專(zhuān)利名稱(chēng)：一種壓電薄膜力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器及其測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及冷鍛壓裝置(如鋼球冷鍛機(jī))的壓電薄膜力傳感器，可用于測(cè)量空間大量程沖擊載荷。
背景技術(shù)：
壓電式測(cè)量方式為巨大沖擊力的測(cè)量提供了可靠的解決辦法。壓電片不需要外部激勵(lì)源。壓電片的輸出通常體現(xiàn)在正壓力作用時(shí)單位面積釋放的電荷數(shù)量。輸出是通過(guò)單獨(dú)的信號(hào)調(diào)理器或者電荷轉(zhuǎn)換器傳送到讀出設(shè)備。目前壓電式力傳感器的研究較少，主要原因是基于壓電薄膜的力傳感器研究依賴(lài)于壓電薄膜制備工藝以及壓電性能的研究進(jìn)展， 與壓阻式力傳感器相比，制各工藝比較復(fù)雜。具備由高分子材料構(gòu)成、尤其是由聚偏氟乙烯(PVDF)構(gòu)成的壓電薄膜的壓電傳感器，被用作具有彈性力的支承體所被施加的負(fù)重進(jìn)行檢測(cè)的壓力傳感器。日本特開(kāi)平 10-332509號(hào)公布一種在壓電薄膜的兩面涂敷銀膏，將一側(cè)形成為信號(hào)電極，將另一側(cè)形成為接地電極的壓電傳感器。該壓電傳感器中，在壓電薄膜的信號(hào)電極一側(cè)進(jìn)而分別借助粘接劑層疊有絕緣層和保護(hù)層，在壓電體的接地電極一側(cè)借助粘接劑層疊有絕緣層。但是，由于上述專(zhuān)利文獻(xiàn)中記載的壓電傳感器通過(guò)層疊壓電薄膜、電極層、保護(hù)層、粘接層、絕緣層等多個(gè)層來(lái)制造，所以，存在工程費(fèi)用增大、實(shí)際上無(wú)法產(chǎn)品化之類(lèi)的問(wèn)題。而且，為了在進(jìn)行層疊時(shí)高精度地定位各層的端子部分，存在著需要大量的勞力及成本這樣的問(wèn)題。并且直接對(duì)由聚偏氟乙烯(PVDF)構(gòu)成的壓電薄膜的表面涂敷銀膏并設(shè)置了電極。但是，PVDF的耐熱溫度低至120°C以下，如果想要以通常的干燥溫度、S卩150°C左右使銀膏干燥，則有可能導(dǎo)致PVDF的壓電特性劣化，因此，難以在PVDF自身上形成穩(wěn)定的電極。進(jìn)而，因熱膨脹率之差，還有可能發(fā)生剝離、斷線，其包含著可靠性受損的主要原因。美國(guó)Dynasen公司壓電薄膜、薄膜壓力傳感器。這種壓電薄膜壓力傳感器主要用于測(cè)量平面波。壓電薄膜壓力傳感器由一組電極和引線組成，蒸鍍?cè)诖笃琍VF2聚合物的一側(cè)，再封裝在兩薄層合適的絕緣體(聚酰亞胺或FEP氟化乙丙烯)之間。PVF2薄膜連接兩電極。輸出引線可使用0. 0005英寸厚銅金屬薄片延長(zhǎng)，銅金屬薄片使用銀環(huán)氧形成堅(jiān)固的焊接連接頭(標(biāo)準(zhǔn)焊接方法只需連接到壓力計(jì)即可)。PVF2常用壓力計(jì)是由單軸結(jié)構(gòu)0. 0004 英寸和觀微米(0.0011英寸)厚的PVF 2 (聚氟乙烯)薄膜制成。其也可以由雙軸結(jié)構(gòu)25 微米(0.001英寸)薄膜制成，用于特殊壓力或者應(yīng)變環(huán)境。PVF2傳感器可制作成元件尺寸從0. 015到1. 0英寸范圍和各種絕緣厚度。德國(guó)ENTRAN壓電薄膜式力傳感器是帶有放大輸出功能的壓電薄膜式力傳感器， 傳感器采用獨(dú)有的微熔技術(shù)和硅微機(jī)械加工技術(shù)制成的高可靠性、長(zhǎng)壽命、低價(jià)格的拉力、 力、稱(chēng)重傳感器，具有放大輸出功能。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于醫(yī)療注射泵、消費(fèi)品產(chǎn)品、機(jī)械人、 汽車(chē)電子及工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域。特點(diǎn)是低成本，尺寸小，低噪音，高過(guò)載能力，高可靠性，低偏差，壽命長(zhǎng)。主要應(yīng)用于設(shè)備負(fù)載，變力控制，滑輪拉力，小型提升機(jī)和絞盤(pán)。中國(guó)專(zhuān)利200710011275公布一種壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的微力加載裝置，適用于壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試和標(biāo)定。微力加載裝置由一維微位移臺(tái)、二維微位移臺(tái)、壓電雙晶片微力發(fā)生器及減震裝置組成。一維微位移臺(tái)由X軸分厘卡組件、一維微位移臺(tái)底座組成。二維微位移臺(tái)由Y軸分厘卡組件、Z軸分厘卡組件、 二維微位移臺(tái)底座、支板和內(nèi)六角螺釘組成。壓電雙晶片微力發(fā)生器由微探針、固定塊、兩片壓電陶瓷片、鋁制金屬片、夾片、內(nèi)六角螺釘組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，而且操作方便。提高了微小力加載系統(tǒng)的分辨率，解決了微牛頓量級(jí)力加載的不穩(wěn)定性和控制難的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述壓電薄膜力傳感器存在的結(jié)構(gòu)及工藝上的缺陷，設(shè)計(jì)一種技術(shù)性能好，易于安裝和維修，便于推廣使用的耦合系數(shù)小、靈敏度高、強(qiáng)解耦、高剛性、大測(cè)量量程、動(dòng)態(tài)性能好、能夠?qū)崿F(xiàn)組裝工序簡(jiǎn)潔化、且可靠性高的壓電薄膜力傳感器。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的
一種壓電薄膜力傳感器，其特征在于，包括上蓋(1)、下蓋(2)、密封圈(3)、力敏元件 (4)、導(dǎo)線(5)、密封圈槽(6)、導(dǎo)線孔(7)、預(yù)緊螺釘(22)組成，上蓋下表面(h)上開(kāi)有圓環(huán)形上蓋凹槽(20)，下蓋上表面(g)上有圓環(huán)形凸臺(tái)(13)，凸臺(tái)上表面(b)上放置一組圓環(huán)形力敏元件(4)，上蓋(1)與下蓋(2)通過(guò)上蓋凹槽(20)和凸臺(tái)(13)配合，力敏元件(4)的上表面與上蓋凹槽下表面(a)接觸，力敏元件(4)下表面與凸臺(tái)上表面(b)接觸，上蓋下表面(h) 與下蓋上表面(g)不接觸，在定位凸臺(tái)上表面(d)上開(kāi)有一個(gè)密封圈槽(6)，其內(nèi)放置有密封圈(3)，密封圈(3)與定位凸臺(tái)上表面(d)和定位凹槽下表面(c)接觸，在下蓋側(cè)表面(m) 開(kāi)有配合使用的導(dǎo)線孔(7)，通過(guò)安裝孔(15)、(18)將上蓋(1)、力敏元件(4)、下蓋(2)、密封圈(3)，用一組預(yù)緊螺釘(22)安裝在一起。作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述安裝孔(15) (18)分別為同圓均布的螺紋孔，所述上蓋(1)上還設(shè)置有上蓋定位孔(8)，所述下蓋(2)上設(shè)置有下蓋定位孔(10)和安裝固定階梯孔(9)。作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述力敏元件(4)由保護(hù)膜(24) (24')、壓電薄膜(23)、電極(16) (16')和力敏元件引線(17)組成，壓電薄膜(23)表面貼有電極(16) (16')，通過(guò)力敏元件引線(17)經(jīng)所述導(dǎo)線(5)經(jīng)導(dǎo)線孔(7)引出體外。作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述上蓋(1)和下蓋(2)上分別設(shè)置有配合使用的下蓋導(dǎo)線槽(11)和上蓋導(dǎo)線槽(12)。作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述的電極(16) (16')采用金屬箔。作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述預(yù)緊螺釘(22)為4個(gè)。作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述下蓋(2)下表面上還設(shè)置有預(yù)緊螺釘階梯孔(19)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本發(fā)明的壓電式六維力傳感器具有較高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以該傳感器的成本大大降低，它具有較高的力一電轉(zhuǎn)換效率，可以測(cè)量靜態(tài)力、動(dòng)態(tài)力和瞬態(tài)力。本傳感器，即可用于鋼球冷鍛機(jī)重載強(qiáng)沖擊設(shè)備沖擊載荷測(cè)量，也可用于其他重載強(qiáng)沖擊設(shè)備(如冷壓機(jī)、鍛造操作機(jī)等)沖擊載荷動(dòng)態(tài)測(cè)量，用途廣泛。通過(guò)改變傳感器力敏元件直徑尺寸，實(shí)現(xiàn)不同的分載比，達(dá)到不同量程范圍大沖擊力測(cè)量的效果。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)性好，剛性好，工藝性好、穩(wěn)定性好、制造容易，壽命長(zhǎng)，操作簡(jiǎn)單、使用方便、成本低，靈敏度高，易于產(chǎn)品化、橫向干擾小?？捎糜谑茏兇罅砍虥_擊載荷的靜態(tài)力、動(dòng)態(tài)力、瞬態(tài)力的測(cè)量，也可以作為在線監(jiān)測(cè)裝置或自適應(yīng)控制系統(tǒng)反饋元件。


圖1為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的上蓋仰視圖。圖3為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的下蓋俯視圖。圖4為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的下蓋仰視圖。圖5為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例力敏元件結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例裝配示意圖。圖中，1-上蓋，2-下蓋，3-密封圈，4-力敏元件，5-導(dǎo)線，6-密封圈槽，7_導(dǎo)線孔， 8-上蓋定位孔，9-階梯孔，10-下蓋定位孔，11-下蓋導(dǎo)線槽，12-上蓋導(dǎo)線槽，13-凸臺(tái)， 14-定位凸臺(tái)，15、18_安裝孔，16、16'-電極，17-力敏元件引線，19、預(yù)緊螺釘階梯孔， 20-上蓋凹槽，21-定位凹槽，22-預(yù)緊螺釘，23-壓電薄膜，24、對(duì)'-保護(hù)膜，凹槽下表面，a'-上蓋上表面，b-凸臺(tái)上表面，C-定位凹槽下表面，d-定位凸臺(tái)上表面，g-下蓋上表面，h-上蓋下表面，k-下蓋下表面，m-下蓋側(cè)表面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參見(jiàn)圖1 一圖6，本發(fā)明上蓋下表面h上開(kāi)有圓環(huán)形上蓋凹槽20，下蓋上表面g上有圓環(huán)形凸臺(tái)13，凸臺(tái)上表面b上放置一組圓環(huán)形力敏元件4，上蓋1與下蓋2通過(guò)上蓋凹槽20和凸臺(tái)13配合，力敏元件4的上表面與上蓋凹槽下表面a接觸，力敏元件4下表面與凸臺(tái)上表面b接觸，上蓋下表面h與下蓋上表面g不接觸，在定位凸臺(tái)上表面d上開(kāi)有一個(gè)密封圈槽6，其內(nèi)放置有密封圈3，密封圈3與定位凸臺(tái)上表面d和定位凹槽下表面c接觸，在下蓋側(cè)表面m開(kāi)有配合使用的導(dǎo)線孔7，通過(guò)安裝孔15、18將上蓋1、力敏元件4、下蓋 (2)、密封圈3，用一組預(yù)緊螺釘22安裝在一起。上蓋1、下蓋2的材料均為不銹鋼，密封圈 3的材料為聚四氟乙烯。通過(guò)改變傳感器力敏元件直徑尺寸，實(shí)現(xiàn)不同的分載比，達(dá)到不同量程范圍大沖擊力測(cè)量的效果，測(cè)力量程范圍為軸向沖擊力100N— 100000N。所述安裝孔15、18分別為同圓均布的螺紋孔，所述上蓋1上還設(shè)置有上蓋定位孔 8，所述下蓋2上設(shè)置有下蓋定位孔10和安裝固定階梯孔9。所述力敏元件4由保護(hù)膜M、24'、壓電薄膜23、電極16、16'和力敏元件引線17 組成，力敏元件4安裝于凹槽下表面a和凸臺(tái)上表面b之間，壓電薄膜23表面貼有電極16、 16'，通過(guò)力敏元件引線17與導(dǎo)線5連接經(jīng)導(dǎo)線孔7引出體外，力敏元件4用密封膠密封。所述上蓋1和下蓋2上分別設(shè)置有配合使用的下蓋導(dǎo)線槽11和上蓋導(dǎo)線槽12。 下蓋導(dǎo)線槽11和上蓋導(dǎo)線槽12便于力敏元件引線17的引出。所述的電極16、16'采用金屬箔。所述預(yù)緊螺釘22為4個(gè)。
所述下蓋2下表面上還設(shè)置有預(yù)緊螺釘階梯孔19，預(yù)緊螺釘階梯孔19用于放置預(yù)緊螺釘22的螺帽，使得預(yù)緊螺釘22不會(huì)高出下蓋下表面(h)。安裝時(shí)，先將圓環(huán)形壓電薄膜23組成的力敏元件4安裝在下蓋2凸臺(tái)13上，保證力敏元件4的下表面與凸臺(tái)13的上表面b接觸，力敏元件4的敏感方向必須與傳感器的坐標(biāo)系保持一致。然后安裝上蓋1，通過(guò)4個(gè)預(yù)緊螺釘22將上蓋1、力敏元件4、下蓋2通過(guò)孔18和螺紋孔15連接在一起，保證力敏元件4的上表面與凹槽下表面a接觸，上蓋下表面 h與下蓋上表面g不接觸，在下蓋2的定位凸臺(tái)14上表面d上開(kāi)有圓環(huán)形密封槽6，其內(nèi)放置有密封圈3。將安裝后的壓電薄膜力傳感器通過(guò)螺紋孔25緊固在工作平臺(tái)上。使用時(shí)，當(dāng)傳感器上蓋1受力時(shí)，力敏元件4的拉壓效應(yīng)將作用力以相對(duì)應(yīng)的電荷量的形式通過(guò)導(dǎo)線5輸出，經(jīng)電荷放大器放大變成相應(yīng)的電壓信號(hào)后，分別以電壓形式輸出，通過(guò)信號(hào)調(diào)理及A/D數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)相應(yīng)軟件處理得出沖擊力各主要參數(shù)，最后，由終端顯示、記錄、打印等。其中力敏元件4 裝入傳感器時(shí)的過(guò)盈量一般取為0. 1 0. 2mm，預(yù)緊力為2000 5000N，用以消除力敏元件安裝間隙。裝配時(shí)為保證最佳測(cè)試效果，對(duì)力敏元件4的位置要進(jìn)行精確調(diào)試。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性好，對(duì)稱(chēng)性好，工藝性好，穩(wěn)定性好，制造容易，且橫向干擾小，具有動(dòng)態(tài)性能好、剛度好、靈敏度高、成本低，易于產(chǎn)品化等特點(diǎn)，其測(cè)試方法操作簡(jiǎn)單、 使用方便、安全可靠。當(dāng)然，上述說(shuō)明并非對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種壓電薄膜力傳感器，其特征在于，包括上蓋(1)、下蓋(2)、密封圈(3)、力敏元件 (4)、導(dǎo)線(5)、密封圈槽(6)、導(dǎo)線孔(7)、預(yù)緊螺釘(22)組成，上蓋下表面(h)上開(kāi)有圓環(huán)形上蓋凹槽(20)，下蓋上表面(g)上有圓環(huán)形凸臺(tái)(13)，凸臺(tái)上表面(b)上放置一組圓環(huán)形力敏元件(4)，上蓋(1)與下蓋(2)通過(guò)上蓋凹槽(20)和凸臺(tái)(13)配合，力敏元件(4)的上表面與上蓋凹槽下表面(a)接觸，力敏元件(4)下表面與凸臺(tái)上表面(b)接觸，上蓋下表面(h) 與下蓋上表面(g)不接觸，在定位凸臺(tái)上表面(d)上開(kāi)有一個(gè)密封圈槽(6)，其內(nèi)放置有密封圈(3)，密封圈(3)與定位凸臺(tái)上表面(d)和定位凹槽下表面(c)接觸，在下蓋側(cè)表面(m) 開(kāi)有配合使用的導(dǎo)線孔(7)，通過(guò)安裝孔(15)、(18)將上蓋(1)、力敏元件(4)、下蓋(2)、密封圈(3)，用一組預(yù)緊螺釘(22)安裝在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電薄膜力傳感器，其特征是所述安裝孔(15)(18)分別為同圓均布的螺紋孔，所述上蓋(1)上還設(shè)置有上蓋定位孔(8)，所述下蓋(2)上設(shè)置有下蓋定位孔(10)和安裝固定階梯孔(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電薄膜力傳感器，其特征是所述力敏元件(4)由保護(hù)膜 (24) (24')、壓電薄膜(23)、電極(16) (16')和力敏元件引線(17)組成，壓電薄膜(23) 表面貼有電極(16) (16')，通過(guò)力敏元件引線(17)經(jīng)所述導(dǎo)線(5)經(jīng)導(dǎo)線孔(7)引出體外。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電薄膜力傳感器，其特征是所述上蓋(1)和下蓋(2)上分別設(shè)置有配合使用的下蓋導(dǎo)線槽(11)和上蓋導(dǎo)線槽(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述壓電薄膜力傳感器，其特征是所述的電極(16)(16')采用金屬箔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1一 5之一所述壓電薄膜力傳感器，其特征是所述預(yù)緊螺釘(22)為 4個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1一 5之一所述壓電薄膜力傳感器，其特征是所述下蓋(2)下表面上還設(shè)置有預(yù)緊螺釘階梯孔(19)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種壓電薄膜力傳感器，其特征在于，包括上蓋(1)、下蓋(2)、密封圈(3)、力敏元件(4)、導(dǎo)線(5)、密封圈槽(6)、導(dǎo)線孔(7)、預(yù)緊螺釘(22)組成，上蓋下表面(h)上開(kāi)有圓環(huán)形上蓋凹槽(20)，下蓋上表面(g)上有圓環(huán)形凸臺(tái)(13)，凸臺(tái)上表面(b)上放置一組圓環(huán)形力敏元件(4)，上蓋(1)與下蓋(2)通過(guò)上蓋凹槽(20)和凸臺(tái)(13)配合，力敏元件(4)的上表面與上蓋凹槽下表面(a)接觸，力敏元件(4)下表面與凸臺(tái)上表面(b)接觸，上蓋下表面(h)與下蓋上表面(g)不接觸，在定位凸臺(tái)上表面(d)上開(kāi)有一個(gè)密封圈槽(6)，其內(nèi)放置有密封圈(3)，密封圈(3)與定位凸臺(tái)上表面(d)和定位凹槽下表面(c)接觸，在下蓋側(cè)表面(m)開(kāi)有配合使用的導(dǎo)線孔(7)，通過(guò)安裝孔(15)、(18)將上蓋(1)、力敏元件(4)、下蓋(2)、密封圈(3)，用一組預(yù)緊螺釘(22)安裝在一起。
文檔編號(hào)G01L1/16GK102519634SQ20111041081
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者孫選, 張冰, 張輝, 李國(guó)平, 李映君, 王桂從, 艾長(zhǎng)勝, 馬汝建 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)