1.引言

      气浮式测力传感器静特性是评价传感器性能的重要指标，主要包括线性度、灵敏度、稳定性、准确性等。气浮式测力传感器是新型的六维力传感器，六维力传感器在机器人操作手、火箭发动机推力测试、医学治疗装备以及体育运动中人体足力信息的测试等场合有重要的应用¨。4]。至今，国内外六维力传感器主要有梁式结构、筒形结构、十字结构和Stewart结构等形式口。1…，这些类型的传感器存在维间耦合现象，测量精度难以突破l％FS。气浮式六维力传感器能有效避免维问耦合现象，大幅提高六维力测量精度[11。”一。但目前对气浮式测力传感器静特性的研究很少。喷嘴浮板机构是构成气浮式六维力传感器的基本单元，本文将基于简化的二维模型分析研究气浮式测力传感器的静特性。从传感器设计的完整性角度看，气浮式测力传感器静特性与喷嘴结构及各部位(包括承压腔、节流孔、测压孔)的尺寸、供气压力大小等因素有关，本课题前期研究过喷嘴半径、承压腔及节流孔的尺寸对静特性的影响。为了研究气膜厚度、供气压力变化以及测压孑L的设置对气浮测力传感器静特性的影响，本文采用理论、仿真及实验相结合的方法。首先根据诺维一斯托克斯方程建立喷嘴浮板机构静特性方程，再通过Fluent软件仿真及实验研究喷嘴浮板之间气膜流场特性(包括线性度、灵敏度、承载力等)及其变化规律，揭示静特性与喷嘴结构参数、供气压力及测压孔之间的内在联系。其中，在仿真和实验分析过程中，由于Fluent软件的特点，它不能直接得到输入为承压腔压力，输出为承载的曲线，本文取气膜厚度为中间变量描述仿真和实验结果，因为当喷嘴结构及各部位的尺寸、供气压力大小等参数一定时，承载与气膜厚度及承压腔压力一一对应，所以取气膜厚度不会影响静特性的分析。本文为气浮测力传感器气膜流场特性及其变化规律研究提供了科学依据，为气浮式六维力传感器的进一步研制提供了理论依据，对气浮式六维力传感器的研究具有重要意义。

2.喷嘴浮板机构静特性方程

2．1工作原理

      气浮测力传感器的基本工作单元是喷嘴和浮板组成的喷嘴浮板机构，其二维模型如图1所示。上面为浮板，下面为喷嘴，其中喷嘴承压腔半径为盘，喷嘴半径为b，气膜层厚度为h，供气压力为P。，承压腔内气体压力为Pa，大气压力为P。，“为气膜层内任一点的速度。以平行喷嘴半径方向为T轴，垂直喷嘴半径方向为了轴建立直角坐标系，并设定Y轴方向上气膜层厚度为h时的承载力为Ⅳ，则根据诺维斯托克斯方程可以建立承载力W与承压腔内压力P。之间的函数关系。气浮测力传感器工作时通过测量承压腔内的压力即可计算出喷嘴的承载力。

3.实验验证

      设计加工节流孔直径0．4mm，节流孔深度1mm，承压腔直径6mm，承压腔深0．15mm，喷嘴外径20mm，在离节流孔4mm处设置0．4mm的测压孔的喷嘴，并在如图7所示的静特性实验装置上进行实验。以线性度及灵敏度形式与仿真结果进行对比验证。线性度是指从标定和数据处理得易操作角度出发，输入值和输出值之间呈现一种线性的关系，输人为承压腔压力，输出为承载。由于Fluent无法直接得到输入为承压腔压力，输出为承载的曲线，而气膜厚度及承压腔压力一一对应，可以取气膜厚度作为输入来分析静特性，定义灵敏度A=(w。一W：)／(^，一h。)，即将承载力对气膜层厚度求导。实验在供气压力分别为303、505和707kPa条件下，通过调节加重块使气膜层厚度分别为5、10、20、30、40、50、60、80和100ttm，测得相应的承载力，并用测压表测得相应的承压腔压力。

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