采用6組測力敏感單元的壓電式六維力/力矩傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及力/力矩傳感器，特別涉及六維力/力矩傳感器，更具體的說是涉及一種采用6組測力敏感單元的壓電式六維力/力矩傳感器。
【背景技術】
[0002]六維力傳感器是一種能夠同時測量空間三維力和三維力矩信息的傳感器，在智能機器人、自動化、機械加工、航空航天等領域都有廣泛的應用需求。根據(jù)六維力傳感器對被測量力(力矩)的感知方式，可從傳感器敏感機理出發(fā)將其以劃分為兩大類:一類是間接測量型，采用在彈性體上安裝敏感元件(如應變片、力敏電阻等)測量六維力引起的彈性體形變來間接得到表示六維力信息的輸出信號；此類傳感器的設計由于彈性體的存在，使得六維力傳感器的結構設計復雜，制作工藝要求高，不利于微小型化，固有頻率較低并且存在不易解耦的非線性維間耦合干擾。另一類是直接測量型，采用的敏感元件可直接感知通過剛體傳力機構傳遞的被測力(力矩)，并輸出表示六維力信息的輸出信號；由于此類傳感器不存在“彈性體結構”，因而可基本解決前一類傳感器的諸多缺點，公開號為CN101750173A和CN101285723的專利所要求保護的設計即為此類型傳感器；但是這兩個專利所提的技術方案仍存在使用測力敏感單元過多，后端信號調理電路需求數(shù)量過多的缺點，在減小傳感器體積、降低制作難度和成本等方面仍然不夠好。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種使用最少測力敏感單元，無需解耦運算，動態(tài)特性好，結構更加簡單且易于微小型化，制作工藝難度低和對后端信號調理電路需求少的壓電式六維力/力矩傳感器。
[0004]解決所述技術問題的方案是這樣一種壓電式六維力/力矩傳感器，包括內部帶有安裝盤和外部帶有輸出電極插座的基座，安裝在該基座內部安裝盤上的測力敏感單元，夾住該測力敏感單元的上下兩片絕緣電極板；緊壓在上片絕緣電極板之上的上蓋，連接兩片絕緣電極板上的電極與基座上輸出電極插座的信號引出線，用于固定和絕緣隔離信號引出線的絕緣填充材料，在上蓋和基座的內孔處連接二者的內側密封套筒；其中，所述測力敏感單元由若干片石英晶片構成，這些石英晶片均勻分布在傳感器基座安裝盤上的三維直角坐標系X、Y平面內一個Z軸通過其圓心的參考圓的圓周上；在所述的兩片絕緣電極板內側的成對電極與各石英晶片相對應。其改進之處是，構成所述測力敏感單元的石英晶片有六片，所述絕緣電極板內側的成對電極有六對；這六片石英晶片中有三片為γ(0° )切型石英晶片，另三片為χ(0° )切型石英晶片，第一片Υ(0° )切型石英晶片(jl)布置在所述參考圓(Ck)的圓周上，該晶片中心點與所述工作三維直角坐標系原點的連線偏離X軸的角度為α，其余的五片石英晶片按照切型不同依次交替均勻放置在所述參考圓的圓周上，使得相鄰兩片石英晶片對所述工作三維直角坐標系原點的夾角為60°，并且切型相異；在三片Υ(0° )切型石英晶片各自的晶片三維直角坐標系中，其Y軸均與所述傳感器基座安裝盤上的三維直角坐標系的Z軸平行，其X軸沿所述參考圓的圓周逆時針或順時針方向同向布置；在三片X(0° )切型石英晶片各自的晶片三維直角坐標系中，其X軸均與所述傳感器基座安裝盤上的三維直角坐標系的Z軸平行，其Y軸沿所述參考圓的圓周逆時針或順時針方向同向布置；在所述上下兩片絕緣電極板內側的六對電極構成六個信號輸出端，并分別通過信號引出線與各自對應的一個輸出電極插座連接。
[0005]根據(jù)該傳感器的結構設計和基本力學原理決定了表征被測力(力矩)的六個輸出信號按照如下方法生成:被測力(力矩)在X、Y方向的力分量通過傳感器上蓋傳遞給分布在傳感器基座安裝盤上位于三維直角坐標系XY平面的三片Y(0° )切型石英晶片，并在對應的信號輸出端產生相應輸出值，并且被測力(力矩)在X、Y方向的力分量與被測力(力矩)作用點和三片χ(0° )切型石英晶片上表面二者之間的距離產生一個力矩，使得三片χ(ο° )切型石英晶片對應的信號輸出端也產生相應輸出值；被測力(力矩)繞Χ、Υ方向的力矩分量通過傳感器上蓋傳遞給分布在傳感器基座安裝盤上位于三維直角坐標系XY平面的三片χ(ο° )切型石英晶片，并在對應的信號輸出端產生相應輸出值，并且被測力(力矩)繞X、Y方向的力矩分量同時產生一個與傳感器基座安裝盤上的三維直角坐標系XY平面平行的力通過傳感器上蓋傳遞給三片γ(0° )切型石英晶片，并在對應的信號輸出端也產生相應輸出值；被測力(力矩)在Z方向的力分量通過傳感器上蓋傳遞給分布在傳感器基座安裝盤上位于三維直角坐標系XY平面的三片X(0° )切型石英晶片，并在對應的信號輸出端產生相應輸出值，而三片Υ(0° )切型石英晶片對應的信號輸出端沒有輸出值；被測力(力矩)繞Z方向的力矩分量通過傳感器上蓋傳遞給分布在傳感器基座安裝盤上位于三維直角坐標系XY平面的三片γ(0° )切型石英晶片，并在對應的信號輸出端產生相應輸出值，而三片x(0° )切型石英晶片對應的信號輸出端沒有輸出值。將六個信號輸出端的輸出值與該六維力/力矩傳感器的標定矩陣右乘，即可得到被測力(力矩)在六個方向的力分量和力矩分量的量值。
[0006]從方案中可以看出，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，僅用六組石英晶片作為測力敏感單元，就可構成一個能同時測量力和力矩的六維力/力矩傳感器，比現(xiàn)有的技術減少四分之一的石英晶片使用量，并且同步減少了相應數(shù)量的后端信號調理電路需求；具有力學模型簡單，算法簡便的特點，并在保持現(xiàn)有技術的優(yōu)點之外，由于測力敏感單元數(shù)量的減少，從而進一步簡化了結構、減小了體積、降低了制作難度和制造成本，易于使壓電式六維力/力矩傳感器實現(xiàn)微小型化。
[0007]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明。
【附圖說明】
[0008]圖1——本發(fā)明的結構示意圖；
[0009]圖2--圖1的俯視圖；
[0010]圖3--本發(fā)明中各石英晶片的布置圖；
[0011]圖4——本發(fā)明的一塊絕緣電極板上的電極布置圖；
【具體實施方式】
[0012]采用6組測力敏感單元的壓電式六維力/力矩傳感器(參考圖1、2、3、4)，包括內部帶有安裝盤91和外部帶有輸出電極插座13的基座9，安裝在該基座9內部安裝盤91上的測力敏感單元jO，夾住該測力敏感單元jO的上下兩片絕緣電極板141、142 ;緊壓在上片絕緣電極板141之上的上蓋10，連接兩片絕緣電極板141、142上的電極與基座9上輸出電極插座13的信號引出線12，用于固定和絕緣隔離信號引出線12的絕緣填充材料11，在上蓋10和基座9的內孔處連接二者的內側密封套筒15 ;其中，所述測力敏感單元jO由若干片石英晶片構成，這些石英晶片均勻分布在傳感器基座安裝盤91上的三維直角坐標系X、Y平面內一個Z軸通過其圓心的參考圓ck的圓周上；在所述的兩片絕緣電極板141、142內側的成對電極與各石英晶片相對應。
[0013]在本發(fā)明中，構成所述測力敏感單元jO的石英晶片(jl?j6)有六片(參考圖3)，所述絕緣電極板141、142內側的成對電極(dl?d6)有六對(參考圖4，由于各對電極是鏡像對稱的，故在圖4中僅繪制了一片絕緣電極板及其電極)；這六片石英晶片中有三片為Y (O。)切型石英晶片(jl、j3、j5)，另三片為X(0° )切型石英晶片(j2、j4、j6)，它們交替均勻分布在傳感器基座安裝盤91上；第一片Y(0° )切型石英晶片(jl)布置在所述參考圓(ck)的圓周上，該晶片中心點與所述工作三維直角坐標系原點的連線偏離X軸的角度為α，其余的五片石英晶片按照切型不同依次交替均勻放置在所述參考圓的圓周上，使得相鄰兩片石英晶片對所述工作三維直角坐標系原點的夾角為60°，并且切型相異；在三片Υ(0° )切型石英晶片(jl、j3、j5)各自的晶片三維直角坐標系中，其Y軸均與所述傳感器基座安裝盤上的三維直角坐標系的Z軸平行，其X軸沿所述參考圓(ck)的圓周逆時針或順時針方向同向布置；在三片X(0° )切型石英晶片(j2、j4、j6)各自的晶片三維直角坐標系中，其X軸均與所述傳感器基座安裝盤上的三維直角坐標系的Z軸平行，其Y軸沿所述參考圓ck的圓周逆時針或順時針方向同向布置；在所述上下兩片絕緣電極板141、14)內側的六對電極(dl?d6)構成六個信號輸出端(Qi?Q6)，并分別通過信號引出線12與各自對應的一個輸出電極插座13連接。
[0014]根據(jù)該傳感器的結構設計和基本力學原理，在使用時被測力(力矩)在X、Y方向的力分量(Fx、Fy)通過傳感器上蓋10傳遞給分布在傳感器基座安裝盤91上位于三維直角坐標系XY平面的三片Y (O° )切型石英晶片(jl、j3、j5)，并在對應的信號輸出端(Q1、Q3、Q5)產生相應輸出值，并且被測力(力矩)在X、Y方向的力分量(Fx、Fy)與被測力(力矩)作用點和三片X(0° )切型石英晶片(j2、j4、j6)上表面二者之間的距離產生一個力矩，使得三片X(0° )切型石英晶片(j2、j4、j6)對應的信號輸出端(Q2、Q4、Q6)也產生相應輸出值；被測力(力矩)繞X、Y方向的力矩分量(Mx、My)通過傳感器上蓋10傳遞給