超高精度力传感器的研究

百万分之几超高精度力传感器是国内的空白,在质量质心（CG）测量、航空航天等领域有重要应用价值，其核心技术由美国所垄断。传统的力传感器线性度和精度都在千分之三左右，不能满足高精度CG测量的需要，本研究提出一种与传统应变测量原理完全不同的超高精度力传感器，传感器不变形下垂，不由弹性敏感元件的变形确定力大小，而通过电磁铁生成一个大小相等、方向相反的电磁力抵消被测力，从而通过生成电磁力的控制电压值确定被测力的大小。由于在力抵消平衡后，传感器机械结构在几何方面与加载前完全一样，机械上的非线性完成消除，其自身是完全线性的；而力的大小由电磁铁的数十伏控制电压表示，实现的控制精度达0.0005%。为保证传感器机械系统的稳定性，消除机械间隙的影响，提出研究一种弹性绕，模拟局部机械转动副，实现无间隙转动副。本项目的研究将打破国外在这领域的垄断，同时具有较高的学术研究价值和实用意义。

传统力传感器受限于弹性敏感元件的非线性和信噪比，其精度难以超过0.02%。提出了采用电磁力杠杆机构的力平衡式传感器，利用可控电磁铁产生电磁力抵消载荷，通过线圈电压确定载荷量值，解决信噪比问题。分析了气隙、温度对电磁力非线性的影响，对不同温度下电磁力曲线进行分段线性拟合得到高线性度电磁力，解决了非线性问题。实验表明，传感器线性度达0.001%，精度达0.003%。