水泵的轴向力和径向力是影响其安全运行的主要因素,决定了水泵的整体性能,对泵轴进行力的实时监测可以为水泵的设计提供重要依据。本文以测量水泵的轴向力和径向力为前提,以轴向力和径向力无耦合测量为目的,以不改变泵体的结构稳定性为条件,设计一种三维力传感器。首先根据水泵内部的工作情况确定轴向力和径向力的测量方法,拟定符合该测量方法的弹性体结构,分析不同弹性元件的特点,针对传感器弹性元件进行设计,确定传感器的工作原理;其次对传感器弹性体结构的性能进行有限元分析,包括其受静态力的静力学分析,受动态力的动力学分析,动力学分析主要包括基于模态分析的谐响应分析和瞬态动力学分析,以此反应传感器的频域特性和时域特性,并用于验证基于传感器虚拟动态仿真的准确性。对传感器弹性体结构进行尺寸优化,以高灵敏度、良好的动态特性、安全的强度为优化指标,对弹性体结构进行响应面优化,分析弹性体各尺寸变量和优化指标的关系,对优化指标添加约束条件,最终求得达标最优的尺寸。根据优化后的弹性体结构对传感器整体进行设计并对传感器进行制造。以路径映射法确定应变片的粘贴位置,设计传感器的测量电路和整个传感器测量系统。设计标定实验的平台,通过实验平台的变动实现不同方向力的标定,本文设计的传感器弹性体结构可以极大简化标定过程实现运算解耦,采用最小二乘法进行三个方向的单维力数据拟合,完成对传感器的静态标定,并对线性度进行计算,对产生的线性度误差进行分析。