多维位移测量系统是保证机械手定位及轨迹精度的关键装置,传统的多维位移测量系统一般由多个单自由度位移传感器组成,其系统结构复杂、成本较高,且由于传感器较多,误差容易累积导致误差增大,无法满足现代位移测量技术的要求。因此,一种精度高、结构简单的单一固体集成多维位移传感器成为该领域的迫切需要。该单一固体需要有较大的弹性形变,而具有大变形的材料一般为非线性,很难通过直接计算得到精确的解析解,因此通常需要借助仿真工具进行分析,而进行仿真分析的前提是要得到该材料的本构模型。更为重要的是,本构模型描述了弹性体应力-应变关系,而其应力-应变关系是最终得到该传感器应变-位移关系的基础及核心,因此获得合适的本构模型就成为研究该传感器的关键所在。本文首先根据课题弹性元件大变形、低迟滞、低蠕变、高疲劳的要求,通过阅读查找大量文献资料,初步筛选出天然橡胶、硅橡胶、聚氨酯弹性体三种材料,然后选取直径为20mm的三种圆棒状材料,分别制取压缩与弯曲试样,对这三种材料进行迟滞特性与蠕变特性试验。通过试验曲线的对比发现,聚氨酯具有较小的迟滞与蠕变,最终选取聚氨酯弹性体为该传感器的弹性元件。其次,为获得聚氨酯弹性体应力-应变关系以及进行后续模拟仿真,需要建立准确的本构模型。使用WDW-5电子万能试验机,参照GB/T7757-2009对聚氨酯试样进行不同应变率下准静态压缩试验,该试样直径20mm,厚度10mm,直接取材于所选取的聚氨酯棒材。将Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型、三项式模型、Biderman模型、Ogden模型应用泰勒级数展开,整理后得到模型的应力-应变关系式。然后使用Origin对超弹性本构模型与试验数据拟合,对比分析发现,在五种模型中,Biderman模型拟合效果最好,且参数数量适中,适合作为该聚氨酯弹性体压缩状态下的本构模型。然后基于ABAQUS用户材料子程序,对聚氨酯弹性体本构模型进行有限元二次开发。首先使用F语言编写Biderman本构模型的用户子程序,然后将子程序导入ABAQUS中,通过仿真模拟聚氨酯试样压缩过程,对比分析仿真结果与试验数据。结果表明编写的子程序可以描述聚氨酯准静态压缩特性。最后设计搭建传感器测试平台,该测试为验证Biderman模型适用性,只进行简单的测试,不涉及完整的传感器静态特性测试。对传感器进行单方向30mm的平移测试以及顺时针方向30°的扭转试验,使用开发的用户子程序对传感器运动状态进行模拟仿真,通过将仿真数据与试验数据对比分析,验证了Biderman本构模型对该传感器弹性元件的适用性。