CN101013054A

CN101013054A - 差动式压电六维力传感器

Info

Publication number: CN101013054A
Application number: CN 200710078141
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 秦岚; 刘京诚; 李敏
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: CN100487400C

Abstract

差动式压电六维力传感器。该传感器包括有以立方体的相对面关系两两相对地安装的四对测力组、压在这四对测力组两侧的预紧垫块和传力架。各测力组均各有重叠于外侧一个测量F_X、F_Y的测力计和重叠于内侧一个测量F_Z、M_X、M_Y、M_Z的测力测矩计。各测力计内均以中心对称的状态安装有位于同一平面上的八片XO°切型压电晶片，它们的敏感轴均垂直于它们所在平面、且相对测力计中的压电晶片的敏感轴方向相对；各测力测矩计内安装有均分别与同一测力组内各XO°切型压电晶片对齐、平行且在同一平面上的八片YO°切型压电晶片，它们的敏感轴均平行于它们所在平面、且其敏感轴方向各异。本发明无需对输出信号进行解耦运算，工作可靠，测量精度高，抗干扰能力强。

Description

差动式压电六维力传感器

技术领域

本发明涉及一种测量空间六维力的传感器。

背景技术

目前，公知的六维力传感器广泛采用在复杂的弹性体上粘贴应变片的方式来实现对六维力信号的测量，加工这类六维力传感器需要高精度的加工设备，加工难度大，难以实现小型化，另外，由于这类传感器的各方向上存在耦合现象，需要对其输出信号进行复杂的解耦运算才能得到输出结果；除了采用这种在弹性体上贴应变片的方式外，专利CN00119096.2利用厚膜技术，在膜片上烧结厚膜力敏电阻，通过解耦的方式实现了对六维力信号的测量，这种方法克服了在弹性体上粘贴应变片方式的部分缺点，但由于其各方向上仍然存在耦合现象，仍然需要对力敏电阻的输出信号进行进一步的解耦运算才能得到输出结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术之不足，提出一种无需解耦运算的直接输出型六维力传感器。

解决技术问题的技术方案，是一种差动式压电六维力传感器。该传感器包括一个带有信号输出插座的传感器基座、在该传感器基座内以立方体的相对面关系两两相对地安装的四对测力组、压在这四对测力组外侧面上的各一块预紧垫块、分别顶住四对测力组内侧面的传力架。所述测力组均各有重叠于外侧一个测量F_X、F_Y的测力计和重叠于内侧一个测量F_Z、M_X、M_Y、M_Z的测力测矩计。各测力计内均以中心对称的状态安装有位于同一平面上的八片X0°切型压电晶片(也就是说，这八片X0°切型压电晶片的中心沿圆环布置)，这些X0°切型压电晶片的敏感轴均垂直于它们所在平面、且相对测力计中的各X0°切型压电晶片的敏感轴方向相对；每一测力计中的八片X0°切型压电晶片各自并联后与插座连接。各测力测矩计内安装有均分别与同一测力组内各X0°切型压电晶片对齐、平行且在同一平面上的八片Y0°切型压电晶片(也就是说，这八片Y0°切型压电晶片的中心也沿圆环布置)，这些Y0°切型压电晶片的敏感轴均平行于它们所在平面。位于四个测力测矩计的对称中心上下两端的各两片Y0°切型压电晶片的敏感轴与Z轴平行、且相对的两个测力测矩计中的Y0°切型压电晶片的敏感轴方向相反，各测力测矩计中的各两片其敏感轴与Z轴平行的Y0°切型压电晶片分别并联后与插座连接；位于两个相对的测力测矩计对称中心左右两端的各两片Y0°切型压电晶片的敏感轴与X轴平行、且方向相同，这两个测力测矩计中的各两片其敏感轴与X轴平行的Y0°切型压电晶片分别并联后与插座连接；位于另两个相对的测力测矩计的对称中心左右两端的各两片Y0°切型压电晶片的敏感轴与Y轴平行、且方向相同，这两个测力测矩计中的各两片其敏感轴与Y轴平行的Y0°切型压电晶片分别并联后与插座连接；四个测力测矩计中的其余各四片Y0°切型压电晶片的敏感轴方向均分别以逆时针排列、且与Z轴的夹角均为45°(也就是说，其中的这四片Y0°切型压电晶片的敏感轴向与圆环相切且分布在45°、135°、225°和315°的位置上)，每一测力测矩计中的这些其敏感轴为45°的Y0°切型压电晶片分别并联后与插座连接。通过插座，本差动式压电六维力传感器与差动式电荷放大器联接。

从方案中可以看出，由于本差动式压电六维力传感器中没有采用在弹性体上粘贴应变片或在弹性膜片上烧结厚膜力敏电阻的方式设计，输出的各维力测量结果之间不存在耦合现象，不需要对输出结果进行解耦运算(数学推导结论见具体实施方式部分中最后的介绍)。与存在耦合现象、而需要对输出信号进行解耦运算的现有技术相比较，本发明具有动态特性好，结构简单，加工制造容易，工作可靠，重量轻，使用频带宽，灵敏度高，测量精度高，抗干扰能力强的特点，属直接输出型六维力传感器。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——本发明装配结构图

图2——图1的A-A向半剖视图

图3——图1中传感器基座的基座盖的构造图

图4——图3的俯视图

图5——图1中的传感器基座的基座盒的构造图

图6——图1中四个测力计内各压电晶片放在同一平面上的展开图

图7——图1中四个测力测矩计内各压电晶片放在同一平面上的(放大)展开图

图8——图1中的传力架放大图

图9——图8的俯视图

图10——图1中绝缘定位架(安装有压电晶片)的放大图

图11——图10的左视图

图12——图1中定位套筒的放大图

图13——图1中测力计/测力测矩计盒的放大图

图14——图13的左视图

图15——图1中预紧垫块的放大图

图16——图15的左视图

图17——图1中预紧螺钉的放大图

具体实施方式

差动式压电六维力传感器(参考图1)。该传感器包括一个带有信号输出插座3的传感器基座、在该传感器基座内以立方体的相对面关系两两相对地安装的四对测力组、压在这四对测力组外侧面上的各一块预紧垫块7、分别顶住四对测力组内侧面的传力架4。其中的测力组均各有重叠于外侧一个测量F_X、F_Y的测力计5和重叠于内侧一个测量F_Z、M_X、M_Y、M_Z的测力测矩计6(参考图1、6、7)。各测力计5内均以中心对称的状态安装有位于同一平面上的八片X0°切型压电晶片Xx(也就是说，这八片X0°切型压电晶片Xx的中心沿圆环布置)，这些X0°切型压电晶片Xx的敏感轴均垂直于它们所在平面、且相对的测力计5中的各X0°切型压电晶片Xx的敏感轴方向相对，每一测力计5中的八片X0°切型压电晶片X_x各自并联后通过插座3引出信号(参考图6)。各测力测矩计6内安装有均分别与同一测力组内各X0°切型压电晶片Xx对齐、平行且在同一平面上的八片Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)，这些Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)的敏感轴均平行于它们所在平面(也就是说，这八片Y0°切型压电晶片的中心也沿圆环布置)。位于四个测力测矩计6的对称中心上下两端的各两片Y0°切型压电晶片(Y1和Y2、Y9和Y10、Y17和Y18、Y25和Y26)的敏感轴与Z轴平行、且相对的两个测力测矩计6中的Y0°切型压电晶片(Y1和Y2对Y9和Y10、Y17和Y18对Y25和Y26)的敏感轴方向相反，各测力测矩计6中的各两片其敏感轴与Z轴平行的Y0°切型压电晶片(Y1和Y2、Y9和Y10、Y17和Y18、Y25和Y26)分别并联后通过插座3引出信号；位于两个相对的测力测矩计6对称中心左右两端的各两片Y0°切型压电晶片(Y19和Y20、Y27和Y28)的敏感轴与X轴平行、且方向相同，这两个测力测矩计6中的各两片其敏感轴与X轴平行的Y0°切型压电晶片(Y19和Y20、Y27和Y28)分别并联后通过插座3引出信号；位于另两个相对的测力测矩计6的对称中心左右两端的各两片Y0°切型压电晶片(Y3和Y4、Y11和Y12)的敏感轴与Y轴平行、且方向相同，这两个测力测矩计6中的各两片其敏感轴与Y轴平行的Y0°切型压电晶片(Y3和Y4、Y11和Y12)分别并联后通过插座3引出信号；四个测力测矩计6中的其余各四片Y0°切型压电晶片(Y5～Y8、Y13～Y16、Y21～Y24、Y29～Y32)的敏感轴方向均分别以逆时针排列、且与Z轴的夹角均为45°(也就是说，如果按照十分严格的Z轴的正方向与敏感轴的正方向来计算角度的话，其中的这四片Y0°切型压电晶片的敏感轴向与圆环相切且分布在45°、135°、225°和315°的位置上)，每一测力测矩计6中的这些其敏感轴为45°的Y0°切型压电晶片(Y5～Y8、Y13～Y16、Y21～Y24、Y29～Y32)分别并联后通过插座3引出信号(参考图7)。通过插座，本差动式压电六维力传感器与差动式电荷放大器联接。

进一步讲，其中的所有X0°切型压电晶片Xx和Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)的厚度均相等，各测力计5中的八片X0°切型压电晶片Xx和各测力测矩计6中的八片Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)均是放置并限位在各一片其厚度比这些压电晶片薄的绝缘定位架561中的(参考图1、6、7、10、11)；放置了相应压电晶片的各绝缘定位架561又被分别安装在各一测力计/测力测矩计盒562中(参考图1、13、14)；通过各一颗预紧螺钉8，按照预紧垫块7、装有所述测力计5在其中的测力计/测力测矩计盒562、装有所述测力测矩计6在其中的测力计/测力测矩计盒562、传力架4的顺序把它们分别固定在该传力架4的四端(参考图1、17、15、16、13、14、8、9)。

更进一步地讲，其中的所有X0°切型压电晶片X_x和Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)均为等直径的圆形；绝缘定位架561为圆形，它的正中央有一个定位圆孔、以该定位圆孔的轴线为对称中心按照中心对称的状态分布有定位八片压电晶片的圆形晶片孔(参考图10、11)。测力计/测力测矩计盒562为一个正方形盒5622和一个正方形盖5621的组合(参考图13)——该正方形盒5622有放置绝缘定位架561的圆环形内腔和穿过其定位圆孔的定位柱，该定位柱的中心安装有定位套筒10(参考图1、12)；该正方形盖5621的内侧有与所述圆环形内腔匹配且压住压电晶片的圆环形凸起；该正方形盒5622和正方形盖5621外侧各有一个与所述绝缘定位架561相等的圆环形凸起。传力架4为十字架结构(参考图8、9)，该十字架的四个顶端分别有完全顶住四对测力组内侧面的抵触面板，每一抵触面板的中央各有一个与预紧螺钉8配合的螺钉孔。预紧垫块7抵触各测力组外侧面的一端有与绝缘定位架561相等的圆环形凸起。

在本具体实施方式中，传感器基座由基座盒1与基座盖2构成(参考图1、3、4、5)。基座盒1内有与传力架4、测力组和预紧垫块7的各个对应的被包容面相匹配的包容腔；基座盖2是嵌入盖，该基座盖2的外表面与其基座盒1的盖口边沿齐平，它通过位于其四角的四颗螺钉与该基座盒1固定在一起。该基座盖2的中央安插有其内端固定在所述传力架4的十字中心上的施力轴9。输出插座3有四个，它们以与各测力组对应的状态安装在该基座盖2上。

本具体实施方式中，在传感器基座的侧壁上分别有连接预紧垫块(7)和基座盒的连接螺钉(17)(参考图1、2)。也就是在每一块预紧垫块7的四角附近各拧有一颗连接螺钉17。

在本具体实施方式中，施力轴9是通过螺纹联接的方式拧在所述传力架4的十字中心上的(参考图8的十字中心的螺纹孔)。

下面，结合具体实施方式，对本发明的测量特点作进一步的介绍。

为介绍清楚，先分别把各并联的压电晶片按如下对应关系定义(参考图6、7)：

测力组	测力计(5)的X0°切型压电晶片(Xx)	测力测矩计(6)的Y0°切型压电晶片
		测力测矩计(6)的Y0°切型压电晶片				敏感轴平行Z轴	敏感轴平行X轴	敏感轴平行Y轴	敏感轴与Z轴成45°角

I	Q_I	Y1、Y2→Q₁		Y3、Y4→Q₅	Y5～Y8→Q₉
I	Q_I	Y1、Y2→Q₁		Y3、Y4→Q₅	Y5～Y8→Q₉	II	QII	Y9、Y10→Q₂		Y11、Y12→Q₆	Y13～Y16→Q₁₀
III	Q_III	Y17、Y18→Q₃	Y19、Y20→Q₇		Y21～Y24→Q₁₁	II	QII	Y9、Y10→Q₂		Y11、Y12→Q₆	Y13～Y16→Q₁₀
III	Q_III	Y17、Y18→Q₃	Y19、Y20→Q₇		Y21～Y24→Q₁₁	IV	Q_IV	Y25、Y26→Q₄	Y27、Y28→Q₈		Y29～Y32→Q₁₂

根据本发明的工作原理可以得到本发明的如下输出表达式：

\{\begin{matrix} F_{X} : Q_{F_{x}} = Q_{II} - Q_{I} \\ F_{Y} : Q_{F_{Y}} = Q_{IV} - Q_{III} \\ F_{Z} : Q_{F_{Z}} = Q_{1} - Q_{2} + Q_{4} - Q_{3} \\ M_{X} : Q_{M_{X}} = Q_{9} - Q_{10} \\ M_{Y} : Q_{M_{Y}} = Q_{11} - Q_{12} \\ M_{Z} : Q_{M_{Z}} = Q_{7} - Q_{8} + Q_{6} - Q_{5} \end{matrix}

当只有F_X作用于本发明时，Q₇和Q₈都有输出，且大小相等，方向相同，即Q₇-Q₈＝0；当只有F_Y作用于本发明时，Q₅和Q₆都有输出，且大小相等，方向相同，即Q₆-Q₅＝0；当只有M_X作用于本发明时，Q₃和Q₄都有输出，且大小相等，方向相同，即Q₄-Q₃＝0；当只有M_Y作用于本发明时，Q₁和Q₂都有输出，且大小相等，方向相同，即Q₁-Q₂＝0。所以实际上本发明的各输出极之间不存在耦合现象，无需对输出信号进行解耦运算就可以直接得到输出结果。

Claims

1、差动式压电六维力传感器，其特征在于，该传感器包括一个带有信号输出插座(3)的传感器基座、在该传感器基座内以立方体的相对面关系两两相对地安装的四对测力组、压在这四对测力组外侧面上的各一块预紧垫块(7)、分别顶住四对测力组内侧面的传力架(4)；所述测力组均各有重叠于外侧一个测量F_X、F_Y的测力计(5)和重叠于内侧一个测量F_Z、M_X、M_Y、M_Z的测力测矩计(6)；各测力计(5)内均以中心对称的状态安装有位于同一平面上的八片X0°切型压电晶片(Xx)，这些X0°切型压电晶片(Xx)的敏感轴均垂直于它们所在平面、且相对测力计(5)中的各X0°切型压电晶片(Xx)的敏感轴方向相对，每一测力计(5)中的八片X0°切型压电晶片(Xx)各自并联后与插座(3)连接；各测力测矩计(6)内安装有均分别与同一测力组内各X0°切型压电晶片(Xx)对齐、平行且在同一平面上的八片Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)，这些Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)的敏感轴均平行于它们所在平面；位于四个测力测矩计(6)的对称中心上下两端的各两片Y0°切型压电晶片(Y1和Y2、Y9和Y10、Y17和Y18、Y25和Y26)的敏感轴与Z轴平行、且相对的两个测力测矩计(6)中的Y0°切型压电晶片(Y1和Y2对Y9和Y10、Y17和Y18对Y25和Y26)的敏感轴方向相反，各测力测矩计(6)中的各两片其敏感轴与Z轴平行的Y0°切型压电晶片(Y1和Y2、Y9和Y10、Y17和Y18、Y25和Y26)分别并联后与插座(3)连接；位于两个相对的测力测矩计(6)对称中心左右两端的各两片Y0°切型压电晶片(Y19和Y20、Y27和Y28)的敏感轴与X轴平行、且方向相同，这两个测力测矩计(6)中的各两片其敏感轴与X轴平行的Y0°切型压电晶片(Y19和Y20、Y27和Y28)分别并联后与插座(3)连接；位于另两个相对的测力测矩计(6)的对称中心左右两端的各两片Y0°切型压电晶片(Y3和Y4、Y11和Y12)的敏感轴与Y轴平行、且方向相同，这两个测力测矩计(6)中的各两片其敏感轴与Y轴平行的Y0°切型压电晶片(Y3和Y4、Y11和Y12)分别并联后与插座(3)连接；四个测力测矩计(6)中的其余各四片Y0°切型压电晶片(Y5～Y8、Y13～Y16、Y21～Y24、Y29～Y32)的敏感轴方向均分别以逆时针排列、且与Z轴的夹角均为45°，每一测力测矩计(6)中的这些其敏感轴为45°的Y0°切型压电晶片(Y5～Y8、Y13～Y16、Y21～Y24、Y29～Y32)分别并联后与插座(3)连接。

2、根据权利要求1所述的差动式压电六维力传感器，其特征在于，所述的X0°切型压电晶片(Xx)和Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)的厚度均相等，各测力计(5)中的八片X0°切型压电晶片(Xx)和各测力测矩计(6)中的八片Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)均是放置并限位在各一片其厚度比这些压电晶片薄的绝缘定位架(561)中的；放置了相应压电晶片的各绝缘定位架(561)又被安装在各一测力计/测力测矩计盒(562)中；通过各一颗预紧螺钉(8)，按照预紧垫块(7)、装有所述测力计(5)在其中的测力计/测力测矩计盒(562)、装有所述测力测矩计(6)在其中的测力计/测力测矩计盒(562)、传力架(4)的顺序而它们分别固定在该传力架(4)的四端。

3、根据权利要求2所述的差动式压电六维力传感器，其特征在于，所述的X0°切型压电晶片(Xx)和Y0°切型压电晶片(Y1～Y8、Y9～Y16、Y17～Y24、Y25～Y32)均为等直径的圆形；所述绝缘定位架(561)为圆形，它的正中央有一个定位圆孔、以该定位圆孔的轴线为对称中心按照中心对称的状态分布有定位八片压电晶片的圆形晶片孔；所述测力计/测力测矩计盒(562)为一个正方形盒(5622)和一个正方形盖(5621)的组合，该正方形盒(5622)有放置所述绝缘定位架(561)的圆环形内腔和穿过其定位圆孔的定位柱，该定位柱的中心安装有定位套筒(10)，该正方形盖(5621)的内侧有与所述圆环形内腔匹配且压住压电晶片的圆环形凸起，该正方形盒(5622)和正方形盖(5621)外侧各有一个与所述绝缘定位架(561)相等的圆环形凸起；所述传力架(4)为十字架结构，该十字架的四个顶端分别有完全顶住四对测力组内侧面的抵触面板，每一抵触面板的中央各有一个与所述预紧螺钉(8)配合的螺钉孔；所述预紧垫块(7)抵触各测力组外侧面的一端有与所述绝缘定位架(561)相等的圆环形凸起。

4、根据权利要求1、2或3所述的差动式压电六维力传感器，其特征在于，所述传感器基座由基座盒(1)与基座盖(2)构成，基座盒(1)内有与所述传力架(4)、测力组和预紧垫块(7)的各个对应的被包容面相匹配的包容腔；所述基座盖(2)是嵌入盖，该基座盖(2)的外表面与其基座盒(1)的盖口边沿齐平，它通过位于其四角的四颗螺钉与该基座盒(1)固定在一起；该基座盖(2)的中央安插有其内端固定在所述传力架(4)的十字中心上的施力轴(9)；所述输出插座(3)有四个，它们以与各测力组对应的状态安装在该基座盖(2)上。

5、根据权利要求1、2或3所述的差动式压电六维力传感器，其特征在于，在所述传感器基座的侧壁上分别有连接预紧垫块(7)和基座盒的连接螺钉(17)。

6、根据权利要求4所述的差动式压电六维力传感器，其特征在于，在所述传感器基座的侧壁上分别有连接预紧垫块(7)和基座盒的连接螺钉(17)。

7、根据权利要求4所述的差动式压电六维力传感器，其特征在于，所述施力轴(9)是通过螺纹联接的方式拧在所述传力架(4)的十字中心上的。

8、根据权利要求6所述的差动式压电六维力传感器，其特征在于，所述施力轴(9)是通过螺纹联接的方式拧在所述传力架(4)的十字中心上的。