專(zhuān)利名稱：一種壓電式六維力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)量空間六維力的傳感器。
背景技術(shù)：
目前，公知的六維力傳感器廣泛采用的是在復(fù)雜的彈性體上粘貼應(yīng)變片的方式，通過(guò)對(duì)應(yīng)變片的輸出信號(hào)進(jìn)行解耦運(yùn)算得到六維力信號(hào)。加工這類(lèi)多維力傳感器需要高精度的加工設(shè)備，加工難度大，難以實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化。同時(shí)，由于各方向上存在耦合現(xiàn)象，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的解耦運(yùn)算才能得到輸出結(jié)果。除了采用在彈性體上直接貼應(yīng)變片的方式外，中國(guó)專(zhuān)利CN00119096.2公開(kāi)了一種利用厚膜技術(shù)，在膜片上燒結(jié)厚膜力敏電阻，通過(guò)解耦的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)六維力信號(hào)的測(cè)量方法，這種方法雖然克服了傳統(tǒng)六維力傳感器粘貼應(yīng)變片方式的絕大部分缺點(diǎn)，但各方向上仍然存在耦合現(xiàn)象，仍然需要對(duì)力敏電阻的輸出信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的解耦運(yùn)算才能得到輸出結(jié)果。
現(xiàn)也有壓電式的三維力傳感器，采用石英晶片作為敏感元件，不需要解耦運(yùn)算，能直接得到輸出結(jié)果。但這種壓電式三維力傳感器不能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間六維力的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需解耦運(yùn)算的直接輸出型壓電式六維力傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下本發(fā)明提出的壓電式六維力傳感器包括傳感器基座、傳感器蓋子和固定安裝于傳感器基座內(nèi)的壓電測(cè)力計(jì)等部件。
其中，壓電測(cè)力計(jì)采用壓電四維測(cè)力計(jì)，該壓電四維測(cè)力計(jì)由Y00和X00切型壓電石英晶片、絕緣定位架、信號(hào)引出插座和測(cè)力計(jì)盒構(gòu)成。Y00和X00切型壓電石英晶片安裝在絕緣定位架同一平面上的定位孔中，絕緣定位架固定在測(cè)力計(jì)盒中。以傳感器的安裝平面建立右手笛卡兒坐標(biāo)系，其中Z軸垂直于傳感器安裝平面向上，Y軸向右，Y00和X00切型壓電石英晶片的安裝位置應(yīng)滿足以下條件Y00切型壓電石英晶片和X00切型壓電石英晶片均采用偶數(shù)片，分別均勻分布在兩個(gè)同心圓上；X00切型壓電石英晶片的敏感軸方向相同且平行于Y軸；Y00切型壓電石英晶片在圓周上的布置應(yīng)滿足在過(guò)每個(gè)測(cè)力計(jì)中心的水平方向和垂直方向上要分別布置兩片敏感軸方向相同且分別平行于X軸和Z軸的Y00切型壓電石英晶片，余下的Y00切型壓電石英晶片的敏感軸沿所在圓周的切線方向布置，且其敏感軸方向沿同一時(shí)針，即順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虿贾谩?br> 上述這樣的壓電四維測(cè)力計(jì)共有兩個(gè)，對(duì)稱地安裝在傳感器基座內(nèi)的傳力預(yù)緊架的兩端，兩個(gè)壓電四維測(cè)力計(jì)的工作平面應(yīng)相對(duì)，每個(gè)壓電四維測(cè)力計(jì)各由四個(gè)信號(hào)引出插座將信號(hào)引出，敏感軸方向相同的Y00和X00切型壓電石英晶片的信號(hào)輸出電極分別并聯(lián)后各自連接到信號(hào)引出插座，信號(hào)引出插座從傳感器蓋子上露出，向外輸出測(cè)量信號(hào)。傳力預(yù)緊架中心設(shè)有施力裝置連接螺孔，通過(guò)螺桿與將傳感器與施力平臺(tái)連接，以獲得外力。
本發(fā)明中，也可采用壓電陶瓷晶片替代壓電石英晶片，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系為X00切型壓電石英晶片可替換為Z00切型(即晶片厚度沿Z軸方向)壓電陶瓷晶片，Y00切型壓電石英晶片可替換為Y00或X00切型壓電陶瓷晶片，達(dá)到的技術(shù)效果相同。
本發(fā)明提出的壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，不存在極間干擾，無(wú)需對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行解耦運(yùn)算就可以得到輸出結(jié)果。


圖1是本壓電六維力傳感器中的測(cè)力計(jì)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是測(cè)力計(jì)中安裝有壓電石英晶片的絕緣定位架的平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2的側(cè)視圖；圖4是本壓電六維力傳感器內(nèi)的Y00、X00切型壓電石英晶片布局展開(kāi)圖；
圖5是本壓電六維力傳感器中的傳力架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本壓電六維力傳感器裝配圖的主視圖；圖7是本壓電六維力傳感器裝配圖的俯視圖；圖8是本壓電六維力傳感器信號(hào)處理框圖。
圖中1、2、3——Y00切型壓電石英晶片，4——X00切型壓電石英晶片，5——絕緣定位架，6——測(cè)力計(jì)盒，7——信號(hào)引出插座，8——預(yù)緊定位套筒，9——預(yù)緊連接墊塊，10——預(yù)緊連接墊塊連接螺孔，11——預(yù)緊螺桿，12——傳力預(yù)緊架，13——施力裝置連接螺孔，14——傳感器蓋子，15——傳感器安裝螺孔，16——傳感器蓋子螺釘，17——預(yù)緊連接墊塊連接螺釘，18——傳感器基座。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖6和圖7，本六維力傳感器主要由傳感器基座18、傳感器蓋子14、固定安裝于傳感器基座內(nèi)的兩個(gè)壓電四維測(cè)力計(jì)、兩個(gè)預(yù)緊連接墊塊9和一個(gè)傳力預(yù)緊架12等部件組成。兩個(gè)壓電四維測(cè)力計(jì)對(duì)稱安裝在傳感器基座內(nèi)的傳力預(yù)緊架12的兩端，每個(gè)壓電四維測(cè)力計(jì)有四個(gè)信號(hào)引出插座7，從傳感器蓋子14上露出，向外輸出測(cè)量信號(hào)。
參見(jiàn)圖5，傳力預(yù)緊架12的中心設(shè)置有施力裝置連接螺孔13，通過(guò)螺桿與傳感器外的施力平臺(tái)連接，壓電四維測(cè)力計(jì)的一種具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1，以壓電石英晶片為例子，測(cè)力計(jì)由八片Y00切型壓電晶1、2、3和八片X00切型壓電石英晶片4、絕緣定位架5、信號(hào)引出插座7和測(cè)力計(jì)盒6構(gòu)成。參見(jiàn)圖2和圖3，先在聚四氟乙烯絕緣定位架5的兩個(gè)同心圓周上加工十六個(gè)與壓電石英晶片尺寸相當(dāng)?shù)亩ㄎ豢祝賹00、X00切型壓電石英晶片1-4按圖2的要求在絕緣定位架5內(nèi)布局后裝入測(cè)力計(jì)盒6內(nèi)。圖4是本壓電六維力傳感器內(nèi)的Y00、X00切型壓電石英晶片布局展開(kāi)圖，其中，箭頭方向表示壓電石英晶片敏感軸的方向，以傳感器的安裝平面建立右手笛卡兒坐標(biāo)系，其中Z軸垂直于傳感器安裝平面向上，Y軸向右，Y00和X00切型壓電石英晶片1、2、3和4分別分布在兩個(gè)同心圓上，X00切型壓電石英晶片4有八片，在圓周上均勻布置，其敏感軸方向相同且平行于Y軸。Y00切型壓電石英晶片也有八片，均勻分布在另一圓周上，其中在過(guò)每個(gè)測(cè)力計(jì)中心的水平方向和垂直方向上分別布置有兩片敏感軸軸向相同且分別平行于X軸和Z軸的Y00切型壓電石英晶片1和2，另四片Y00切型壓電石英晶片3的敏感軸沿所在圓周的切線方向布置，且其敏感軸方向沿同一時(shí)針(圖示為逆時(shí)針)方向布置。
本六維力傳感器的組裝方式是先按以上要求組裝好壓電四維測(cè)力計(jì)，然后在預(yù)緊定位套筒8的定位作用下，依次將預(yù)緊連接墊塊9、壓電四維測(cè)力計(jì)和傳力預(yù)緊架12的一端通過(guò)預(yù)緊螺桿11用一定的預(yù)緊力連接在一起，傳力預(yù)緊架12的另一端按同樣的結(jié)構(gòu)連接，然后將連接有兩個(gè)預(yù)緊連接墊塊9和壓電四維測(cè)力計(jì)的傳力預(yù)緊架12裝入傳感器基座18內(nèi)，用預(yù)緊連接墊塊連接螺釘17將兩個(gè)預(yù)緊連接墊塊9與傳感器基座18固定連接，再通過(guò)傳感器蓋子螺釘16與傳感器蓋子14固定連接，最后將加工的施力平臺(tái)通過(guò)螺桿和施力裝置連接螺孔13與傳力預(yù)緊架12連接。
參見(jiàn)圖8，當(dāng)外力作用于本六維力傳感器上時(shí)，將八個(gè)信號(hào)引出插座7分別與對(duì)應(yīng)的電荷放大器I1-I4、II1-II4連接，通過(guò)八路信號(hào)采集卡將八路電荷放大器輸出信號(hào)傳輸?shù)轿⑻幚砥?或計(jì)算機(jī))，在微處理器(或計(jì)算機(jī))內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算后就可以通過(guò)六維力顯示模塊直觀地得到六維力信息。
以下就本六維力傳感器的工作原理做一說(shuō)明當(dāng)FX作用在傳感器上時(shí)，壓電石英晶片I1和II1(I，II分別表示測(cè)力計(jì)的編號(hào)，下標(biāo)表示測(cè)力計(jì)中壓電石英晶片的編號(hào))上會(huì)產(chǎn)生大小、方向均相同的電荷量，即QI1-QII1=0;]]>當(dāng)MZ作用在傳感器上時(shí)，壓電石英晶片I1和II1上會(huì)產(chǎn)生大小相等，方向相反的電荷量，即QI1+QII1=0;]]>當(dāng)MX作用在傳感器上時(shí)，壓電石英晶片I2和II2上會(huì)產(chǎn)生大小、方向均相同的電荷量，即QI2-QII2=0;]]>當(dāng)FZ作用在傳感器上時(shí)，壓電石英晶片I2和II2上會(huì)產(chǎn)生大小相等，方向相反的電荷量，即QI2+QII2=0;]]>當(dāng)MY作用在傳感器上時(shí)，壓電石英晶片I3和II3上會(huì)產(chǎn)生大小相等，方向相反的電荷量，即QI3+QII3=0;]]>當(dāng)FY作用在傳感器上時(shí)，壓電石英晶片I4和II4上會(huì)產(chǎn)生大小相等，方向相反的電荷量，即QI4+QII4=0.]]>所以，當(dāng)外力作用在施力平臺(tái)中心時(shí)，本六維力傳感器的輸出為FX=-(QII1+QI1)FY=QII4-QI4FZ=QI2-QII2MX=QII2+QI2MY=QI3-QII3MZ=QII1-QI1]]>根據(jù)以上分析可以看出，本傳感器不存在極間干擾，無(wú)需對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的解耦運(yùn)算就可以得到輸出結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種壓電式六維力傳感器，包括傳感器基座(18)、傳感器蓋子(14)和固定安裝于傳感器基座(18)內(nèi)的壓電測(cè)力計(jì)，其特征在于所述壓電測(cè)力計(jì)采用壓電四維測(cè)力計(jì)，所述的壓電四維測(cè)力計(jì)由Y0°和X0°切型壓電石英晶片(1、2、3和4)、絕緣定位架(5)、信號(hào)引出插座(7)和測(cè)力計(jì)盒(6)構(gòu)成；Y0°和X0°切型壓電石英晶片安裝在絕緣定位架(5)同一平面上的定位孔中，絕緣定位架(5)固定在測(cè)力計(jì)盒(6)中，Y0°和X0°切型壓電石英晶片的信號(hào)輸出電極分別與測(cè)力計(jì)盒外部的信號(hào)引出插座(7)對(duì)應(yīng)聯(lián)結(jié)；以傳感器的安裝平面建立右手笛卡兒坐標(biāo)系，其中Z軸垂直于傳感器安裝平面向上，Y軸向右，Y0°和X0°切型壓電石英晶片(1、2、3和4)的安裝位置滿足以下條件Y0°切型壓電石英晶片(1、2、3)和X0°切型壓電石英晶片(4)均采用偶數(shù)片，分別均勻分布在兩個(gè)同心圓上；X0°切型壓電石英晶片(4)的敏感軸方向相同且平行于Y軸；Y0°切型壓電石英晶片在圓周上的布置應(yīng)滿足在過(guò)每個(gè)測(cè)力計(jì)中心的水平方向和垂直方向上要分別布置兩片敏感軸方向相同且分別平行于X軸和Z軸的Y0°切型壓電石英晶片(1和2)，余下的Y0°切型壓電石英晶片(3)的敏感軸沿所在圓周的切線方向布置，且其敏感軸方向沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虿贾谩Ｋ龅膲弘娝木S測(cè)力計(jì)共兩個(gè)，以工作平面相對(duì)的方式對(duì)稱地安裝在傳感器基座內(nèi)的傳力預(yù)緊架(12)兩端，信號(hào)引出插座(7)從傳感器蓋子(14)上露出，傳力預(yù)緊架(12)中心有施力裝置連接螺孔(13)，通過(guò)螺桿將傳感器與施力平臺(tái)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電式六維力傳感器，其特征在于每個(gè)壓電四維測(cè)力計(jì)各由四個(gè)信號(hào)引出插座(7)將信號(hào)引出，敏感軸方向排列相同的Y0°和X0°切型壓電石英晶片的信號(hào)輸出電極分別并聯(lián)后各自連接到各自對(duì)應(yīng)的信號(hào)引出插座(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電式六維力傳感器，其特征在于所述的X0°切型壓電石英晶片(1、2、3)由Z0°切型壓電陶瓷晶片替代，即晶片厚度沿Z軸方向的壓電陶瓷晶片替代，Y0°切型壓電石英晶片(4)由Y0°或X0°切型壓電陶瓷晶片替代。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓電式六維力傳感器，其特征在于在傳力預(yù)緊架(12)兩端的壓電四維測(cè)力計(jì)上還分別安裝有預(yù)緊連接墊塊(9)，預(yù)緊連接墊塊(9)和壓電四維測(cè)力計(jì)與傳力預(yù)緊架(12)的一端分別通過(guò)預(yù)緊螺桿(11)連接在一起，預(yù)緊連接墊塊(9)又分別通過(guò)連接螺釘(17)與傳感器基座(18)固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電式六維力傳感器，其特征在于在傳力預(yù)緊架(12)兩端的壓電四維測(cè)力計(jì)上還分別安裝有預(yù)緊連接墊塊(9)，預(yù)緊連接墊塊(9)和壓電四維測(cè)力計(jì)與傳力預(yù)緊架(12)的一端分別通過(guò)預(yù)緊螺桿(11)連接在一起，預(yù)緊連接墊塊(9)又分別通過(guò)連接螺釘(17)與傳感器基座(18)固定。
全文摘要
本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種壓電式六維力傳感器，包括傳感器基座、蓋子和通過(guò)傳力預(yù)緊架固定于基座內(nèi)的兩個(gè)工作平面相對(duì)的壓電四維測(cè)力計(jì)。以傳感器的安裝平面建立右手笛卡兒坐標(biāo)系，測(cè)力計(jì)的Y0
文檔編號(hào)G01L1/16GK101078660SQ20071007868
公開(kāi)日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月3日
發(fā)明者劉俊, 秦嵐, 劉京誠(chéng), 李敏 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)