CN104977104B - 一种压电式小量程大量程比的测力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式小量程大量程比的测力装置。该测试装置包括压电晶组、紧固螺栓、压板、密封圈、引线接头组成。利用压电晶组作为为力敏元件，具有高灵敏度、高刚度、高固有频率的特点，满足高精度测试的要求。1个X0压电晶组布置在主方向，另外4个晶组Y0布置在两个侧向，分别测试主、侧向的矢量力。利用紧固螺栓分别预紧主、侧向压电晶片，可调整预紧力大小和侧向力量程，解决了主方向力和侧向力的大量程比的测试难题。双向推挽结构的设计避免了外界温度变化对测试精度的影响。测试装置结构简单、便于封装、调整方便，实现了三维动态力的高精度测试。

Description

一种压电式小量程大量程比的测力装置

技术领域

本发明属于传感器及其测控领域，涉及压电式传感器在三维力测试应用。以压电石英为力敏元件，利用螺栓进行预紧力和量程的调整，有效实现了主、侧力矢量的大量程比的要求，可应用于小量程大量程比三维力动态测量的场合。

背景技术

推力是火箭发动机性能指标的重要参数，直接反映了发动机的工作性能，因此实现精确动态力测量有重要价值。由于推力测试中主推力和侧向推力有着数量级的差异，侧向小量程受主向大量程的干扰严重，制约了推力测试精度的提高。尤其在小推力动态测试中，侧向小量程的干扰更为严重，因此主、侧向大量程比的问题为推力测试提出了更高的挑战。研制具有小量程大量程比的测试装置具有重要意义。

传统的夹紧力测试领域中，主要分为两种:基于应变的力测量装置和基于压电的力测量装置。

基于应变的力测量装置：应变式传感器是利用材料在变形中所发生的电阻等物性变化为基础制成的，具有质量轻、价格低、易安装等优势，因此基于应变片的传感器得到了广泛的应用。但由于它工作时必须具有一定的形变，导致测试系统刚度较低，固有频率低，不适用于动态力测试的需求。

基于压电的力测量装置：压电传感器因其刚度高、线性度好、固有频率高、绝缘阻抗高等优点，在工程测力上得到普遍的重视，特别在动态力的测试具有优势。基于传感器不同空间布置形式，压电测力装置可进行三维力矢量的测试。目前已应用于火箭的推力测试等领域。但传统的压电式力测量装置无法完成侧向量程的调整，无法对量程比进行调整。另外，传统压电式力测量装置单推挽的设计仅对单方向实现温度补偿，无法实现多方向的温度补偿。

以上两种装置无法实现变量程比的调整，容易受测试温度的影响，降低了测试精度，限制了在大量程比力高精度测量的应用。因此研制以压电晶组为核心的大量程比测量结构是力高精度测量的关键。

发明内容

本发明要解决的技术难题是改变传统多维压电式测试装置主、侧向矢量力量程无法调整量程的难题，发明一种具备量程可调功能的一种小量程大量程比的测试装置。

本发明所采用的技术方案是：一种压电式小量程大量程比的测力装置，包括压电晶组、主压板、侧压板、紧固螺栓、密封圈、引线接头和电极线；压电晶组共5组，1组X0切型压电晶组，测量主向力；4组Y0切型晶组，两两一组分别测量两个侧向力；主压板包括上压板和下压板；紧固螺栓包括1个主紧固螺栓和4个侧紧固螺栓；密封圈包括1个主密封圈和4个侧密封圈；上压板下表面中心处有上定位槽和主密封圈定位孔，侧面有侧定位槽、侧螺纹孔；下压板中心处有下定位槽和主螺栓孔；侧压板中心处有定位槽和侧密封圈定位孔；X0切型压电晶组布置于上压板的上定位槽中，上压板置于下压板上，X0切型压电晶组对准下压板的下定位槽；主紧固螺栓沿上压板的轴向旋入下定位槽的主螺栓孔中，并把主密封圈布置于下压板的主密封圈定位孔中，完成了主向力测量装置的安装；调整4个Y0切型压电晶组的灵敏度轴线的方向，与侧向力方向相一致，并分别布置于4个侧压板的侧定位槽中；Y0切型压电晶组布置于侧压板定位槽中，侧压板置于上压板侧面，Y0切型压电晶组对准上压板的侧定位槽；侧紧固螺栓沿上压板的侧向旋入上定位的侧螺栓孔中，并把侧密封圈布置于下压板的侧密封圈定位孔中，完成了侧向力测量装置的安装；压电晶组的电极线从引线接头引出。

所述的侧预紧螺栓保证预紧力一致，避免因侧向刚度不同导致的测量误差。

本发明的显著效果是：利用矢量力作用下X0压电切型晶组在主向和Y0压电晶组在侧向产生耦合感生电荷的方法，实现了三维力的精确测量。通过改变螺栓的侧向力预紧力大小，量程可根据主、侧向大量程比的要求进行调整，过程方便灵活。双推挽的结构避免了外界温度变化对测试精度的影响。该测力结构简单、工艺性好、稳定好、便于封装、成本小，可应用于机械加工、航空航天等领域。

附图说明

图1为压电式小量程大量程比测力装置整体图。

图2为压电式小量程大量程比测力装置结构图。

图3为上压板结构图。

图4为Y0切型压电晶组布置方向示意图。

图中：1X0切型压电晶组，1’Y0切型压电晶组，2上压板，2’下压板，3侧压板，4主紧固螺栓，4’侧紧固螺栓，5主密封圈，5’侧密封圈，6引线接头，7电极线；

a上定位槽，b下定位槽；

c主螺栓孔，d主密封圈定位孔；

e侧压板定位槽，f主压板侧定位槽；

g侧螺栓孔，h侧密封圈定位孔；

i引线接头安装孔。

具体实施方式

结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。如图2、3所示，在上压板2上分别加工上定位槽a、主密封圈定位孔d、主压板侧定位槽f、引线接头安装孔i、侧螺栓孔g，保证上定位槽a接触面和侧定位槽f接触面的表面粗糙度和光整度，以便于主向X0压电切型晶组1和侧向4个Y0压电切型晶组1’的准确定位。在下压板2’分别加工下定位槽b、主螺栓孔c，保证下定位槽b接触面的表面粗糙度和光整度，以便于主向X0压电切型晶组1的准确定位。在侧压板3上分别加工侧螺栓孔g、侧压板定位槽e、侧密封圈定位孔h，保证侧压板定位槽e接触面的表面粗糙度和光整度，便于侧向4个Y0压电切型晶组1’的准确定位。将X0切型压电晶组1布置于主压板2的上定位槽a上，并将主密封圈5放入主密封圈定位孔d中。以下压板2’的下定位槽b为基准，将X0切型压电晶组1、主压板2和主密封圈5布置于下压板2’上，保证X0切型压电晶组1与上定位槽a、下定位槽b的接触面连接紧密。利用主紧固螺栓4把上压板2和下压板2’刚性连接，完成了主方向测力的X0切型压电晶组1的安装。将Y0切型压电晶组1’布置于侧压板f的侧定位孔上，并将密封圈放入侧密封圈定位孔中。在安装Y0切型压电晶组1’时，注意分别调整Y0切型晶组1’的方向，使其最大灵敏度方向与所测方向相一致，并保证与X0切型压电晶组1的最大灵敏度方向相互正交，即两组Y0切型压电晶组的最大灵敏度方向分别与Y、Z向一致，如图4所示。以主压板侧定位槽f为基准，将Y0切型压电晶组1’、侧压板3和侧密封圈5’布置于上压板2上，保证Y0切型压电晶组1’与主压板侧定位槽f、侧压板定位槽e的接触面连接紧密。利用侧紧固螺栓4’把上压板2和侧压板3刚性连接，完成了侧方向测力的Y0切型压电晶组1’的安装。将引线接头6旋入引线接头安装孔i中。压电晶组1、1’的电极线7从引线接头6引出。4个Y0切型压电晶组1’安装两两对称，实现了两个侧向的双推挽结构。

虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所给出的技术特征和范围的情况下，对技术所作的增加、以本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种压电式小量程大量程比的测力装置，其特征在于，该测力装置包括压电晶组、主压板、侧压板、紧固螺栓、密封圈、引线接头和电极线；压电晶组共5组，1组X0切型压电晶组，测量主向力；4组Y0切型晶组，两两一组分别测量两个侧向力；主压板包括上压板和下压板；紧固螺栓包括1个主紧固螺栓和4个侧紧固螺栓；密封圈包括1个主密封圈和4个侧密封圈；上压板下表面中心处有上定位槽和主密封圈定位孔，侧面有侧定位槽、侧螺纹孔；下压板中心处有下定位槽和主螺栓孔；侧压板中心处有定位槽和侧密封圈定位孔；X0切型压电晶组布置于上压板的上定位槽中，上压板置于下压板上，X0切型压电晶组对准下压板的下定位槽；主紧固螺栓沿上压板的轴向旋入下定位槽的主螺栓孔中，并把主密封圈布置于下压板的主密封圈定位孔中，完成了主向力测量装置的安装；调整4个Y0切型压电晶组的灵敏度轴线的方向，与侧向力方向相一致，并分别布置于4个侧压板的侧定位槽中；Y0切型压电晶组布置于侧压板定位槽中，侧压板置于上压板侧面，Y0切型压电晶组对准上压板的侧定位槽；侧紧固螺栓沿上压板的侧向旋入上定位的侧螺栓孔中，并把侧密封圈布置于下压板的侧密封圈定位孔中，完成了侧向力测量装置的安装；压电晶组的电极线从引线接头引出。

2.根据权利要求1所述的测力装置，其特征在于，4个侧预紧螺栓保证预紧力一致，避免因侧向刚度差异造成的测力装置内部相对滑移。