CN103712738A - 一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置属于传感器及测控研究领域，应用于单晶片、单石英晶组或多石英晶组在X、Y、Z三个方向上的灵敏度标定。标定装置由基础支架、操作平台、立杆和横杆、加载头、拉压应变式传感器以及若干个内六角螺钉和六角螺母组成。该装置在X、Y、Z三个方向上分别采用带有拉压应变片传感器的加载头，实现三个方向力的加载，每个加载头内部结构都一样，每个加载头上的拉压应变片传感器与电压显示器连接。该标定装置结构简单，尺寸小巧，稳定性好，操作简单、使用方便，成本较低，可实现对压电传感器中的石英晶片或晶组灵敏度的可靠标定。

Description

一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置

技术领域

本发明属于压电石英传感器及测控研究领域，是一种可以快速实现石英晶片灵敏度静态标定的标定装置，应用于单片X0或Y0切型石英晶片或者单向、双向和三向压电石英传感器中X0或Y0石英晶组三个方向上的灵敏度标定。

背景技术

压电石英传感器的设计制作过程主要有晶片的选取、晶轴方向的判别、组合晶组的结构设计、晶体盒的结构设计、晶组与晶体盒的组装及性能测试、电子束焊接以及总体性能测试等。传感器在封合、焊接后，投入使用前必须进行一次性能标定，其目的是检查传感器是否达到所要求的技术性能指标，及时发现问题以便在以后传感器设计和制作时为提高其质量提供方向。

标定装置的设计与选择应与压电式力传感器的作用原理及结构特点为依据。常见的标定装置有测力砝码标定台以及拉压式环形测力计标定台。

A）测力砝码标定台：适用于小力值传感器的标定，由于不采用力的转换机构避免了杠杆的制造以及摩擦损失带来的标定误差，因而标定精度高，但这种标定装置对加载机构的对称性和平衡性要求较高，对标定时加载的平稳性要求也较高，操作要求高。

B)拉压式环形测力计标定台：主要由螺杆式压力机、带杆放大及百分表头的标准测力计组成，依靠测力环的形变量与作用力呈线性这一基本规律来确定加载的大小，操作简便，应用范围广，但由于标定过程存在力的放大及转换过程而产生一定误差，因而标定精度相对前者要低。

一个压电石英传感器质量的好坏与设计制作过程中每个步骤都密切相关，尤其是石英晶片的质量以及组合晶组的结构构成，然而在设计制作过程中，由于各种原因，误差不可避免的存在。为了尽可能的降低误差，一些情况下需要对未封装前的石英晶组灵敏度进行检测标定。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服了传感器标定领域只对成型传感器进行标定而无法实现单石英晶片或石英晶组进行标定的缺陷，而发明一种能实现对石英晶片或晶组灵敏度进行标定的装置。一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置在X、Y、Z三个方向上分别采用带有拉压应变片传感器的加载头，实现三个方向的力的加载。三个加载头由内六角螺钉固定在带有多排螺孔的横杆上，可实现加载头X、Y、Z方向位置的快捷调节。该标定装置结构简单，稳定性好，操作简单、使用方便，成本较低，可实现石英晶片以及石英晶组灵敏度的标定。

本发明所采用的技术方案是：一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置由标定装置由基础支架、操作平台、立杆和横杆、加载头、拉压应变式传感器以及若干个内六角螺钉和六角螺母组成；该装置在X、Y、Z三个方向上分别采用带有拉压应变片传感器的加载头，实现三个方向力的加载，每个加载头内部结构都一样，每个加载头上的拉压应变片传感器与电压显示器连接；即拉压应变式传感器12连接在加载头10的一端来检测X方向所施加载荷的大小，拉压应变式传感器13连接在加载头9的一端来检测Y方向所施加载荷的大小，拉压应变式传感器14连接在加载头8的一端来检测Z方向所施加载荷的大小；

操作平台6水平置于基础支架7上，并且使用12个内六角螺钉16与基础支架7固定在一起，操作平台6上加工了螺纹孔阵列；标定装置共有三对立杆和一对横杆，分别为一对右侧Z向立杆3、一对左侧Z向立杆4、一对后方Z向立杆5和一对上端Y向横杆1，三对立杆和和一对横杆上都打有多对螺纹孔；一对右侧Z向立杆3和一对左侧Z向立杆4使用8个六角螺母2将一对上端Y向横杆1和基础支架7连接固定在一起，一对后方Z向立杆5使用两个六角螺母2与基础支架7连接固定在一起。

X向加载头10通过两枚内六角螺钉17固定在一对立杆5上；X向加载头10具体装配方式为：加载头外套19一端的左右两侧分别开有条形孔a和条形孔b，并由一对内六角螺钉17直接与一对立杆5连接固定，另一端通过内六角螺钉25与端盖22连接封装，加载轴20安装在加载头外套19内，轴上端开有键槽，限位内六角螺钉18穿过加载头外套19伸入键槽，限制加载轴20的位移方向；加载轴20一端通过螺纹副与拉压应变式传感器12连接，另一端与加载螺杆24通过螺纹副连接，手柄15安装在加载螺杆24的另一端，止推轴承21安装在加载螺杆24的轴肩位置处，由端盖22压紧，弹簧卡圈23卡住加载螺杆，防止其窜动。Y向加载头9通过内六角螺钉17固定在一对立杆4上；Z向加载头8通过内六角螺钉11固定在一对横杆1上。

本发明的显著效果是：设计发明的一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置，在X、Y、Z三个方向上分别设置了一个带有拉压应变式传感器的加载头，加载头直接作用在石英晶片或晶组上，能够避免诸多干扰因素精确地测量出石英晶片或晶组在X、Y、Z方向上的灵敏度，通过与理论值进行比较可知此晶片质量优劣，为传感器的设计和制作检测和筛选更合适的石英晶片或晶组，可以尽可能的提高传感器的质量精度。该标定装置也可用于其它压电材料性能的标定检测，如压电陶瓷等，提供借鉴和参考。该标定装置结构简单，拆装方便，工艺性好，操作简便，能实现三个方向的灵敏度标定。

附图说明

图1为一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置的主视图，图2为一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置的俯视图，图3为一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置中X向加载头的剖视图，图4为图3的A向视图。

图中：1-一对上端Y向横杆，2-六角螺母，3-一对左侧Z向立杆，4-一对右侧Z向立杆，5-一对后方Z向立杆，6-操作平台，7-基础支架，8-Z向加载头，9-Y向加载头，10-X向加载头，11-紧固Z向加载头用内六角螺钉，12-X向传感器，13-Y向传感器，14-Z向传感器，15-手柄，16-紧固操作平台用内六角螺钉，17-紧固X向加载头用内六角螺钉，18-限位内六角螺钉，19-加载头外套，20-加载轴，21-止推轴承，22-端盖，23-弹簧卡圈，24-加载螺杆，25-紧固端盖用内六角螺钉，a-加载头外套端面左侧条形孔，b-加载头外套端面右侧条形孔。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施。按附图1，附图2中所示的参考坐标系，以X0切型方形α-右旋石英晶片为例。由压电原理，可得石英晶片或晶组电荷灵敏度S_Q计算公式如式(1)所示。

$S_Q=\frac{Q}{F}=\mathrm{nd}(C/N)---\left(1\right)$

式中，F-晶片承受的外载荷，单位为N；Q-晶组在F力作用下产生的电荷总量，单位为C；n为组成该晶组的石英晶片的数量；d-压电系数，单位为(C/N)。

如附图1，附图2所示，标定装置由基础支架、操作平台、立杆和横杆、加载头、拉压应变式传感器以及若干个螺钉和螺母组成。操作平台6水平置于基础支架7上，并且使用12个内六角螺钉16与基础支架7固定在一起，操作平台6上加工了螺纹孔阵列，用于安装固定石英晶片或晶组夹具；标定装置共有三对立杆和一对横杆，分别为一对右侧Z向立杆3、一对左侧Z向立杆4、一对后方Z向立杆5和一对上端Y向横杆1，三对立杆和和一对横杆上都打有多对螺纹孔用于调节各向加载头位置；一对右侧Z向立杆3和一对左侧Z向立杆4使用8个六角螺母2将一对上端Y向横杆1和基础支架7连接固定在一起，一对后方Z向立杆5使用两个六角螺母2与基础支架7连接固定在一起。

附图3为加载头内部结构图，标定装置共有三个加载头，X、Y、Z方向上各一个，每个加载头内部结构都一样。X向加载头10通过两枚内六角螺钉17固定在一对后方Z向立杆5上；X向加载头10具体装配方式为：加载头外套19一端的两侧分别开有条形孔a和条形孔b，用于加载头位置的微调，并由一对内六角螺钉17直接与一对后方Z向立杆5连接固定，另一端通过内六角螺钉25与端盖22连接封装，加载轴20安装在加载头外套19内，轴上端开有键槽，限位内六角螺钉18穿过加载头外套19伸入键槽，限制加载轴20的位移方向；加载轴20一端通过螺纹副与拉压应变式传感器12连接，另一端与加载螺杆24通过螺纹副连接，手柄15安装在加载螺杆24的另一端，止推轴承21安装在加载螺杆24的轴肩位置处，由端盖22压紧，弹簧卡圈23卡住加载螺杆，防止其窜动。Y向加载头9通过内六角螺钉固定在一对左侧Z向立杆4上；Z向加载头8通过内六角螺钉11固定在一对上端Y向横杆1上。

拉压应变式传感器12连接在加载头10的一端来检测X方向所施加载荷的大小，传感器13连接在加载头9的一端来检测Y方向所施加载荷的大小，传感器14连接在加载头8的一端来检测Z方向所施加载荷的大小。

进行石英晶片或晶组灵敏度标定实验还需要安装其他的辅助部件，如石英晶片夹具台、分载片（确保晶面受均布载荷）、电压信号显示表以及电荷放大器。将各辅助部件安装完后，接下来进行本发明实施操作：定位好石英晶片，转动X向加载头10上的手柄15，给晶片施加一个X向应力，读取电压信号显示表数据可以获取所施加载荷大小，同时读取电荷放大器数据可以获取石英晶片X面的感生电荷量，由公式（1）可求得石英晶片X向灵敏度大小；同理，可测得石英晶片在Y、Z方向上的灵敏度。适当改变电极布置以及接线方式，该发明还能对X0、Y0切型的石英晶组的灵敏度进行标定分析，原理及操作方法同石英晶片。

本发明一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置通过在X、Y、Z方向上布置三个加载头可实现石英晶片或晶组三个方向上灵敏度的标定，该标定装置尺寸小，操作简单，装卸方便，不同于以往对传感器整体部件进行标定的大尺寸标定装置，适用于石英晶片或晶组以及其他压电材料灵敏度的标定。

Claims (1)

1.一种石英晶片或晶组灵敏度标定装置，其特征在于，标定装置由基础支架、操作平台、立杆和横杆、加载头、拉压应变式传感器以及若干个内六角螺钉和六角螺母组成；该装置在X、Y、Z三个方向上分别采用带有拉压应变片传感器的加载头，实现三个方向力的加载，每个加载头内部结构都一样，每个加载头上的拉压应变片传感器与电压显示器连接；即拉压应变式传感器（12）连接在加载头（10）的一端来检测X方向所施加载荷的大小，拉压应变式传感器（13）连接在加载头（9）的一端来检测Y方向所施加载荷的大小，拉压应变式传感器（14）连接在加载头（8）的一端来检测Z方向所施加载荷的大小；

操作平台（6）水平置于基础支架（7）上，并且使用多个内六角螺钉（16）与基础支架（7）固定在一起，操作平台（6）上加工了螺纹孔阵列；标定装置共有三对立杆和一对横杆，分别为一对右侧Z向立杆（3）、一对左侧Z向立杆（4）、一对后方Z向立杆（5）和一对上端Y向横杆（1），立杆和横杆上都打有多对螺纹孔；一对右侧Z向立杆（3）和一对左侧Z向立杆（4）使用8个六角螺母（2）将一对上端Y向横杆（1）和基础支架（7）连接固定在一起，一对后方Z向立杆（5）使用两个六角螺母（2）与基础支架（7）连接固定在一起；

X向加载头（10）通过两枚内六角螺钉（17）固定在一对立杆（5）上；X向加载头（10）具体装配方式为：加载头外套（19）一端的左右两侧分别开有条形孔（a）和条形孔（b），并由一对内六角螺钉（17）直接与一对立杆（5）连接固定，另一端通过内六角螺钉（25）与端盖（22）连接封装，加载轴（20）安装在加载头外套（19）内，轴上端开有键槽，限位内六角螺钉（18）穿过加载头外套（19）伸入键槽，限制加载轴（20）的位移方向；加载轴（20）一端通过螺纹副与拉压应变式传感器（12）连接，另一端与加载螺杆（24）通过螺纹副连接，手柄（15）安装在加载螺杆（24）的另一端，止推轴承（21）安装在加载螺杆（24）的轴肩位置处，由端盖（22）压紧，弹簧卡圈（23）卡住加载螺杆；Y向加载头（9）通过内六角螺钉（17）固定在一对立杆（4）上；Z向加载头（8）通过内六角螺钉（11）固定在一对横杆（1）上。

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