CN101750173A - 一种压电式六维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压电式六维力传感器。它包括其内部带有安装盘和插座的基座，被上下两片绝缘电极板夹住而安装在该基座内安装盘上的测力测矩计，盖子，信号引线和绝缘填充材料。本发明构成测力测矩计的石英晶片只有八片，分别为四片Y0°切型石英晶片和四片X0°切型石英晶片。通过采集这八片石英晶片的输出信号后再进行加法运算和/或减法运算可获得被测三维力和三维力矩信息。本发明除仍然能保持无维间耦合，无需解耦运算之优点外，还因其所用石英晶片大大减少而具有了结构简单、加工工艺要求降低的优点，故尤其适用于MEMS工艺加工、以使压电式六维力传感器微型化。

Description

一种压电式六维力传感器

技术领域

本发明属于压电传感器，具体涉及六维力的压电式传感器。

背景技术

六维力传感器是测量空间三维力和三维力矩的传感器，公知的六维力传感器主要可以分为三大类：第一类是采用在弹性体上安装传感元件(应变计、厚膜力敏电阻、光电位移传感器等)的结构，通过传感元件检测弹性体的形变来反映被测六维力信息，这类六维力传感器因为弹性体的存在，导致该结构存在：弹性体结构复杂程度与解耦之间的矛盾、高固有频率与高灵敏度之间的矛盾、弹性体质量与解耦难易程度的矛盾等三大瓶颈矛盾。第二类是基于Stewart平台工作原理的并联式结构，将应变元件安装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，空间结构复杂，尺寸大，难以微小化。第三类是在刚体传力机构上安装八个或两个多维压电式力传感器(例如：中国专利ZL2007100781415《差动式压电六维力传感器》，ZL2007100786847《一种压电式六维力传感器》)，外力信息通过刚体传力机构直接施加在各个传感器上，由于该结构传感器不存在用于测量外力的弹性体，因此可以很好的克服因弹性体的存在带来的瓶颈矛盾，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要求高，由于刚体传力机构质量的存在，该类传感器应用在加速度场中时其测量精度也会受到加速度的影响。中国专利ZL2008100697208《一种平板式压电六维力传感器》所提供的技术方案，克服了刚体传力机构对第三类传感器性能的影响，该方案还特别有利于六维力传感器的微型化，也即可以使用MEMS工艺方案来实现，但由于该技术方案需要安装十六片压电石英晶片，对其定位精度的要求也比较高，这就对这种平板式压电六维力传感器的微型化带来了比较大的困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种仍然能保持无维间耦合，无需解耦运算之优点，并且又具有结构简单、加工工艺要求低、尤其适用于MEMS工艺加工、以使其微型化的压电式六维力传感器。

解决所述技术问题的方案，是这样一种压电式六维力传感器。它与现有技术相同的方面是，该传感器包括其内部带有安装盘、其外部带有插座的基座，被上下两片绝缘电极板夹住而安装在该基座内安装盘上的测力测矩计，紧压在上片绝缘电极板上的盖子，把绝缘电极板的电极与插座连接起来的信号引线以及固定且绝缘隔离该信号引线的绝缘填充材料。其中，测力测矩计由若干石英晶片构成。其改进之处是，构成测力测矩计的石英晶片只有八片，这八片石英晶片在该传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上。在该参考圆与X、Y轴的交点处，安置的是四片Y0°切型石英晶片，其余为四片X0°切型石英晶片——这四片Y0°切型石英晶片各自自身的局部坐标系中的Y轴，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴平行且方向相反或相同，其X轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针分布，其Z轴均根据左手定则或均根据右手定则确定；这四片X0°切型石英晶片各自自身的局部坐标系的X轴，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴平行且方向相反或相同，其Y轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针分布，其Z轴均根据左手定则或均根据右手定则确定。在两片绝缘电极板上有与这八片石英晶片一一对应且呈镜像对称的八对电极，这八对电极分别并联在一起构成八个信号输出端、并分别通过信号引线与对应插座连接。与在Y轴上的Y0°切型石英晶片对应的信号输出端的输出值，通过减法运算为X向的力值；与在X轴上的Y0°切型石英晶片对应的信号输出端的输出值，通过减法运算为Y向的力值；与四片X0°切型石英晶片对应的信号输出端的输出值，通过加法运算为Z向的力值；与在X轴正向和Y轴负向的角平分线上、在X轴负向和Y轴负向的角平分线上的两片X0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值之和与另外两片X0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值之和，通过减法运算为X向的力矩值；与在X轴正向和Y轴正向的角平分线上、在X轴正向和Y轴负向的角平分线上的两片X0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值之和与另外两片X0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值之和，通过减法运算为Y向的力矩值；与四片Y0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值，通过加法运算为Z向的力矩值。

从方案中可以看出，本发明与现有技术相比较，所用石英晶片仅仅只有八片，且同时构成了一个既能测力、又能测力矩的测力测矩计。因此，除其本身保持了中国专利ZL2008100697208方案之优点外，还因其所用石英晶片大大减少而具有了结构简单、加工工艺要求降低的优点，故尤其适用于MEMS工艺加工、以使压电式六维力传感器微型化。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——本发明外形图

图2——图1的A-A向剖视图

图3——本发明中传感器的工作三维直角坐标系和各石英晶片的局部坐标系图

图4——本发明的绝缘电极板上电极分布图

图5——本发明的信号处理原理图

具体实施方式

一种压电式六维力传感器(参考图1、2)，该传感器包括其内部带有安装盘91、其外部带有插座的基座9，被上下两片绝缘电极板(141、142)夹住而安装在该基座9内安装盘91上的测力测矩计j0，紧压在上片绝缘电极板141上的盖子10，把绝缘电极板(141、142)的电极与插座连接起来的信号引线12以及固定且绝缘隔离该信号引线12的绝缘填充材料11。其中，测力测矩计j0由若干石英晶片构成；基座9与盖子10通过电子束焊接技术焊接在一起。在本发明中，构成测力测矩计j0的石英晶片(j1～j8)只有八片(参考图3)，这八片石英晶片(j1～j8)在该传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上。在该参考圆与X、Y轴的交点处，安置的是四片Y0°切型石英晶片(j1、j3、j5、j7)，其余为四片X0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)——这四片Y0°切型石英晶片(j1、j3、j5、j7)各自自身的局部坐标系中的Y轴，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴平行且方向相反或相同，其X轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针分布，其Z轴均根据左手定则或均根据右手定则确定；这四片X0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)各自自身的局部坐标系的X轴，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴平行且方向相反或相同，其Y轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针分布，其Z轴均根据左手定则或均根据右手定则确定。在两片绝缘电极板(141、142)上有与这八片石英晶片(j1～j8)一一对应且呈镜像对称的八对电极(d1～d8)，这八对电极(d1～d8)分别并联在一起构成八个信号输出端(Q₁～Q₈)、并分别通过信号引线12与对应插座(131～138)连接(参考图1、4、5，由于各对电极是镜像对称的，故在图4仅绘制了一片绝缘电极板及其电极；图5标出的第1插座～第8插座，一一对应于图1的附图标记131～138)。如图5所示，与在Y轴上的Y0°切型石英晶片(j1、j5)对应的信号输出端(Q₁、Q₅)的输出值，通过减法运算为X向的力值F_X；与在X轴上的Y0°切型石英晶片(j3、j7)对应的信号输出端(Q₃、Q₇)的输出值，通过减法运算为Y向的力值F_Y；与四片X0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆、Q₈)的输出值，通过加法运算为Z向的力值F_Z；与在X轴正向和Y轴负向的角平分线上、在X轴负向和Y轴负向的角平分线上的两片X0°切型石英晶片(j4、j6)所对应的信号输出端(Q₄、Q₆)的输出值之和与另外两片X0°切型石英晶片(j2、j8)所对应的信号输出端(Q₂、Q₈)的输出值之和，通过减法运算为X向的力矩值M_X；与在X轴正向和Y轴正向的角平分线上、在X轴正向和Y轴负向的角平分线上的两片X0°切型石英晶片(j2、j4)所对应的信号输出端(Q₂、Q₄)的输出值之和与另外两片X0°切型石英晶片(j6、j8)所对应的信号输出端(Q₆、Q₈)的输出值之和，通过减法运算为Y向的力矩值M_Y；与四片Y0°切型石英晶片(j1、j3、j5、j7)所对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅、Q₇)的输出值，通过加法运算为Z向的力矩值M_Z。

本领域的技术人员清楚，除用信号引线12把绝缘电极板(141、142)上引出的各个信号输出端(Q₁～Q₈)与对应的八个插座(131～138)连接之外，由于输出信号为电荷信号的原因，在各个插座(131～138)之外，还应当与对应的电荷放大器(电荷放大器1～电荷放大器8)连接，将电荷信号转换为电压信号，然后根据本发明提出的运算规则连接相应的加法器、乃至减法器(参考图5)。

为使披露更加清楚，现把本发明中的三维力和三维力矩与各个信号输出端(Q₁～Q₈)测得电荷信号的对应关系，再用数学式描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_X\∝Q_1-Q_5\\ F_Y\∝Q_3-Q_7\\ F_Z\∝(Q_2+Q_4+Q_6+Q_8)\\ M_X\∝[(Q_4+Q_6)-(Q_2+Q_8)]\\ M_Y\∝[(Q_2+Q_4)-(Q_6+Q_8)]\\ M_Z\∝(Q_1+Q_3+Q_5+Q_7)\end{array}\right..$

Claims (1)

1.一种压电式六维力传感器，该传感器包括其内部带有安装盘(91)、其外部带有插座的基座(9)，被上下两片绝缘电极板(141、142)夹住而安装在该基座(9)内安装盘(91)上的测力测矩计(j0)，紧压在上片绝缘电极板(141)上的盖子(10)，把绝缘电极板(141、142)的电极与插座连接起来的信号引线(12)以及固定且绝缘隔离该信号引线(12)的绝缘填充材料(11)；其中，所述测力测矩计(j0)由若干石英晶片构成；其特征在于，构成所述测力测矩计(j0)的石英晶片(j1～j8)只有八片，这八片石英晶片(j1～j8)在该传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上；在该参考圆与X、Y轴的交点处，安置的是四片Y0°切型石英晶片(j1、j3、j5、j7)，其余为四片X0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)；这四片Y0°切型石英晶片(j1、j3、j5、j7)各自自身的局部坐标系中的Y轴，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴平行且方向相反或相同，其X轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针分布，其Z轴均根据左手定则或均根据右手定则确定；这四片X0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)各自自身的局部坐标系的X轴，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴平行且方向相反或相同，其Y轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针分布，其Z轴均根据左手定则或均根据右手定则确定；在所述的两片绝缘电极板(141、142)上有与这八片石英晶片(j1～j8)一一对应且呈镜像对称的八对电极(d1～d8)，这八对电极(d1～d8)分别并联在一起构成八个信号输出端(Q₁～Q₈)、并分别通过信号引线(12)与对应插座(131～138)连接；与在Y轴上的Y0°切型石英晶片(j1、j5)对应的信号输出端(Q₁、Q₅)的输出值，通过减法运算为X向的力值(F_X)；与在X轴上的Y0°切型石英晶片(j3、j7)对应的信号输出端(Q₃、Q₇)的输出值，通过减法运算为Y向的力值(F_Y)；与四片X0°切型石英晶片(j2、j4、j6、j8)对应的信号输出端(Q₂、Q₄、Q₆、Q₈)的输出值，通过加法运算为Z向的力值(F_Z)；与在X轴正向和Y轴负向的角平分线上、在X轴负向和Y轴负向的角平分线上的两片X0°切型石英晶片(j4、j6)所对应的信号输出端(Q₄、Q₆)的输出值之和与另外两片X0°切型石英晶片(j2、j8)所对应的信号输出端(Q₂、Q₈)的输出值之和，通过减法运算为X向的力矩值(M_X)；与在X轴正向和Y轴正向的角平分线上、在X轴正向和Y轴负向的角平分线上的两片X0°切型石英晶片(j2、j4)所对应的信号输出端(Q₂、Q₄)的输出值之和与另外两片X0°切型石英晶片(j6、j8)所对应的信号输出端(Q₆、Q₈)的输出值之和，通过减法运算为Y向的力矩值(M_Y)；与四片Y0°切型石英晶片(j1、j3、j5、j7)所对应的信号输出端(Q₁、Q₃、Q₅、Q₇)的输出值，通过加法运算为Z向的力矩值(M_Z)。

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