專(zhuān)利名稱(chēng)：基于9-sps并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速度傳感器，更具體地說(shuō)涉及一種改進(jìn)的基于9-SPS并聯(lián) 機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器。
背景技術(shù)：
在工程上，欲測(cè)量10'5g到105g的加速度，持續(xù)時(shí)間從小于lms到幾十ms， 而不需要更換傳感器的，只有壓電加速度傳感器才能勝任。目前世界各國(guó)用做加 速度測(cè)量的傳感器基本上都是壓電式的，壓電加速度傳感器不僅適用于一般的沖 擊或振動(dòng)檢測(cè)，也適用于惡劣條件下的檢測(cè)或控制作業(yè)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、 體積小、質(zhì)量輕、頻率響應(yīng)范圍寬(0.1HZ 20000HZ)、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高、 性能穩(wěn)定、輸出線性好、可在常溫、高溫下使用，以及抗外磁場(chǎng)干擾能力較強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)。因此，在飛機(jī)、船舶、汽車(chē)、橋梁和建筑的振動(dòng)沖擊測(cè)量中得到廣泛的應(yīng) 用，特別在航空航天領(lǐng)域中更具有其特殊地位。
當(dāng)前單維線加速度計(jì)己相當(dāng)成熟，有很多品種，且已商品化，如壓阻式、壓 電式、電容式、伺服式加速度計(jì)等。單維角加速度計(jì)品種有彈性環(huán)式、抗振動(dòng)型、 變電容式、液環(huán)式、光圈、壓阻式等，其精度和分辨率等有待于提高。而多維加 速度計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外研究較多地集中在三維線加速度計(jì)研究方面，有些已經(jīng)取得 階段性的成果。三維線加速度計(jì)的研制報(bào)道主要集中在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、 制作等工藝方面。其中，采用MEMS技術(shù)加工，經(jīng)過(guò)光刻、腐蝕、沉積、鍵合 等工藝，在硅基體上刻蝕形成不同形狀的三維微型結(jié)構(gòu)體，如懸臂梁、諧振梁、 凹凸槽、膜片等的報(bào)道較多。典型地，早期K.Okada在研制壓阻、靜電電容型三 軸加速度計(jì)的同時(shí)，成功研制出壓電式三軸加速度計(jì)。KijinKwon等利用硅鍵合 工藝制作壓阻式三維加速度計(jì)，軸間交叉耦合能夠消除，室溫下各向加速度的靈 敏度為0.276、 0.226、 0.793mV/g。關(guān)于三維角加速度計(jì)， 一種典型例子是日本 航空宇宙技術(shù)研究所在Teledyne公司的協(xié)助下開(kāi)發(fā)的三軸角加速度計(jì)，將其安 裝在該所的STOL實(shí)驗(yàn)機(jī)"飛鳥(niǎo)"上，以檢測(cè)飛機(jī)俯仰、偏航、橫滾3個(gè)軸向的角加速度數(shù)據(jù)，對(duì)飛機(jī)的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行分析與鑒定，傳感器的線性度均優(yōu)于 0.5%。早期的二維和三維加速度傳感器大多數(shù)是將多個(gè)單軸加速度計(jì)按照正交布 置拼裝在一起，這種方式的傳感器稱(chēng)為組合式多維傳感器。典型產(chǎn)品是EG&G 公司生產(chǎn)的3355型三維加速度傳感器，在機(jī)構(gòu)中封裝了三個(gè)各自獨(dú)立的，并正 交放置在三個(gè)敏感方向上的傳感單元，每個(gè)方向上的傳感單元由多根硅梁支撐著 一個(gè)由硅塊做成的慣性質(zhì)量塊。組合式多維加速度傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但 是在每個(gè)方向上都有各自的慣性質(zhì)量塊，維間的耦合誤差比較大，降低了測(cè)量精 度，且封裝成本較高，體積較大。于是，有人在傳感器的各敏感方向上共用一個(gè) 質(zhì)量塊，稱(chēng)為一體化多維傳感器，尺寸可以微型化，而且精度高。H.Takao等人 設(shè)計(jì)了一個(gè)微機(jī)械的、壓阻的、完全集成的三維加速度傳感器，中心懸浮質(zhì)量塊 是通過(guò)包括濕法與干法腐蝕的CMOS后處理工藝來(lái)加工的，加速度是通過(guò)測(cè)量 四根硅懸臂梁上的應(yīng)變來(lái)得到的，靈敏度較高，但是微間耦合較大。在國(guó)內(nèi)，清 華大學(xué)、西南交通大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位都研制了不同形式的三維加速度傳 感器。
六維加速度傳感器的研制國(guó)內(nèi)外都不多見(jiàn)。H.A.Chan等設(shè)計(jì)了超導(dǎo)六維加速 度傳感器SSA，這種傳感器只有一個(gè)慣性質(zhì)量塊，封裝體做成屋狀，在屋體和質(zhì) 量塊之間安裝超導(dǎo)線圈，提供懸浮力使超導(dǎo)質(zhì)量塊懸浮在屋體中，當(dāng)屋體在空間 六個(gè)自由度方向上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，提供力使慣性質(zhì)量塊保持平衡狀態(tài)，達(dá)到測(cè)量六 維加速度的目的。由于受慣性質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)形狀和運(yùn)動(dòng)位移的限制，維間耦合比 較大，量程比較小，其應(yīng)用范圍受到很大的限制。Josselin等人在采用靜電懸浮 的原理實(shí)現(xiàn)加速度傳感方面做了較具開(kāi)拓性的工作，他們采用靜電懸浮原理設(shè)計(jì) 了六軸加速度傳感器。靜電懸浮式加速度傳感器也是通過(guò)測(cè)量電容的變化來(lái)測(cè)量 加速度的，盡管有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是容易發(fā)生高壓擊穿，不能承受較大的 加速度輸入，因此測(cè)量的量程小，頻帶窄，只適用于特殊環(huán)境中的加速度測(cè)量(如 空間微重力環(huán)境)。在國(guó)內(nèi)，孟明等對(duì)六維加速度傳感器進(jìn)行了研究，其結(jié)構(gòu)采 用E型膜片。這種加速度傳感器利用了牛頓第二定律，由廣義力推出六維加速 度的表達(dá)式，然后根據(jù)雙膜片結(jié)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)圓環(huán)形質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)各軸向慣性力和 慣性力矩的測(cè)量，進(jìn)而得到各軸向加速度和角加速度。然而，這種傳感器的制作 工藝以及裝配較復(fù)雜，不適合于較大規(guī)模的生產(chǎn)。公告號(hào)為CN1908674A的《一
4種六軸加速度傳感器的敏感元件的布局結(jié)構(gòu)》屬于組合式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)六維加 速度的測(cè)量。然而，體積較大，對(duì)各只單軸加速度傳感器的一致性要求很高，它 們的安裝位置精度要求也較高，最后還需要進(jìn)行復(fù)雜的解耦運(yùn)算，因而會(huì)影響其 響應(yīng)頻率。公開(kāi)號(hào)為CN 101294980A的《一種壓電式六維加速度傳感器》，包括 帶安裝盤(pán)的基座、帶插座的殼體、固定地安裝在基座安裝盤(pán)上的測(cè)力計(jì)、絕緣電 極板和慣性質(zhì)量塊。測(cè)力計(jì)由均勻布置在一個(gè)參考圓圓周上的16片石英晶體構(gòu) 成，包括4片對(duì)稱(chēng)布置的XG。切型石英晶片和u片Y0。切型石英晶片。該發(fā)明
具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于小型化、無(wú)需解耦運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)。然而需要16片石英晶體， 對(duì)它們的定位要求較高，而且各向同性度較差。高峰教授發(fā)明了《六維SPS加 速度傳感器》，并申請(qǐng)到專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)CN 101034097A)。傳感器的慣性平臺(tái)和 固定平臺(tái)由3組均布的支鏈聯(lián)結(jié)，每組支鏈包括2個(gè)支鏈。在每個(gè)支鏈的彈性移 動(dòng)副上有一對(duì)平行板，平行板的表面粘貼應(yīng)變片，通過(guò)外接四臂差動(dòng)電橋得到相 應(yīng)的六個(gè)輸出信號(hào)。這種加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是各向同性好；缺點(diǎn)是由于通過(guò)在 彈性體上粘貼應(yīng)變片來(lái)得到電信號(hào)，故傳感器的貼片要求高、精度較低，頻率響 應(yīng)范圍窄，不適合精確測(cè)量高頻振動(dòng)信號(hào)。
六維加速度傳感器的研制國(guó)內(nèi)外還處于起步階段，因此尋求一種新的途徑進(jìn) 行六維加速度傳感器的設(shè)計(jì)成為多維加速度傳感器設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要課題。隨著對(duì) 并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域研究的進(jìn)展，并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論趨于成熟，再加上并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度 大、負(fù)載大、體積小、精度高、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)且緊湊等特點(diǎn)，使得對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究 逐漸成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)，并在理論和應(yīng)用方面取得了豐碩的成果。將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用 作為六維加速度傳感器的彈性元件為上述課題提供了一種很好的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于9-SPS (9代表支鏈 數(shù)目；S是spherical joint的簡(jiǎn)寫(xiě)，代表球面副，這里由柔性球鉸鏈代替)并聯(lián)機(jī) 構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為 一種基于9-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維 加速度傳感器，其特征在于包括1個(gè)外殼、1個(gè)質(zhì)量塊、9根壓電陶瓷和18
個(gè)柔性球鉸鏈；所述質(zhì)量塊為立方體，位于殼體的正中央；質(zhì)量塊的上表面、前表面、側(cè)表面與殼體的上壁、前壁、側(cè)壁之間分別有3根壓電陶瓷一共形成三組 壓電陶瓷；所述壓電陶瓷為圓柱體，它們與質(zhì)量塊、殼體內(nèi)壁的連接均是通過(guò)上 述柔性球鉸鏈實(shí)現(xiàn)的；在初始情況下，三組壓電陶瓷為兩兩正交的關(guān)系；且上表 面三根壓電陶瓷為左右平行布置，前表面為上下布置，側(cè)表面為前后布置，每組 壓電陶瓷均為沿質(zhì)量塊中心對(duì)稱(chēng)排列；所述壓電陶瓷的極化方向垂直于底面。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)
(1) 由于采用了正交并聯(lián)機(jī)構(gòu)，柔性鉸鏈，使得該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸 小、質(zhì)量輕；
(2) 壓電陶瓷同時(shí)充當(dāng)彈性元件和敏感元件，測(cè)量精度高、靈敏度高，可 以測(cè)量信號(hào)的頻帶寬；壓電陶瓷作為二力桿受到的均是來(lái)自極化方向的壓縮和拉 伸力，測(cè)量出的6個(gè)方向加速度可以達(dá)到相同的精度和靈敏度，做得嚴(yán)格的各向 同性；
(3) 傳感器采用了一種正交型式9-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，提供了比一般6-SPS型
并聯(lián)機(jī)構(gòu)更多的支鏈位移信息，使得該機(jī)構(gòu)具有唯一的解析正解，從而提高傳感 器的響應(yīng)頻率；
(4) 可充分考慮并聯(lián)機(jī)構(gòu)中各個(gè)支鏈質(zhì)量、正方體重力等因素對(duì)傳感器求
解的影響，從理論上保證求解的精確性。


圖1為本發(fā)明的加速度傳感器結(jié)構(gòu)正視圖(拆去了前殼體)。
圖2為本發(fā)明的加速度傳感器的結(jié)構(gòu)左視圖(拆去了左側(cè)殼體)。
圖3為本發(fā)明的加速度傳感器中壓電陶瓷(3)兩端與柔性球鉸鏈的粘結(jié)情況。
圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)！為外殼，2為質(zhì)量塊，3為壓電陶瓷，4為柔性球鉸鏈，5 為樹(shù)脂膠。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例為一種基于9-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器如圖1，圖 2，圖3所示，包括外殼l、質(zhì)量塊2、 9根壓電陶瓷3、 18個(gè)柔性球鉸鏈4，所 述外殼1通過(guò)柔性球鉸4連接于壓電陶瓷3的一端，所述壓電陶瓷3的另一端通 過(guò)柔性球鉸4連接有質(zhì)量塊2。其中，壓電陶瓷3通過(guò)樹(shù)脂膠5粘貼在柔性球鉸4上。所述質(zhì)量塊2為立方體，位于殼體的正中央。質(zhì)量塊2的上表面、前表面、 側(cè)表面與殼體l的上壁、前壁、側(cè)壁之間分別有3根壓電陶瓷3。在初始情況下 三組壓電陶瓷(每組3根)為兩兩正交的關(guān)系，壓電陶瓷的長(zhǎng)度以及每組中3 根之間的距離與傳感器的性能要求有關(guān)。所述壓電陶瓷3為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷 尸6(^77^)<93，簡(jiǎn)記為PZT。為保證壓電陶瓷在并聯(lián)機(jī)構(gòu)各個(gè)支鏈上受拉壓時(shí)
產(chǎn)生一致、明顯的極化效應(yīng)，PZT做成圓柱體，并要求其極化方向垂直于底面。
實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將本發(fā)明的外殼l剛性固定在振動(dòng)體上，在9根PZT的兩個(gè)底 面上分別引出導(dǎo)線。在壓縮和伸長(zhǎng)狀態(tài)下，PZT的底面會(huì)產(chǎn)生與應(yīng)變成正比的電 荷量。用電荷放大器來(lái)放大電荷量并進(jìn)行阻抗變換，再通過(guò)AD數(shù)據(jù)采集卡即可 以將微弱的電荷量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供計(jì)算機(jī)分析處理。由于振動(dòng)體的振動(dòng)，質(zhì)量塊 會(huì)產(chǎn)生慣性力進(jìn)而壓縮或拉伸9根壓電陶瓷，只要測(cè)量出9根壓電陶瓷上產(chǎn)生的 電荷量即可推算出振動(dòng)體的六維加速度。
權(quán)利要求
1. 基于9-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器，其特征在于包括1個(gè)外殼(1)、1個(gè)質(zhì)量塊(2)、9根壓電陶瓷(3)和18個(gè)柔性球鉸鏈(4)；所述質(zhì)量塊為立方體，位于殼體的正中央；質(zhì)量塊的上表面、前表面、側(cè)表面與殼體的上壁、前壁、側(cè)壁之間分別有3根壓電陶瓷；所述壓電陶瓷為圓柱體，它們與質(zhì)量塊、殼體內(nèi)壁的連接均是通過(guò)柔性球鉸鏈實(shí)現(xiàn)的；在初始情況下，三組壓電陶瓷為兩兩正交的關(guān)系；上表面三根壓電陶瓷為橫向平行布置，前表面為縱向平行布置，側(cè)表面為前后平行布置，每組壓電陶瓷均為沿質(zhì)量塊中心對(duì)稱(chēng)排列；所述壓電陶瓷的極化方向垂直于底面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于9-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器，其特征在于所述壓電陶瓷為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于9-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器，其特征在于所述壓電陶瓷與柔性球鉸鏈的粘結(jié)是通過(guò)樹(shù)脂膠實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
一種基于9-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器，涉及一種加速度傳感器。它包括外殼(1)、立方體質(zhì)量塊(2)、9根壓電陶瓷(3)和18個(gè)柔性球鉸鏈(4)；質(zhì)量塊位于殼體的正中央其上表面、前表面、側(cè)表面與殼體向?qū)γ娣謩e有3根壓電陶瓷一共形成三組壓電陶瓷；所述壓電陶瓷為圓柱體，它們與質(zhì)量塊、殼體內(nèi)壁的連接均是通過(guò)上述柔性球鉸鏈(4)實(shí)現(xiàn)的；在初始情況下，三組壓電陶瓷為兩兩正交的關(guān)系；且上表面兩根壓電陶瓷為左右平行布置，前表面為上下布置，側(cè)表面為前后布置，每組壓電陶瓷均為沿質(zhì)量塊中心對(duì)稱(chēng)排列。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、測(cè)量誤差小、精度高、靈敏度高、各向同性度高、信號(hào)頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P15/09GK101504425SQ20091002567
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者吳洪濤, 尤晶晶, 李成剛, 王化明, 繆群華 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)