仪器仪表学报

作者：李芬，侯晓娟，张欣，富肖严，何剑

单位：李芬,中北大学极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室太原030051,lifennn07@163.com,侯晓娟,中北大学极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室太原030051,houxiaojuan@nuc.edu.cn,张欣,中北大学极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室太原030051,,富肖严,中北大学极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室太原030051,,何剑,中北大学极限环境光电动态测试技术与仪器全国重点实验室太原030051,

关键词：d33模式;多维力传感器;压电陶瓷;有限元分析

随着现代制造业、机器人技术、精密测量等领域飞速发展，多维力传感器对精准测量多方向力的需求日益凸显。针对提高机械臂和复杂机械系统中力控制与反馈精确性问题，开展关于压电式多维力传感器的研究。基于压电陶瓷的d33模式设计一种可精确测量X、Y、Z这3个方向力的压电式多维力传感器。传感器采用立方体结构，压电片分别与X、Y、Z轴垂直放置，实现多维力独立测量及自解耦。在COMSOLMultiphysics中对其参数和网格进行设置，模拟分析在不同方向施加载荷时整体结构的应力分布和变形，并结合微机控制电子万能试验机、传感器和信号采集设备，建立传感器三维测量系统，实现三维力的测量与分析。研究表明，各加载方向的力可通过合理设计传递路径准确作用于目标压电片，且可测试0~500N法向力（Z方向）及0~200N剪切力（X、Y方向）。所设计传感器具有较好动态响应能力、良好灵敏度、高精方向性及较稳定重复性，其中Z方向灵敏度0.080V/N，X方向灵敏度0.110V/N，Y方向灵敏度0.113V/N，且各方向串扰均<0.2%。本研究在多维力测量领域具有广阔应用前景，为多维力传感器设计与优化提供重要实验数据和理论支持。

来源：2025年第5期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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