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1.引言

      氣浮式測力傳感器靜特性是評價傳感器性能的重要指標(biāo)，主要包括線性度、靈敏度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等。氣浮式測力傳感器是新型的六維力傳感器，六維力傳感器在機(jī)器人操作手、火箭發(fā)動機(jī)推力測試、醫(yī)學(xué)治療裝備以及體育運(yùn)動中人體足力信息的測試等場合有重要的應(yīng)用¨。4]。至今，國內(nèi)外六維力傳感器主要有梁式結(jié)構(gòu)、筒形結(jié)構(gòu)、十字結(jié)構(gòu)和Stewart結(jié)構(gòu)等形式口。這些類型的傳感器存在維間耦合現(xiàn)象，測量精度難以突破l％FS。氣浮式六維力傳感器能有效避免維問耦合現(xiàn)象，大幅提高六維力測量精度[11。”但目前對氣浮式測力傳感器靜特性的研究很少。噴嘴浮板機(jī)構(gòu)是構(gòu)成氣浮式六維力傳感器的基本單元，本文將基于簡化的二維模型分析研究氣浮式測力傳感器的靜特性。從傳感器設(shè)計(jì)的完整性角度看，氣浮式測力傳感器靜特性與噴嘴結(jié)構(gòu)及各部位(包括承壓腔、節(jié)流孔、測壓孔)的尺寸、供氣壓力大小等因素有關(guān)，本課題前期研究過噴嘴半徑、承壓腔及節(jié)流孔的尺寸對靜特性的影響。為了研究氣膜厚度、供氣壓力變化以及測壓孑L的設(shè)置對氣浮測力傳感器靜特性的影響，本文采用理論、仿真及實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。首先根據(jù)諾維一斯托克斯方程建立噴嘴浮板機(jī)構(gòu)靜特性方程，再通過Fluent軟件仿真及實(shí)驗(yàn)研究噴嘴浮板之間氣膜流場特性(包括線性度、靈敏度、承載力等)及其變化規(guī)律，揭示靜特性與噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、供氣壓力及測壓孔之間的內(nèi)在聯(lián)系。其中，在仿真和實(shí)驗(yàn)分析過程中，由于Fluent軟件的特點(diǎn)，它不能直接得到輸入為承壓腔壓力，輸出為承載的曲線，本文取氣膜厚度為中間變量描述仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)楫?dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)及各部位的尺寸、供氣壓力大小等參數(shù)一定時，承載與氣膜厚度及承壓腔壓力一一對應(yīng)，所以取氣膜厚度不會影響靜特性的分析。本文為氣浮測力傳感器氣膜流場特性及其變化規(guī)律研究提供了科學(xué)依據(jù)，為氣浮式六維力傳感器的進(jìn)一步研制提供了理論依據(jù)，對氣浮式六維力傳感器的研究具有重要意義。

2.噴嘴浮板機(jī)構(gòu)靜特性方程

2．1工作原理

      氣浮測力傳感器的基本工作單元是噴嘴和浮板組成的噴嘴浮板機(jī)構(gòu)。上面為浮板，下面為噴嘴，其中噴嘴承壓腔半徑為盤，噴嘴半徑為b，氣膜層厚度為h，供氣壓力為P。承壓腔內(nèi)氣體壓力為Pa，大氣壓力為P。“為氣膜層內(nèi)任一點(diǎn)的速度。以平行噴嘴半徑方向?yàn)門軸，垂直噴嘴半徑方向?yàn)榱溯S建立直角坐標(biāo)系，并設(shè)定Y軸方向上氣膜層厚度為h時的承載力為Ⅳ，則根據(jù)諾維斯托克斯方程可以建立承載力W與承壓腔內(nèi)壓力P。之間的函數(shù)關(guān)系。氣浮測力傳感器工作時通過測量承壓腔內(nèi)的壓力即可計(jì)算出噴嘴的承載力。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      設(shè)計(jì)加工節(jié)流孔直徑0．4mm，節(jié)流孔深度1mm，承壓腔直徑6mm，承壓腔深0．15mm，噴嘴外徑20mm，在離節(jié)流孔4mm處設(shè)置0．4mm的測壓孔的噴嘴，并在靜特性實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以線性度及靈敏度形式與仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。線性度是指從標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理得易操作角度出發(fā)，輸入值和輸出值之間呈現(xiàn)一種線性的關(guān)系，輸人為承壓腔壓力，輸出為承載。由于Fluent無法直接得到輸入為承壓腔壓力，輸出為承載的曲線，而氣膜厚度及承壓腔壓力一一對應(yīng)，可以取氣膜厚度作為輸入來分析靜特性，定義靈敏度A=(w。一W：)／(^，一h。)，即將承載力對氣膜層厚度求導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)在供氣壓力分別為303、505和707kPa條件下，通過調(diào)節(jié)加重塊使氣膜層厚度分別為5、10、20、30、40、50、60、80和100ttm，測得相應(yīng)的承載力，并用測壓表測得相應(yīng)的承壓腔壓力。

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