CN101285723A - 一种平板式压电六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压电传感器技术领域,涉及一种平板式压电六维力传感器,它是将十六个压电单元晶组组装在以基座和盖子形成的腔体中,并引出电极,通过导线连接到插座,形成传感器。这十六个压电单元晶组均匀分布在基座内的压电单元晶组安装平台的同一圆周上,四个采用X0°切型石英晶片构成的压电单元晶组分布于圆周的45°、135°、225°和315°的位置上,十二个采用Y0°切型石英晶片构成的压电单元晶组均匀分布在圆周的其余位置,共形成七个压电晶组,获得七路输出信号。本六维力传感器具有结构简单、无需弹性体、动态特性好、易于小型化和微型化、制造成本低、刚度好等优点,不存在维间耦合,无需解耦运算,属直接输出型六维力传感器。
Description
技术领域
本发明属于压电传感器技术领域,具体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主要可以分为三大类:第一类是采用在复杂的弹性体上粘贴应变计或在弹性体上烧结厚膜力敏电阻(参见中国专利文献CN00119096.2“一种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器”)的方式,通过传感元件(应变计或厚膜力敏电阻)检测弹性体的形变来反映被测六维力信息,这类六维力传感器的弹性体结构复杂,加工困难,加工成本高,应变计粘贴数量多,粘贴工作繁重,粘贴质量及粘贴位置精度难以保证,并且各方向上都存在维间耦合,需要对传感器的输出信号进行解耦运算后才能得到被测力信息;第二类是基于STWART平台工作原理的平台式结构,将应变计贴在平台的支撑杆上或弹性移动副上(或将压电元件装在支撑杆上),这类传感器对各个测量单元的一致性要求很高,结构复杂,有的尺寸大,有的刚度低,有的标定困难,有的灵敏度低,有的制造成本高,有的维间耦合严重,解耦运算复杂;第三类是采用在传力机构上安装八个或两个多维压电式力传感器(参见中国专利CN101013054“差动式压电六维力传感器”,CN101078660“一种压电式六维力传感器”),外力信息通过传力机构直接施加在各个传感器上,避免了弹性体对传感器的影响,无维间耦合,工艺简单,但这类六维力传感器对各个传感器的安装精度要求高,对同型号传感器的一致性也要求较高。目前公知的这些六维力传感器都属于空间结构,只有第一类测量原理中有极少数方案可以通过设计复杂的MEMS工艺方案来实现六维力传感器的微型化,第二和第三类方案目前还没有能实现微型化。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种结构简单,无需弹性体,动态特性好,易于小型化和微型化,制造成本低,刚度好,无维间耦合,无需解耦,并适用于MEMS工艺的平板式压电六维力传感器。
本发明的技术方案如下:
一种平板式压电六维力传感器,其以石英晶片为敏感元件,将石英晶片组装在以基座和盖子形成的腔体中,并引出电极,通过导线连接到插座,形成传感器。
所述组装在基座内的石英晶片共形成十六个压电单元晶组,这十六个压电单元晶组均匀固定安装分布在传感器基座内的压电单元晶组安装平台的同一圆周上。
其中有四个压电单元晶组分别由X0°切型石英晶片构成,分布于圆周的45°、135°、225°和315°的位置上,分别构成第4、第5、第6和第7压电晶组,这些压电单元晶组的敏感轴垂直于传感器工作平面。
另十二个压电单元晶组分别由Y0°切型石英晶片构成,其中分布于圆周的0°、180°位置上的两个压电单元晶组构成第1压电晶组,构成第1压电晶组的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布,且方向相同;分布于90°、270°位置上的两个压电单元晶组构成第3压电晶组,构成第3压电晶组的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布,且方向相同;分布于22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°位置上的八个压电单元晶组构成第2压电晶组,构成第2压电晶组的八个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的切线分布,且方向沿顺时针或逆时针布置。
所述第1压电晶组的两个电极并联后用导线与基座上的第1插座连接,第2压电晶组的八个电极并联后用导线与第2插座连接,第3压电晶组的两个电极并联后用导线与第3插座连接,第4、5、6、7压电晶组各自的电极用导线分别与第4、5、6和7插座连接;所述各导线被分别绝缘封装在绝缘材料填充层中。
上述压电单元晶组有单片结构和对装结构两种形式:
对装结构:每一压电单元晶组采用两片完全相同的石英晶片对装构成,即共有三十二片石英晶片,所述压电单元晶组直接安装固定在基座内的压电单元晶组安装平台的同一圆周上(各压电单元晶组的电极夹在构成各压电单元晶组的两片石英晶片之间,从各电极引出的信号为负电荷信号)。对于压电单元晶组为两片完全相同的石英晶片对装构成的情况,所述压电单元晶组的敏感轴和敏感轴的方向是指上片石英晶片的敏感轴和敏感轴方向,所述分布于圆周的45°、135°、225°和315°的位置上的压电单元晶组的各下片X0°切型石英晶片的Y轴正向方向向心或离心分布,各上片石英晶片的Y轴正向方向离心或向心分布。
单片结构:每一压电单元晶组采用一片石英晶片,即共有十六片石英晶片,这十六片石英晶片分别固定在绝缘电极板的十六个电极上,所述绝缘电极板安装在基座内的压电单元晶组安装平台上,绝缘电极板上的十六个电极中属于同一压电晶组的各压电单元晶组对应的电极分别并联,形成七路输出信号端,并分别通过导线与对应的七个插座相连;对于压电单元晶组为单片石英晶片构成的情况,所述的压电单元晶组的敏感轴和敏感轴的方向指单片石英晶片的敏感轴和敏感轴方向,所述分布于圆周的45°、135°、225°和315°的位置上的压电单元晶组的各X0°切型石英晶片的Y轴正向方向向心或离心分布。
所述绝缘电极板采用一块,在其上粘接固定压电单元晶组,或采用两块,压电单元晶组粘接固定在上下两块绝缘电极板之间。
本六维力传感器具有结构简单,无需弹性体,动态特性好,易于小型化和微型化,制造成本低,刚度好等优点。由于本传感器采用对称布置压电单元晶组的设计思路,因此不存在维间耦合,也就无需解耦运算,属于直接输出型六维力传感器。另外,由于本六维力传感器采用平板式的结构,因此,在现有的MEMS技术条件下,通过设计简单的MEMS工艺方案就可以实现本传感器的小型化或微型化。本六维力传感器可用于机器人学、航空航天等领域对六维力/力矩信息的测量,尤其适合于对各种机动车、飞机,工程机械等运动机械上安装的座椅的动态特性的实时测量。
附图说明
图1是本传感器的外形图;
图2是本传感器的第一种实现方案(即压电单元晶组采用对装结构)的结构剖面图;
图3是本传感器的第二种实现方案(即压电单元晶组采用单片结构)的结构剖面图;
图4是第一、二种实现方案的压电晶组布局原理图;
图5是绝缘电极板的结构示意图(各电极上的编号对应于各压电晶组的编号);
图6是对本传感器的输出信号进行处理的电路原理框图。
图中:1-第1压电晶组,2-第2压电晶组,3-第3压电晶组,4-第4压电晶组,5-第5压电晶组,6-第6压电晶组,7-第7压电晶组,8-基座,9-上盖,10-绝缘材料填充层,11-电极,12-导线,131-第1插座,132-第2插座,133-第3插座,134-第4插座,135-第5插座,136-第6插座,137-第7插座,14-绝缘电极板,15-压电单元晶组安装平台。
具体实施方式
实施例1:参见图1、图2和图4,制造传感器时包括以下几步:
第一步,将完全相同的八片X0°切型石英晶片“对装”(即采取上下X0°切型石英晶片的Y轴正向方向相反排列,在电路上为并联结构,电极夹在两石英晶片之间,要求电极的引出信号为负电荷信号),形成四个压电单元晶组。
第二步,将完全相同的二十四片Y0°切型石英晶片“对装”(即在电路上为并联结构,信号引出电极夹在两片石英晶片之间,要求引出电极的引出信号为负电荷信号),形成十二个压电单元晶组。
第三步,将这十六个压电单元晶组的敏感轴按如图所示的布局方案(箭头方向为各个压电单元晶组的敏感轴的方向)均匀固定安装分布在传感器的基座8内的压电单元晶组安装平台15的同一圆周上。其中有四个压电单元晶组是由完全相同的X0°切型石英晶片构成,分布于圆周的45°、135°、225°和315°位置上,分别构成第4、第5、第6和第7压电晶组4、5、6和7,这些压电单元晶组的敏感轴垂直于传感器工作平面,且各压电单元晶组的各上片X0°切型石英晶片的Y轴正向方向离心或向心分布,各下片X0°切型石英晶片的Y轴正向方向向心或离心分布。另十二个压电单元晶组是由完全相同的Y0°切型石英晶片构成,其中分布于圆周的0°、180°位置上的两个压电单元晶组构成第1压电晶组1,构成第1压电晶组1的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布,且方向相同;分布于90°、270°位置上的两个压电单元晶组构成第3压电晶组3,构成第3压电晶组3的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布,且方向相同;分布于22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°位置上的八个压电单元晶组构成第2压电晶组2,构成第2压电晶组2的八个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的切线分布,且方向沿顺时针或逆时针布置。
第四步,将第2压电晶组2的八个电极并联后用导线12和第2插座132连接起来,并将导线12绝缘封装在绝缘材料填充层10的第一层中间(这是绝缘填充材料的第一层,即底层)。
第五步,将第1压电晶组1的两个电极并联后用导线12和第1插座131连接起来,并将导线12绝缘封装在绝缘材料填充层10的第二层中间。
第六步,将第3压电晶组3的两个电极并联后用导线12和第3插座133连接起来,并将导线12绝缘封装在绝缘材料填充层10的第三层中间。
第七步,用导线12将第4、5、6、7压电晶组4、5、6、7的电极分别与其对应的第4、5、6、7插座134、135、136、137连接起来,并将这些连接导线12相互绝缘地封装在绝缘材料填充层10的第四层中间。
第八步,在基座8上盖上上盖9并施加一定的预紧力后,将上盖9和基座8连接密封起来,即形成本平板式压电六维力传感器。
实施例2,参见图3和图4,与实施例1不同的是,本实施例中的各个压电单元晶组均由单片石英晶片构成,并布置在绝缘电极板上。
压电晶组布局如图4所示,即石英晶片布局如图4所示,十六片石英晶片按同一圆周分布,各石英晶片的敏感轴方向如箭头所示,其中第4、5、6、7压电晶组4、5、6、7均采用完全相同的X0°切型石英晶片,第1、2、3压电晶组均采用完全相同的Y0°切型石英晶片,要求X0°切型石英晶片的敏感轴垂直于传感器工作平面,其Y轴正向方向向心或离心分布,分布于其它位置的Y0°切型石英晶片的布置与实施例1相同。
参见图3,依据布局压电单元晶组的圆周大小和石英晶片大小,在与传感器基座8内的压电单元晶组安装平台15的直径大小相等的聚四氟乙烯圆环片上镀上十六个电极,并将属于同一压电晶组的电极连通,形成具有七路输出信号端的绝缘电极板14,参见图5。先将石英晶片按图4所示的压电晶组布局方案固定在上下两块完全相同的绝缘电极板14之间,然后将这两块固定有石英晶片的绝缘电极板固定在传感器基座8内的压电单元晶组安装平台15上,将七路输出信号端用导线12分别与对应的第1-第7插座131-137连接(并将这些导线12相互绝缘地封装在绝缘材料填充层10中),盖上上盖9并施加一定的预紧力后,将上盖9和基座8连接密封起来,也可形成本平板式压电六维力传感器。
图3中所示的传感器结构采用的是两块绝缘电极板的方案,在实际应用中也可以只采用一块绝缘电极板,先将石英晶片按图4所示的压电晶组布局方案固定在一块绝缘电极板14上,然后将这块固定有石英晶片的绝缘电极板固定在传感器基座8内的压电单元晶组安装平台15上,将七路输出信号端用导线12分别与对应的第1-第7插座131-137连接(并将这些导线12相互绝缘地封装在绝缘材料填充层10中),盖上上盖9并施加一定的预紧力后,将上盖9和基座8连接密封起来,也可形成本平板式压电六维力传感器。
使用时将七路电荷放大器同本平板式压电六维力传感器的七个插座相连,将七路输出信号同按如图6所示的传感器输出信号处理电路原理框图设计的电路连接就可以得到六路电压信号,这便是六路力/力矩信息,本平板式压电六维力传感器的测量原理可以用如下数学关系式描述:
Qi(i=1,2,3,4,5,6,7表示对应的压电晶组的编号)表示各个压电晶组上的电荷量,FX、FY、FZ、MX、MY、XZ分别表示被测空间六维力/力矩。
Claims (6)
1、一种平板式压电六维力传感器,所述传感器以石英晶片为敏感元件,将石英晶片组装在以基座和盖子形成的腔体中,并引出电极,通过导线连接到插座,形成传感器;其特征在于:
所述组装在基座内的石英晶片共形成十六个压电单元晶组,这十六个压电单元晶组固定安装并均匀分布在传感器基座内的压电单元晶组安装平台的同一圆周上;
其中有四个压电单元晶组分别由X0°切型石英晶片构成,分布于圆周的45°、135°、225°和315°的位置上,分别构成第4、第5、第6和第7压电晶组,这四个压电单元晶组的敏感轴垂直于传感器工作平面;
另十二个压电单元晶组分别由y0°切型石英晶片构成,其中,分布于圆周的0°、180°位置上的两个压电单元晶组构成第1压电晶组,构成第1压电晶组的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布,且方向相同;分布于90°、270°位置上的两个压电单元晶组构成第3压电晶组,构成第3压电晶组的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布,且方向相同;分布于22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°位置上的八个压电单元晶组构成第2压电晶组,构成第2压电晶组的八个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的切线分布,且方向沿顺时针或逆时针布置;
所述第1压电晶组的两个电极并联后用导线与基座上的第1插座连接,第2压电晶组的八个电极并联后用导线与第2插座连接,第3压电晶组的两个电极并联后用导线与第3插座连接,第4、5、6和7压电晶组各自的电极用导线分别与第4、5、6和7插座连接;所述各导线被分别绝缘封装在绝缘材料填充层中。
2、根据权利要求1所述的平板式压电六维力传感器,其特征在于:所述每一压电单元晶组采用两片完全相同的石英晶片对装构成,所述压电单元晶组直接安装固定在基座内的压电单元晶组安装平台的同一圆周上;对于压电单元晶组为两片完全相同的石英晶片对装构成的情况,所述压电单元晶组的敏感轴和敏感轴的方向是指上片石英晶片的敏感轴和敏感轴方向。
3、根据权利要求2所述的平板式压电六维力传感器,其特征在于:对于压电单元晶组为完全相同的两片石英晶片对装构成的情况,即共有三十二片石英晶片,所述分布于圆周的45°、135°、225°和315°的位置上的四个压电单元晶组的各下片X0°切型石英晶片的Y轴正向方向向心或离心分布,各上片X0°切型石英晶片的Y轴正向方向离心或向心分布。
4、根据权利要求1所述的平板式压电六维力传感器,其特征在于:所述每一压电单元晶组采用一片石英晶片,即共有十六片石英晶片,这十六片石英晶片分别固定在绝缘电极板的十六个电极上,所述绝缘电极板安装在基座内的压电单元晶组安装平台上,绝缘电极板上的十六个电极中属于同一压电晶组的各压电单元晶组对应的电极分别并联,形成七路输出信号端,并通过导线与对应的七个插座相连;对于压电单元晶组为单片石英晶片构成的情况,所述的压电单元晶组的敏感轴和敏感轴的方向指单片石英晶片的敏感轴和敏感轴方向。
5、根据权利要求4所述的平板式压电六维力传感器,其特征在于:对于压电单元晶组为单片石英晶片构成的情况,所述分布于圆周的45°、135°、225°和315°的位置上的压电单元晶组的各X0°切型石英晶片的Y轴正向方向向心或离心分布。
6、根据权利要求5述的平板式压电六维力传感器,其特征在于:所述绝缘电极板采用一块,在其上粘接固定压电单元晶组,或采用两块,压电单元晶组粘接固定在上下两块绝缘电极板之间。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091202 Termination date: 20100522 |