CN102519634A - 一种压电薄膜力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电薄膜力传感器，其特征在于，包括上盖（1）、下盖（2）、密封圈（3）、力敏元件（4）、导线（5）、密封圈槽（6）、导线孔（7）、预紧螺钉（22）组成，上盖下表面（h）上开有圆环形上盖凹槽（20），下盖上表面（g）上有圆环形凸台（13），凸台上表面（b）上放置一组圆环形力敏元件（4），上盖（1）与下盖（2）通过上盖凹槽（20）和凸台（13）配合，力敏元件（4）的上表面与上盖凹槽下表面（a）接触，力敏元件（4）下表面与凸台上表面（b）接触，上盖下表面（h）与下盖上表面（g）不接触，在定位凸台上表面(d)上开有一个密封圈槽（6），其内放置有密封圈（3），密封圈（3）与定位凸台上表面(d)和定位凹槽下表面（c）接触，在下盖侧表面（m）开有配合使用的导线孔（7），通过安装孔（15）、（18）将上盖（1）、力敏元件（4）、下盖（2）、密封圈（3），用一组预紧螺钉（22）安装在一起。

Description

一种压电薄膜力传感器

技术领域

本发明属于传感器及其测控技术领域，特别涉及冷锻压装置（如：钢球冷锻机）的压电薄膜力传感器，可用于测量空间大量程冲击载荷。

背景技术

压电式测量方式为巨大冲击力的测量提供了可靠的解决办法。压电片不需要外部激励源。压电片的输出通常体现在正压力作用时单位面积释放的电荷数量。输出是通过单独的信号调理器或者电荷转换器传送到读出设备。目前压电式力传感器的研究较少，主要原因是基于压电薄膜的力传感器研究依赖于压电薄膜制备工艺以及压电性能的研究进展，与压阻式力传感器相比，制各工艺比较复杂。

具备由高分子材料构成、尤其是由聚偏氟乙烯(PVDF)构成的压电薄膜的压电传感器，被用作具有弹性力的支承体所被施加的负重进行检测的压力传感器。日本特开平10-332509号公布一种在压电薄膜的两面涂敷银膏，将一侧形成为信号电极，将另一侧形成为接地电极的压电传感器。该压电传感器中，在压电薄膜的信号电极一侧进而分别借助粘接剂层叠有绝缘层和保护层，在压电体的接地电极一侧借助粘接剂层叠有绝缘层。但是，由于上述专利文献中记载的压电传感器通过层叠压电薄膜、电极层、保护层、粘接层、绝缘层等多个层来制造，所以，存在工程费用增大、实际上无法产品化之类的问题。而且，为了在进行层叠时高精度地定位各层的端子部分，存在着需要大量的劳力及成本这样的问题。并且直接对由聚偏氟乙烯(PVDF)构成的压电薄膜的表面涂敷银膏并设置了电极。但是，PVDF的耐热温度低至120℃以下，如果想要以通常的干燥温度、即150℃左右使银膏干燥，则有可能导致PVDF的压电特性劣化，因此，难以在PVDF自身上形成稳定的电极。进而，因热膨胀率之差，还有可能发生剥离、断线，其包含着可靠性受损的主要原因。

美国Dynasen公司压电薄膜、薄膜压力传感器。这种压电薄膜压力传感器主要用于测量平面波。压电薄膜压力传感器由一组电极和引线组成，蒸镀在大片PVF2聚合物的一侧，再封装在两薄层合适的绝缘体（聚酰亚胺或FEP氟化乙丙烯）之间。PVF2薄膜连接两电极。输出引线可使用0.0005英寸厚铜金属薄片延长，铜金属薄片使用银环氧形成坚固的焊接连接头（标准焊接方法只需连接到压力计即可）。PVF2常用压力计是由单轴结构0.0004英寸和28微米（ 0.0011英寸）厚的PVF 2（聚氟乙烯）薄膜制成。其也可以由双轴结构25微米（ 0.001英寸）薄膜制成，用于特殊压力或者应变环境。PVF2传感器可制作成元件尺寸从0.015到1.0英寸范围和各种绝缘厚度。

德国ENTRAN压电薄膜式力传感器是带有放大输出功能的压电薄膜式力传感器，传感器采用独有的微熔技术和硅微机械加工技术制成的高可靠性、长寿命、低价格的拉力、力、称重传感器，具有放大输出功能。该产品广泛应用于医疗注射泵、消费品产品、机械人、汽车电子及工业自动化设备等领域。特点是低成本，尺寸小，低噪音，高过载能力，高可靠性，低偏差，寿命长。主要应用于设备负载，变力控制，滑轮拉力，小型提升机和绞盘。

中国专利200710011275公布一种压电薄膜悬臂梁式微力传感器的微力加载装置，适用于压电薄膜悬臂梁式微力传感器的静态和准静态测试和标定。微力加载装置由一维微位移台、二维微位移台、压电双晶片微力发生器及减震装置组成。一维微位移台由Ｘ轴分厘卡组件、一维微位移台底座组成。二维微位移台由Ｙ轴分厘卡组件、Ｚ轴分厘卡组件、二维微位移台底座、支板和内六角螺钉组成。压电双晶片微力发生器由微探针、固定块、两片压电陶瓷片、铝制金属片、夹片、内六角螺钉组成。结构简单可靠，而且操作方便。提高了微小力加载系统的分辨率，解决了微牛顿量级力加载的不稳定性和控制难的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述压电薄膜力传感器存在的结构及工艺上的缺陷，设计一种技术性能好，易于安装和维修，便于推广使用的耦合系数小、灵敏度高、強解耦、高刚性、大测量量程、动态性能好、能够实现组装工序简洁化、且可靠性高的压电薄膜力传感器。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种压电薄膜力传感器，其特征在于，包括上盖（1）、下盖（2）、密封圈（3）、力敏元件（4）、导线（5）、密封圈槽（6）、导线孔（7）、预紧螺钉（22）组成，上盖下表面（h）上开有圆环形上盖凹槽（20），下盖上表面（g）上有圆环形凸台（13），凸台上表面（b）上放置一组圆环形力敏元件（4），上盖（1）与下盖（2）通过上盖凹槽（20）和凸台（13）配合，力敏元件（4）的上表面与上盖凹槽下表面（a）接触，力敏元件（4）下表面与凸台上表面（b）接触，上盖下表面（h）与下盖上表面（g）不接触，在定位凸台上表面(d)上开有一个密封圈槽（6），其内放置有密封圈（3），密封圈（3）与定位凸台上表面(d)和定位凹槽下表面（c）接触，在下盖侧表面（m）开有配合使用的导线孔（7），通过安装孔（15）、（18）将上盖（1）、力敏元件（4）、下盖（2）、密封圈（3），用一组预紧螺钉（22）安装在一起。 

作为对本技术方案的进一步限定，所述安装孔（15）（18）分别为同圆均布的螺纹孔，所述上盖（1）上还设置有上盖定位孔（8），所述下盖（2）上设置有下盖定位孔（10）和安装固定阶梯孔（9）。

作为对本技术方案的进一步限定，所述力敏元件（4）由保护膜（24）（24′）、压电薄膜（23）、电极（16）（16′）和力敏元件引线（17）组成，压电薄膜（23）表面贴有电极（16）（16′），通过力敏元件引线（17）经所述导线（5）经导线孔（7）引出体外。

作为对本技术方案的进一步限定，所述上盖（1）和下盖（2）上分别设置有配合使用的下盖导线槽（11）和上盖导线槽（12）。

作为对本技术方案的进一步限定，所述的电极（16）（16′）采用金属箔。

作为对本技术方案的进一步限定，所述预紧螺钉（22）为4个。

作为对本技术方案的进一步限定，所述下盖（2）下表面上还设置有预紧螺钉阶梯孔（19）。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的压电式六维力传感器具有较高的静态和动态性能，由于结构简单，所以该传感器的成本大大降低，它具有较高的力－电转换效率，可以测量静态力、动态力和瞬态力。本传感器，即可用于钢球冷锻机重载强冲击设备冲击载荷测量，也可用于其他重载强冲击设备（如冷压机、锻造操作机等）冲击载荷动态测量，用途广泛。通过改变传感器力敏元件直径尺寸，实现不同的分载比，达到不同量程范围大冲击力测量的效果。该传感器结构简单、对称性好，刚性好，工艺性好、稳定性好、制造容易，寿命长，操作简单、使用方便、成本低，灵敏度高，易于产品化、横向干扰小。可用于受变大量程冲击载荷的静态力、动态力、瞬态力的测量，也可以作为在线监测装置或自适应控制系统反馈元件。

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构示意图。

图2为本发明优选实施例的上盖仰视图。

图3为本发明优选实施例的下盖俯视图。

图4为本发明优选实施例的下盖仰视图。

图5为本发明优选实施例力敏元件结构示意图。

图6为本发明优选实施例装配示意图。

图中，1-上盖，2-下盖，3-密封圈，4-力敏元件，5-导线，6-密封圈槽，7-导线孔，8-上盖定位孔，9-阶梯孔，10-下盖定位孔，11-下盖导线槽，12-上盖导线槽， 13-凸台，14-定位凸台，15、18-安装孔，16、16′-电极，17-力敏元件引线， 19、预紧螺钉阶梯孔，20-上盖凹槽，21-定位凹槽，22-预紧螺钉，23-压电薄膜，24、24′-保护膜， a-凹槽下表面，a′-上盖上表面，b-凸台上表面，c-定位凹槽下表面，d-定位凸台上表面，g-下盖上表面，h-上盖下表面，k-下盖下表面，m-下盖侧表面。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。

参见图1－图6，本发明上盖下表面h上开有圆环形上盖凹槽20，下盖上表面g上有圆环形凸台13，凸台上表面b上放置一组圆环形力敏元件4，上盖1与下盖2通过上盖凹槽20和凸台13配合，力敏元件4的上表面与上盖凹槽下表面a接触，力敏元件4下表面与凸台上表面b接触，上盖下表面h与下盖上表面g不接触，在定位凸台上表面d上开有一个密封圈槽6，其内放置有密封圈3，密封圈3与定位凸台上表面d和定位凹槽下表面c接触，在下盖侧表面m开有配合使用的导线孔7，通过安装孔15、18将上盖1、力敏元件4、下盖（2）、密封圈3，用一组预紧螺钉22安装在一起。上盖1、下盖2的材料均为不锈钢，密封圈3的材料为聚四氟乙烯。通过改变传感器力敏元件直径尺寸，实现不同的分载比，达到不同量程范围大冲击力测量的效果，测力量程范围为轴向冲击力100N—100000N。

所述安装孔15、18分别为同圆均布的螺纹孔，所述上盖1上还设置有上盖定位孔8，所述下盖2上设置有下盖定位孔10和安装固定阶梯孔9。

所述力敏元件4由保护膜24、24′、压电薄膜23、电极16、16′和力敏元件引线17组成，力敏元件4安装于凹槽下表面a和凸台上表面b之间，压电薄膜23表面贴有电极16、16′，通过力敏元件引线17与导线5连接经导线孔7引出体外，力敏元件4用密封胶密封。

所述上盖1和下盖2上分别设置有配合使用的下盖导线槽11和上盖导线槽12。下盖导线槽11和上盖导线槽12便于力敏元件引线17的引出。

所述的电极16、16′采用金属箔。

所述预紧螺钉22为4个。

所述下盖2下表面上还设置有预紧螺钉阶梯孔19，预紧螺钉阶梯孔19用于放置预紧螺钉22的螺帽，使得预紧螺钉22不会高出下盖下表面（h）。

安装时，先将圆环形压电薄膜23组成的力敏元件4安装在下盖2凸台13上，保证力敏元件4的下表面与凸台13的上表面b接触，力敏元件4的敏感方向必须与传感器的坐标系保持一致。然后安装上盖1，通过4个预紧螺钉22将上盖1、力敏元件4、下盖2通过孔18和螺纹孔15连接在一起，保证力敏元件4的上表面与凹槽下表面a接触，上盖下表面h与下盖上表面g不接触，在下盖2的定位凸台14上表面d上开有圆环形密封槽6，其内放置有密封圈3。将安装后的压电薄膜力传感器通过螺纹孔25紧固在工作平台上。

使用时，当传感器上盖1受力时，力敏元件4的拉压效应将作用力以相对应的电荷量的形式通过导线5输出，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压形式输出,通过信号调理及A/D数据采集卡将模拟信号变成数字信号后输入计算机,通过计算机相应软件处理得出冲击力各主要参数，最后,由终端显示、记录、打印等。其中力敏元件4装入传感器时的过盈量一般取为0.1～0.2mm，预紧力为2000～5000N，用以消除力敏元件安装间隙。装配时为保证最佳测试效果，对力敏元件4的位置要进行精确调试。

本发明结构简单，刚性好，对称性好，工艺性好，稳定性好，制造容易，且横向干扰小，具有动态性能好、刚度好、灵敏度高、成本低，易于产品化等特点，其测试方法操作简单、使用方便、安全可靠。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种压电薄膜力传感器，其特征在于，包括上盖（1）、下盖（2）、密封圈（3）、力敏元件（4）、导线（5）、密封圈槽（6）、导线孔（7）、预紧螺钉（22）组成，上盖下表面（h）上开有圆环形上盖凹槽（20），下盖上表面（g）上有圆环形凸台（13），凸台上表面（b）上放置一组圆环形力敏元件（4），上盖（1）与下盖（2）通过上盖凹槽（20）和凸台（13）配合，力敏元件（4）的上表面与上盖凹槽下表面（a）接触，力敏元件（4）下表面与凸台上表面（b）接触，上盖下表面（h）与下盖上表面（g）不接触，在定位凸台上表面(d)上开有一个密封圈槽（6），其内放置有密封圈（3），密封圈（3）与定位凸台上表面(d)和定位凹槽下表面（c）接触，在下盖侧表面（m）开有配合使用的导线孔（7），通过安装孔（15）、（18）将上盖（1）、力敏元件（4）、下盖（2）、密封圈（3），用一组预紧螺钉（22）安装在一起。

2.根据权利要求1所述压电薄膜力传感器，其特征是：所述安装孔（15）（18）分别为同圆均布的螺纹孔，所述上盖（1）上还设置有上盖定位孔（8），所述下盖（2）上设置有下盖定位孔（10）和安装固定阶梯孔（9）。

3.根据权利要求1所述压电薄膜力传感器，其特征是：所述力敏元件（4）由保护膜（24）（24′）、压电薄膜（23）、电极（16）（16′）和力敏元件引线（17）组成，压电薄膜（23）表面贴有电极（16）（16′），通过力敏元件引线（17）经所述导线（5）经导线孔（7）引出体外。

4.根据权利要求1所述压电薄膜力传感器，其特征是：所述上盖（1）和下盖（2）上分别设置有配合使用的下盖导线槽（11）和上盖导线槽（12）。

5.根据权利要求3所述压电薄膜力传感器，其特征是：所述的电极（16）（16′）采用金属箔。

6.根据权利要求1－5之一所述压电薄膜力传感器，其特征是：所述预紧螺钉（22）为4个。

7.根据权利要求1－5之一所述压电薄膜力传感器，其特征是：所述下盖（2）下表面上还设置有预紧螺钉阶梯孔（19）。

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