CN103196594A - 一种轮辐式并联压电六维力传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮辐式并联压电六维力传感器及测量方法，包括上盖和下盖，其特征是：所述上盖的上盖下表面上开有圆环形凹槽一，所述上盖下表面上开有对称的导线孔，所述上盖上同圆均布有八组轮辐一，所述每个轮辐一下表面上开有方形凹槽二，所述下盖上同圆均布有八组轮辐二，所述每个轮辐二上表面上开有与所述凹槽二对称的凹槽三，所述每个凹槽三上表面都放置有力敏元件，所述力敏元件的上表面与凹槽二表面接触，所述每个导线孔中都安装有空心螺钉，所述上盖和下盖分别对称设置有4个同圆均布的螺钉孔一，4个预紧螺钉穿过螺钉孔一将所述上盖、力敏元件、下盖安装在一起。本发明工艺性好、稳定性好、制造容易，寿命长，操作简单、使用方便、成本低。

Description

一种轮辐式并联压电六维力传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及本发明属于传感器及其测控领域，特别涉及一种轮辐式并联压电六维力传感器及测量方法。 

背景技术

目前，压电式六维力传感器是一种利用智能压电材料作为力敏元件的动态测力形式。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。压电传感器的主要特点是其有很高的固有频率，特别适合动态测量，压电式测量是唯一满足高固有频率要求的测量技术。压电式六维力传感器一般需要多组石英晶组分别检测六维广义力，石英晶组的合理布置是传感器设计的关键，而如何克服传感器各向载荷间的相互干扰是提高压电传感器测量精度的有效途径。 

中国专利CN1263259公开的整体预紧平台式六维力传感器，其结构是在传统斯图尔特平台结构的上、下平台之间，增设一个中间预紧支路，利用该预紧支路拉紧上、下平台，对传感器进行整体预紧，同时预紧各球副，消除间隙，提高传感器的整体刚度，然而整个结构通过中间预紧支路预紧封闭，所需预紧力较大，且预紧支路结构较为复杂，很难保证其只承受沿轴线方向的作用力，使得测量精度受到影响。 

专利CN101013054“差动式压电六维力传感器”和CN101750173A“一种压电式六维力传感器”中，在传力机构上安装八个或两个多维压电式力传感器，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。 

专利CN101149300中公开了一种压电式六维大力传感器，该结构传感器可以实现大量程六维力动态测量，它采用斯图尔特结构，存在解耦困难的问题，体积大，且对安装要求精度很高。专利CN101149299中公开了一种三维力整体组 装式六维测力传感器，该结构传感器结构简单、调整安装方便，能测量空间六维大力，但是结构复杂，解耦困难。 

专利CN101149301“大力值压电石英多分量力传感器”、CN202153166U“一种并联式压电六维大力传感器”和CN101793574A“可调分载比压电式六维力传感器及其测试方法”中，均是采用4组压电石英晶片作为力敏元件，可以实现大量程载荷动态测量，但是力和力矩之间存在耦合，力敏元件既用来测力，也用来测力矩，虽然可以经过计算软件进行解耦计算，但是不能够实现对空间力进行直接解耦，尤其在测量大量程载荷时，体积和重量较大，加工成本也较高。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轮辐式并联压电六维力传感器，技术性能好，工作可靠，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、大测量量程的轮辐式并联压电六维力传感器。 

本发明采用如下技术手段实现发明目的： 

一种轮辐式并联压电六维力传感器，包括上盖（1）和下盖（3），其特征是：所述上盖（1）的上盖下表面（a）上开有圆环形凹槽一（c），所述上盖下表面（a）上开有对称的导线孔（14），所述上盖上同圆均布有八组轮辐一（12），所述每个轮辐一（12）下表面上开有方形凹槽二（d），所述下盖（3）上同圆均布有八组轮辐二（13），所述每个轮辐二（13）上表面上开有与所述凹槽二（d）对称的凹槽三（d’），所述每个凹槽三（d’）上表面都放置有力敏元件（2），所述力敏元件（2）的上表面与凹槽二（d）表面接触，所述每个导线孔（14）中都安装有空心螺钉（4），所述上盖（1）和下盖（3）分别对称设置有4个同圆均布的螺钉孔一（8），4个预紧螺钉（6）穿过螺钉孔一（8）将所述上盖（1）、力敏元件（2）、下盖（3）安装在一起。 

作为对本技术方案的进一步限定，所述凹槽二（d）表面（e）上开有8个同圆均布螺钉孔二（10），所述凹槽三（d′）上表面（e′）上开有8个同圆均布通孔（17），用8个预紧螺钉（7）通过孔（17）将力敏元件（2）施加预紧力。 

作为对本技术方案的进一步限定，所述上盖（1）的上表面（b）上开有4个螺纹孔一（9），用于安装固定被测件，所述下盖（3）的下表面（b′）上开有螺纹孔二（11），用于安装固定传感器，所述上盖（1）的内壁（g）和下盖（3）的内壁（g′）起到分载和保护作用，通过调节内壁（g）、（g′）的厚度可实现不同的分载比。 

作为对本技术方案的进一步限定，所述力敏元件包括s₀、s₁、s₂、s₃、s₄、s₅、s₆、s₇8组力敏元件，其中s₀、s₂、s₄、s₆共4组力敏元件呈菱形布局位于坐标系一XOY，用于测量空间三维力F_x、F_y、F_z，其中每组力敏元件由两片承受拉压效应的X0°切型晶片一（21）、四片承受剪切效应的Y0°切型晶片一（22）、垫片一（18）、电极片一（19）、电极片二（20）组成，其中电极片一（19）用于接地，电极片二（20）用于输出相应电压信号，s₁、s₃、s₅、s₇共4组力敏元件呈菱形布局位于坐标系二X′OY′，用于测量空间三维力矩M_x、M_y、M_z，其中每组力敏元件由四片承受拉压效应的X0°切型晶片二（21′）、两片承受剪切效应的Y0°切型晶片二（22′）、垫片二（18′）和电极片三（19′）和电极片四（20′）组成，其中电极片三（19′）用于接地，电极片四（20′）用于输出相应电压信号组成，坐标系一XOY与坐标系二X′OY′共面且呈45°夹角。 

一种轮辐式并联压电六维力传感器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤： 

（1）当传感器上盖受力时，通过传感器上盖的弹性环节（内壁g和轮辐12）作用在8个力敏元件上； 

（2）菱形布局的四组力敏元件s₀、s₂、s₄、s₆经一组拉压效应、两组剪切效应将作用力自动分解并产生相对应的电荷量，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压[V_x0,V_x2,V_x4,V_x6]，[V_y0,V_y2,V_y4,V_y6]，[V_z0,V_z2,V_z4,V_z6]输出； 

（3）菱形布局的四组力敏元件s₁、s₃、s₅、s₇经两组拉压效应、一组剪切效应将作用力自动分解并产生相对应的电荷量，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压[V_x1,V_x3,V_x5,V_x7]，[V_z1,V_x3,V_z5,V_z7]，[V_z1′,V_z3′,V_z5′,V_z7′]输出； 

（4）输出信号通过信号调理及A/D数据采集卡将模拟信号变成数字信号输入计 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： 

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=v_{x_0}+V_{x_2}+v_{x_4}+v_{x_6}\\ F_y=V_{y_0}+V_{y_2}+V_{y_4}+V_{y_6}\\ F_z=V_{z_0}+V_{z_2}+V_{z_4}+V_{z_6}\\ M_x=d(-V_{z_1}+V_{z_3}+V_{z_5}-V_{z_7})\\ M_y=d({V_{z_1}}^{\′}+{V_{z_3}}^{\′}-{V_{z_5}}^{\′}-{V_{z_7}}^{\′})\\ M_z=\sqrt{2}d(V_{x_1}+V_{x_3}+V_{x_5}+V_{x_7})\end{array}\right.$

公式中，d表示坐标系一XOY中力敏元件s₀、s₂、s₄或者s₆距离X轴或者Y轴的距离。 

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的八点支撑式并联压电六维力传感器具有较高的静态和动态性能，传感器不需对力敏元件的输出信号进行复杂的解耦运算就可以得到输出结果。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。本传感器可用于串联方式的面上空间六维力的测量，也可用于并联方式的轴上空间六维力的测量，用途广泛。通过改变传感器上盖和下盖内璧的厚度，实现不同的分载比，达到测量不同量程范围力的效果。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、易于解耦，易于产品化、横向干扰小。可用于面上和轴上两种方式受变量程的六维静态力、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为轮辐式并联压电六维力传感器结构示意图。 

图2为上盖的仰视图。 

图3为上盖的俯视图。 

图4为下盖的俯视图。 

图5为下盖的仰视图。 

图6为本发明中传感器的工作三维直角坐标系和各石英晶组的局部坐标系图。 

图7为s₀、s₂、s₄、s₆力敏元件结构示意图。 

图8为s₁、s₃、s₅、s₇力敏元件结构示意图。 

图9为轮辐式并联压电六维力传感器装配示意图。 

图中：1-上盖，2-力敏元件，3-下盖，4、4′-空心螺钉，5、5′-导线，6-螺钉，7-预紧螺钉，8-上盖螺纹孔，9-上盖螺纹孔，10-上盖螺纹孔，11-下盖螺纹孔，12-上盖轮辐，13-下盖轮辐，14-上盖导线孔，16-下盖通孔，17-下盖通孔，18-垫片一，19-电极片一，20-电极片二，21-X0°切型晶片一，22-Y0°切型晶片一，18′-垫片一，19′-电极片一，20′-电极片二，21′-X0°切型晶片二，22′-Y0°切型晶片二，a-上盖轮辐下表面，a′-下盖轮辐上表面，b-上盖上表面，b′-下盖下表面，c-上盖圆环形凹槽，c′-下盖圆环形凹槽，d-上盖方形凹槽，d′-下盖方形凹槽，e-上盖凹槽表面，e′-下盖凹槽表面，f-力敏元件上表面，g-上盖内壁，g′-下盖内壁，s₀、s₁、s₂、s₃、s₄、s₅、s₆、s₇-8组力敏元件。 

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9，本发明包括上盖1和下盖3，所述上盖1所述上盖1的上盖下表面a上开有圆环形凹槽一c，所述上盖下表面a上开有对称的导线孔14，所述上盖上同圆均布有八组轮辐一12，所述每个轮辐一12下表面上开有方形凹槽二d，所述下盖3上同圆均布有八组轮辐二13，所述每个轮辐二13上表面上开有与所述凹槽二d对称的凹槽三d’，所述每个凹槽三d’上表面都放置有力敏元件2，所述力敏元件2的上表面与凹槽二d表面接触，所述每个导线孔14中都安装 有空心螺钉4，所述上盖1和下盖3分别对称设置有4个同圆均布的螺钉孔一（8），4个预紧螺钉6穿过螺钉孔一8将所述上盖1、力敏元件2、下盖3安装在一起。 

所述凹槽二d表面e上开有8个同圆均布螺钉孔二10，所述凹槽三d′上表面e′上开有8个同圆均布通孔17，用8个预紧螺钉7通过孔17将力敏元件（2）施加预紧力。 

所述上盖1的上表面b上开有4个螺纹孔一9，用于安装固定被测件，所述下盖3的下表面b′上开有螺纹孔二11，用于安装固定传感器，所述上盖1的内壁g和下盖3的内壁g′起到分载和保护作用，通过调节内壁g、g′的厚度可实现不同的分载比。 

所述力敏元件包括s₀、s₁、s₂、s₃、s₄、s₅、s₆、s₇8组力敏元件，其中s₀、s₂、s₄、s₆共4组力敏元件呈菱形布局位于坐标系一XOY，用于测量空间三维力F_x、F_y、F_z，其中每组力敏元件由两片承受拉压效应的X0°切型晶片一21、四片承受剪切效应的Y0°切型晶片一22、垫片一18、电极片一19、电极片二20组成，其中电极片一19用于接地，电极片二20用于输出相应的电压信号，s₁、s₃、s₅、s₇共4组力敏元件呈菱形布局位于坐标系二X′OY′，用于测量空间三维力矩M_x、M_y、M_z，其中每组力敏元件由四片承受拉压效应的X0°切型晶片二21′、两片承受剪切效应的Y0°切型晶片二22′、垫片二18′和电极片三19′和电极片四20′组成，其中电极片三19′用于接地，电极片四20′用于输出相应的电压信号组成，坐标系一XOY与坐标系二X′OY′共面且呈45°夹角。 

上盖1、下盖3的材料均为304不锈钢。安装时，先将8组力敏元件2按照灵敏度方向均匀布置在下盖3的8个凹槽d上，保证力敏元件2的下表面与凹槽d的上表面e′配合，传感器的坐标系为坐标系一，4组力敏元件s₀、s₂、s₄、s6的敏感方向必须与传感器的坐标系保持一致，4组力敏元件s₁、s₃、s₅、s₇的敏感方向必须与传感器的坐标系成45°夹角，4组力敏元件s₀、s₂、s₄、s₆的导线通过孔14、14′导出，4组力敏元件s₁、s₃、s₅、s₇的导线通过孔15、15′导出。然后安装上盖1，通过4个预紧螺钉6将上盖1、空心螺钉4、空心螺钉4′、下 盖3通过孔16连接在一起，用8个预紧螺钉7通过孔17将力敏元件（2）施加并调节预紧力，预紧力范围为1000N～30000N，保证力敏元件2的上表面f与凹槽d表面e接触，上盖1的下表面a与下盖3的上表面a′接触，通过改变上盖内壁g、下盖内壁g′的壁厚，可以实现并联结构不同的分载比，将传感器进行并联联结使用后，可明显提高传感器的测力量程范围，测力量程范围为轴向力为100N～1000000N,横向力为100N～100000N。上盖1的上表面b上开有4个螺纹孔9，用于安装固定被测件，下盖3的下表面b′上开有螺纹孔11，用于安装固定传感器。 

当传感器上盖受力时，通过传感器上盖的弹性环节（内壁g和轮辐12）作用在8个力敏元件2上，菱形布局的四组晶组s₀、s₂、s₄、s₆经一组拉压效应、两组剪切效应将作用力自动分解并产生相对应的电荷量，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压[V_x0,V_x2,V_x4,V_x6]，[V_y0,V_y2,V_y4,V_y6]，[V_z0,V_z2,V_z4,V_z6]输出，菱形布局的四组晶组s₁、s₃、s₅、s₇经两组拉压效应、一组剪切效应将作用力自动分解并产生相对应的电荷量，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压[V_x1,V_x3,V_x5,V_x7]，[V_z1,V_x3,V_z5,V_z7]，[V_z1′,V_z3′,V_z5′,V_z7′]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输入计算机，通过计算机相应软件处理得出空间矢量力各主要参数，并显示、记录、打印等。装配时为保证各向间横向干扰最小原则，需对8组力敏元件2的安装位置进行精确调试，使8组力敏元件2均匀分布于半径为

的圆上。所以，当外力作用在施力平台中心时，本六维力传感器的输出为: 

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=v_{x_0}+V_{x_2}+v_{x_4}+v_{x_6}\\ F_y=V_{y_0}+V_{y_2}+V_{y_4}+V_{y_6}\\ F_z=V_{z_0}+V_{z_2}+V_{z_4}+V_{z_6}\\ M_x=d(-V_{z_1}+V_{z_3}+V_{z_5}-V_{z_7})\\ M_y=d({V_{z_1}}^{\′}+{V_{z_3}}^{\′}-{V_{z_5}}^{\′}-{V_{z_7}}^{\′})\\ M_z=\sqrt{2}d(V_{x_1}+V_{x_3}+V_{x_5}+V_{x_7})\end{array}\right.$

公式中，d表示坐标系一XOY中力敏元件s₀、s₂、s₄或者s₆距离X轴或者Y轴的距离，根据以上分析可以看出，本传感器不需对力敏元件的输出信号进行复杂的解耦运算就可以得到输出结果。本发明通过8组力敏元件进行完全解耦，来测量面上和轴上两种方式受变量程的六维静态力、动态力、瞬态力，也可以作为在线监测装置或自适应控制系统反馈元件，刚度好、灵敏度高、成本低，易于产品化，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 (5)

1.一种轮辐式并联压电六维力传感器，包括上盖（1）和下盖（3），其特征是：所述上盖（1）的上盖下表面（a）上开有圆环形上盖凹槽（c），所述下盖（3）的下盖上表面（a’）上开有与所述上盖凹槽（c）对称的下盖凹槽（c’），所述上盖下表面（a）上开有对称的导线孔（14），所述下盖上表面（a’）上开有对称的导线孔（15），所述上盖上同圆均布有八组轮辐一（12），所述每个轮辐一（12）下表面上开有方形凹槽二（d），所述下盖（3）上同圆均布有八组轮辐二（13），所述每个轮辐二（13）上表面上开有与所述凹槽二（d）对称的凹槽三（d’），所述每个凹槽三（d’）上表面都放置有力敏元件（2），所述力敏元件（2）的上表面与凹槽二（d）表面接触，所述每个导线孔（14）中都安装有空心螺钉（4），所述上盖（1）和下盖（3）分别对称设置有4个同圆均布的螺钉孔一（8），4个预紧螺钉一（6）穿过螺钉孔一（8）将所述上盖（1）、力敏元件（2）、下盖（3）安装在一起。

2.根据权利要求1所述的轮辐式并联压电六维力传感器，其特征是：所述凹槽二（d）的凹槽二表面（e）上开有8个同圆均布螺钉孔二（10），所述凹槽三（d′）的凹槽三上表面（e′）上开有8个同圆均布通孔（17），用8个预紧螺钉二（7）通过通孔（17）将力敏元件（2）施加预紧力。

3.根据权利要求1所述的轮辐式并联压电六维力传感器，其特征是：所述上盖（1）的上表面（b）上开有4个螺纹孔一（9），用于安装固定被测件，所述下盖（3）的下表面（b′）上开有螺纹孔二（11），用于安装固定传感器，所述上盖（1）的内壁（g）和下盖（3）的内壁（g′）起到分载和保护作用，通过调节内壁（g）、（g′）的厚度可实现不同的分载比。

4.根据权利要求1所述的轮辐式并联压电六维力传感器，其特征是：所述力敏元件（2）包括s₀、s₁、s₂、s₃、s₄、s₅、s₆、s₇8组力敏元件，其中s₀、s₂、s₄、s₆共4组力敏元件呈菱形布局位于坐标系一XOY，用于测量空间三维力F_x、F_y、F_z，其中每组力敏元件由两片承受拉压效应的X0°切型晶片一（21）、四片承受剪切效应的Y0°切型晶片一（22）、垫片一（18）、电极片一（19）、电极片二（20）组成，其中电极片一（19）用于接地，电极片二（20）用于输出相应的电压信号，s₁、s₃、s₅、s₇共4组力敏元件呈菱形布局位于坐标系二X′OY′，用于测量空间三维力矩M_x、M_y、M_z，其中每组力敏元件由四片承受拉压效应的X0°切型晶片二（21′）、两片承受剪切效应的Y0°切型晶片二（22′）、垫片二（18′）和电极片三（19′）和电极片四（20′）组成，其中电极片三（19′）用于接地，电极片四（20′）用于输出相应的电压信号，坐标系一XOY与坐标系二X′OY′共面且呈45°夹角。

5.一种轮辐式并联压电六维力传感器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）当传感器上盖受力时，通过传感器上盖的弹性环节（内壁g和轮辐12）作用在8个力敏元件上；

（2）菱形布局的四组力敏元件s₀、s₂、s₄、s₆经一组拉压效应、两组剪切效应将作用力自动分解并产生相对应的电荷量，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压[V_x0,V_x2,V_x4,V_x6]，[V_y0,V_y2,V_y4,V_y6]，[V_z0,V_z2,V_z4,V_z6]输出；

（3）菱形布局的四组力敏元件s₁、s₃、s₅、s₇经两组拉压效应、一组剪切效应将作用力自动分解并产生相对应的电荷量，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后,分别以电压[V_x1,V_x3,V_x5,V_x7]，[V_z1,V_x3,V_z5,V_z7]，[V_z1′,V_z3′,V_z5′,V_z7′]输出；

（4）输出信号通过信号调理及A/D数据采集卡将模拟信号变成数字信号输入计算机，通过如下公式得到空间矢量力各主要参数，具体公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=v_{x_0}+V_{x_2}+v_{x_4}+v_{x_6}\\ F_y=V_{y_0}+V_{y_2}+V_{y_4}+V_{y_6}\\ F_z=V_{z_0}+V_{z_2}+V_{z_4}+V_{z_6}\\ M_x=d(-V_{z_1}+V_{z_3}+V_{z_5}-V_{z_7})\\ M_y=d({V_{z_1}}^{\′}+{V_{z_3}}^{\′}-{V_{z_5}}^{\′}-{V_{z_7}}^{\′})\\ M_z=\sqrt{2}d(V_{x_1}+V_{x_3}+V_{x_5}+V_{x_7})\end{array}\right.$

公式中，d表示坐标系一XOY中力敏元件s₀、s₂、s₄或者s₆距离X轴或者Y轴的距离。

Images