專利名稱：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，由于上述專利文獻(xiàn)中記載的壓電傳感器通過層疊壓電薄膜、電極層、保護(hù)層、粘接層、絕緣層等多個(gè)層來制造，所以，存在工程費(fèi)用增大、實(shí)際上無法產(chǎn)品化之類的問題。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聚合物的一偵牝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O. 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)O. 0004英寸和28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(O. 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O. 015到I. O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。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00710011275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)定性和控制難的問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問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(I)、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)，上蓋下表面(h)上開有圓環(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(I)與下蓋(2)通過上蓋凹槽(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)開有配合使用的導(dǎo)線孔(7)，通過安裝孔一(15)、安裝孔二(18)將上蓋(I)、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，所述安裝孔一(15)、安裝孔二(18)分別為同圓均布的螺紋孔，所述上蓋(I)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)膜一(24)、保護(hù)膜二(24')、壓電薄膜(23)、電極一(16)、電極二(16')和力敏元件引線(17)組成，壓電薄膜
(23)表面貼有電極一(16)、電極二(16')，通過力敏元件引線(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(I)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，所述的電極一(16)、電極二(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。可用于受變大量程沖擊載荷的靜態(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I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?！D5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，I-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、24'-保護(hù)膜，a_凹槽下表面，a,1 -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)施方式
以下結(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。參見圖I 一圖6，本發(fā)明上蓋下表面h上開有圓環(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I與下蓋2通過上蓋凹槽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開有配合使用的導(dǎo)線孔7，通過安裝孔15、18將上蓋I、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I、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I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24、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I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。[0029]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4個(gè)預(yù)緊螺釘22將上蓋I、力敏元件4、下蓋2通過孔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螺紋孔25緊固在工作平臺(tái)上。使用時(shí)，當(dāng)傳感器上蓋I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)的過盈量一般取為O. I O. 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(I)、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)，上蓋下表面(h)上開有圓環(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(I)與下蓋(2)通過上蓋凹槽(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)開有配合使用的導(dǎo)線孔(7)，通過安裝孔一(15)、安裝孔二(18)將上蓋(I)、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I所述壓電薄膜力傳感器，其特征是所述安裝孔一(15)、安裝孔二(18)分別為同圓均布的螺紋孔，所述上蓋(I)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I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)膜一(24)、保護(hù)膜二(24')、壓電薄膜(23)、電極一(16)、電極二(16')和力敏元件引線(17)組成，壓電薄膜(23)表面貼有電極一(16)、電極二(16')，通過力敏元件引線(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I所述壓電薄膜力傳感器，其特征是所述上蓋(I)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一(16)、電極二(16')米用金屬箔。
6.根據(jù)權(quán)利要求I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I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)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種壓電薄膜力傳感器，其特征在于，包括上蓋、下蓋、密封圈(、力敏元件、導(dǎo)線、密封圈槽、導(dǎo)線孔、預(yù)緊螺釘組成，上蓋下表面上開有圓環(huán)形上蓋凹槽，下蓋上表面上有圓環(huán)形凸臺(tái)，凸臺(tái)上表面上放置一組圓環(huán)形力敏元件，上蓋與下蓋通過上蓋凹槽和凸臺(tái)配合，力敏元件的上表面與上蓋凹槽下表面接觸，力敏元件下表面與凸臺(tái)上表面接觸，上蓋下表面與下蓋上表面不接觸，在定位凸臺(tái)上表面上開有一個(gè)密封圈槽，其內(nèi)放置有密封圈，密封圈與定位凸臺(tái)上表面和定位凹槽下表面接觸，在下蓋側(cè)表面開有配合使用的導(dǎo)線孔，通過安裝孔一、二將上蓋、力敏元件、下蓋、密封圈，用一組預(yù)緊螺釘安裝在一起。
文檔編號(hào)G01L1/16GK202485840SQ201120514379
公開日2012年10月10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)