.2014.16.012

ZHANG J， SHAO J， REN Z J， et al. Research on dimension coupling of piezoelectric three-component force unit based on sensor assembly error［J］. Advances in Mechanical Engineering， 2019， 11（5）： 168781401984629. doi: 10.1177/1687814019846291http://dx.doi.org/10.1177/1687814019846291

张军，于婧，任宗金，等. 压电三向测力单元的精度提高方法研究［J］. 电子测量与仪器学报， 2021， 35（9）： 164-169.

ZHANG J， YU J， REN Z J， et al. Research on methods of improving the precision of piezoelectric force measuring unit［J］. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation， 2021， 35（9）： 164-169.（in Chinese）

张顺星，周吴，卢鹏，等. 考虑横向灵敏度的三轴加速度传感器标定方法研究［J］. 仪器仪表学报， 2021， 42（4）： 33-40. doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2107538http://dx.doi.org/10.19650/j.cnki.cjsi.J2107538

ZHANG SH X， ZHOU W， LU P， et al. Research on the calibration method of triaxial acceleration sensor with transverse sensitivity［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2021， 42（4）： 33-40.（in Chinese）. doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J2107538http://dx.doi.org/10.19650/j.cnki.cjsi.J2107538

王青，余小光，乔明杰，等. 基于序列二次规划算法的定位器坐标快速标定方法［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2017， 51（2）： 319-327. doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2017.02.013http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2017.02.013

WANG Q， YU X G， QIAO M J， et al. Rapid calibration based on SQP algorithm for coordinate frame of localizers［J］. Journal of Zhejiang University （Engineering Science）， 2017， 51（2）： 319-327.（in Chinese）. doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2017.02.013http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2017.02.013

李嘉，李华聪，王万成，等. 燃油离心泵多目标优化设计及仿真分析［J］. 推进技术， 2021， 42（3）： 666-674. doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.200247http://dx.doi.org/10.13675/j.cnki.tjjs.200247

LI J， LI H C， WANG W CH， et al. Multi-objective optimization design and simulation for fuel centrifugal pump［J］. Journal of Propulsion Technology， 2021， 42（3）： 666-674.（in Chinese）. doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.200247http://dx.doi.org/10.13675/j.cnki.tjjs.200247

崔晶，张锦涛，宋婷，等. 三轴力解耦测量的高灵敏触觉传感器［J］. 光学精密工程， 2019， 27（11）： 2410-2419. doi: 10.3788/ope.20192711.2410http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192711.2410

CUI J， ZHANG J T， SONG T， et al. High-sensitive tactile sensor with triaxial force decoupling measurements［J］. Opt. Precision Eng.， 2019， 27（11）： 2410-2419.（in Chinese）. doi: 10.3788/ope.20192711.2410http://dx.doi.org/10.3788/ope.20192711.2410

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

单线阵CCD立靶双目标同时着靶的信号处理

单频激光干涉仪正交信号的高精度处理

光谱仪分光扫描机构光零位置误差检测

干涉仪成像畸变引起测量误差的校正方法

用单站光电雷达一体化系统测量目标三维姿态