小尺寸大量程集成式压电六维力传感器及其测量方法

摘要

本发明公开了一种小尺寸大量程集成式压电六维力传感器及其测量方法，包括上盖、下盖和分载环，所述上盖的上表面开有圆形中心孔一和同圆分布的四个螺纹孔一，所述下盖开有同圆分布的安装螺纹孔二，所述下盖上表面开有圆环形凹槽和圆形中心孔二，所述中心孔二上放置力敏元件，所述力敏元件上表面与圆形中心孔一下表面接触，所述分载环开有圆形导线孔，所述上盖、分载环、力敏元件和下盖通过螺栓安装在一起，本发明体积小，量程大，工艺性好，测试精度高，使用寿命长，操作简单，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及传感器及其监测领域，特别涉及小尺寸大量程集成式压电六维力传感器及其测量方法。

背景技术

目前，压电式传感器是一种利用智能压电材料作为力敏元件的动态测量形式。压电效应理论与应用基础研究一直是压电学科研究的核心问题。压电式传感器的主要特点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、特别适合动态测量。传统的六维力传感器种类繁多，例如十字结构六维力传感器、斯图尔特结构六维力传感器、筒形六维力传感器等，其中，传统的压电式六维力传感器一般需要多组晶组分别检测广义六维力，一般会造成结构复杂，体积大，重量大，解耦困难等缺点，如何将克服多晶组的布局造成的大体积的问题是未来压电式六维力传感器的发展的关键所在。

专利CN101149300中公开的一种压电式六维力大力传感器，该结构传感器可以实现大量程六维力动态测量，但是其自身机构采用了斯图尔特结构，造成了解耦困难、体积大的问题，并且对安装精度的要求很高。专利CN101149299中公开了一种三维力整体组装式六维测力传感器，该结构的传感器采用了整体组装式，方便安装维修，同样可以测量空间六维力，但是组装式使得结构复杂，工作占用空间大。

专利202153166U“一种并联式压电六维大力传感器”采用了四组压电石英晶片做为力敏元件，专利CN103196594A“一种轮辐式并联压电六维力传感器及其测量方法”采用了八组石英晶片做为力敏元件，这两个传感器通过各自特殊布局均能实现大量程载荷的动态测量，但是存在体积大，重量大，成本高的缺陷。

专利CN1005651460中公开了一种平板式压电六维力传感器，该传感器采用平板式结构，通过六组晶组布局的方式测量广义六维力，为了限制该传感器的体积导致该结构的传感器没有使用弹性体，从而造成了传感器测量量程的较小，无法满足大多数的使用要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种小尺寸大量程集成式压电六维力传感器及其测量方法，测量范围大，技术性能好，工作可靠，易于安装维修的自解耦的小尺寸大量程集成式压电六维力传感器。

本发明通过如下技术手段实现发明目的：

一种小尺寸大量程集成式压电六维力传感器，包括包括上盖（1）、分载环（2）和下盖（3），其特征是：所述上盖（1）的上表面（d）开有圆形中心孔（h），所述下盖（3）的上表面（a）开有圆环形凹槽（f），所述下盖（3）开有圆形中心孔（e），所述中心孔（e）上放置力敏元件（4），所述力敏元件（4）的上表面（b）与上盖（1）的下表面（c）相互接触，所述上盖（1）、分载环（2）、下盖（3）和力敏元件（4）通过螺栓（6）和螺母（5）安装在一起。

作为对本技术方案的进一步限定，所述所述上盖（1）的中心孔（h）和所述下盖（3）的中心孔（e）通过螺栓（6）将力敏元件（4）施加预紧力。

作为对本技术方案的进一步限定，所述下盖（3）开有四个同圆分布的螺纹孔（g），用于传感器的安装固定，通过调节分载环（2）的厚度可以实现不同的分载比。

作为对本技术方案的进一步限定，所述力敏元件（4）由三片承受拉压效应的X0°切型晶片（10）、三片承受剪切效应的Y0°切型晶片（11）、八片四分之一电极片（Q5），（Q6），（Q7），（Q8），（Q13），（Q14），（Q15），（Q16）、八片二分之一电极片（Q1），（Q2），（Q3），（Q4），（Q9），（Q10），Q11），（Q12）、两片完整电极片（Q0）、三片绝缘电阻片（12）和两个调整垫片（7）组成，其中，电极片（Q0）用于接地，电极片（Q1）,（Q2）用于输出Fx的测量信号，电极片（Q3）,（Q4）用于输出Fy的测量信号，电极片（Q5）,（Q6）,（Q7）,（Q8）用于输出Mz的测量信号，电极片（Q13），（Q14），（Q15）,（Q16）用于输出Fz的测量信号，电极片（Q9）,（Q10）用于输出Mx的测量信号，电极片（Q11）,（Q12）用于输出My的测量信号。

当传感器上盖承受力时，通过传感器上盖和分载环的分载作用传递到力敏元件上，传感器中的力敏元件经过三组拉压效应和三组剪切效应将作用力自动分解并产生相应的电荷量，经过电荷放大器变成相应的电压输出[V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10，V11，V12，V13，V14，V15，V16]输出，输出的信号通过信号调理和A/D数据采集卡将模拟信号转换为数字信号输入算机通过如下公式得到空间矢量力各主要参数，具体公式如下：

式中，K1，K2，K3是电极面域中心到坐标中心之间的距离。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明所述的小尺寸大量程集成式压电六维力传感器具有静态和态特性好，制造成本低，刚度高等优点，由于本传感器的晶组面域电荷分布的设计思路，使得传感器不需要对输出信号进行解耦运算就可以得到输出结果；通过改变分载环的厚度，可以实现不同的分载比，针对不同的测量范围具有很好的使用效果；该传感器结构简单，对称性好，稳定性高，灵敏度高，制造简单易于生产，使用寿命长。

附图说明

图1为小尺寸大量程集成式压电六维力传感器结构示意图

图2为上盖上下等轴测二视图

图3为下盖上下等轴测二视图

图4为分载环上下等轴测视图

图5为力敏元件结构示意图

图6小尺寸大量程集成式压电六维力传感器装配示意图

图中：1-上盖，2-分载环，3-下盖，4-力敏元件，5-螺母，6-螺栓，7-调整垫片，8-导线孔，9-导线，10-X0°切型晶片，11-Y0°切型晶片12-绝缘电阻片，a-下盖上表面，b-力敏元件上表面，c-上盖下表面，d-上盖上表面，e-下盖中心孔，f-下盖环形凹槽，g-下盖螺纹孔，h-上盖中心孔，i-上盖安装螺纹孔，Q0，Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q7，Q8，Q9，Q10，Q11，Q12，Q13，Q14，Q15，Q16-电极片。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的实施，参见图1-5，本发明包括上盖（1）、分载环（2）和下盖（3），其特征是：所述上盖（1）的上表面（d）开有圆形中心孔（h），所述下盖（3）的上表面（a）开有圆环形凹槽（f），所述下盖（3）开有圆形中心孔（e），所述中心孔（e）上放置力敏元件（4），所述力敏元件（4）的上表面（b）与上盖（1）的下表面（c）相互接触，所述上盖（1）、分载环（2）、下盖（3）和力敏元件（4）通过螺栓（6）和螺母（5）安装在一起。

所述所述上盖（1）的中心孔（h）和所述下盖（3）的中心孔（e）通过螺栓（6）将力敏元件（4）施加预紧力。

所述下盖（3）开有四个同圆分布的螺纹孔（g），用于传感器的安装固定，通过调节分载环（2）的厚度可以实现不同的分载比。

所述力敏元件（4）由三片承受拉压效应的X0°切型晶片（10）、三片承受剪切效应的Y0°切型晶片（11）、八片四分之一电极片（Q5），（Q6），（Q7），（Q8），（Q13），（Q14），（Q15），（Q16）、八片二分之一电极片（Q1），（Q2），（Q3），（Q4），（Q9），（Q10），Q11），（Q12）、两片完整电极片（Q0）、三片绝缘电阻片（12）和两个调整垫片（7）组成。其中，一片X0°切型晶片下表面与一片调整垫片的上表面相连直接接地，石英晶片的上表面与两个半块电极片（Q11）、（Q12）的下表面相连用于输出MY的测量信号，两个半块电极片（Q11）、（Q12）的上表面与绝缘电阻片（12）下表面相连接防止电荷泄露，绝缘电阻片（12）上表面和两个半块电极片（Q9）、（Q10）下表面相连，两个半块电极片（Q9）、（Q10）的上表面与第二片X0°切型晶片相互接触用于输出MX的测量信号，第二片石英晶片通过完整电极片（Q0）与一片Y0°切型晶片并联接地，Y0°切型晶片上表面连接四个四分之一块电极片（Q5）、（Q6）、（Q7）、（Q8）输出Mz的测量信号，再通过绝缘电阻片防止电荷泄露，绝缘电阻片上表面连接四片四分之一块电极片（Q13）、（Q14）、（Q15）、（Q16）输出第三片X0°切型晶片测量的FX信号，第三片X0°切型晶片通过完整电极片（Q0）与第二片Y0°切型晶片并连接地，第二片Y0°切型上表面连接两个半块电极片（Q3）、（Q4）输出FY的测量信号，再通过绝缘电阻片（12）防止电荷泄露，第三片Y0°切型晶片下表面与两个半块电极片（Q1）、（Q2）相连输出FX的测量信号，上表面与调整垫片相连直接接地。

上盖（1）、下盖（3）的材料均是304不锈钢。安装时将晶组按照灵敏度方向放置在下盖（3）上，力敏元件（4）的导线（9）通过导线孔（8）导出，然后将分载环（2）放置在下盖（3）的环形凹槽（f）内，再盖上上盖（1）通过螺栓（6）和螺母（5）连接在一起同时对力敏元件施加1000N-3000N的预紧力，保证力敏元件（4）的上表面（b）与上盖（1）的下表面（c）相互接触，上盖（1）开有四个同圆分布的螺纹孔（i）以及下盖（3）开有四个同圆分布的螺纹孔（g），用于传感器的安装固定。通过调整分载环（2）的壁厚可以实现并联结构的不同分载比，用于不同的测量范围要求。

当传感器上盖承受力时，通过传感器上盖和分载环的分载作用传递到力敏元件上，传感器中的力敏元件经过三组拉压效应和三组剪切效应将作用力自动分解并产生相应的电荷量，经过电荷放大器变成相应的电压输出[V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10，V11，V12，V13，V14，V15，V16]输出；输出的信号通过信号调理和A/D数据采集卡将模拟信号转换为数字信号输入算机通过如下公式得到空间矢量力各主要参数，具体公式如下：

式中，K1，K2，K3是电极面域中心到坐标中心之间的距离

本发明所述的小尺寸大量程集成式压电六维力传感器及其测量方法具有静态和态特性好，制造成本低，刚度高，结构简单，对称性好，稳定性高，灵敏度高，制造简单易于生产，使用寿命长等优点。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也不限于上述举例，本发明采用了方形晶片做为力敏元件，圆形晶片也属于本发明的保护范围。