CN106197768A - 一种高精度压电式三向力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种高精度压电式三向力传感器，涉及振动测量领域；由底座、外壳、三组互相垂直的压电片、压电片保护片、立柱、负载头及数据采集处理系统组成；外壳通过螺钉与底座连接，在外壳内侧四边对称放置相同数目的压电片，压电片与外壳之间用压电保护片进行保护；在底座中间放入立柱，然后在外壳四周用螺钉压压电片保护片，将压电片压紧；最后在立柱槽中水平放置一组压电片，安上负载头并用用螺钉压紧；通过三个相互垂直的压电片组合，测量负载头中心处扰振源的三个动态力。各方向压电片组合通过导线连接到外壳上的三通道接头，再通过导线与数据采集系统和处理系统连接；本发明能精确测量微小扰振源的振动力，测量精度高，标定简单，测量可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动测量领域，特别是一种高精度压电式三向力传感器。
背景技术
随着航天器任务能力的不断提升，对敏感载荷指向精度和稳定度均提出了很高的要求。在现代航天器姿态控制系统中，反作用轮、单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等是其控制系统中的重要元件，它们在提供必要的控制动力的同时，也会引起一些有害振动(为简单起见，下面将上述三种系统统称为扰振源)。这些扰振主要由飞轮不平衡、轴承扰振、电机扰振、电机驱动误差等引起的，其中电机扰振是导致太阳翼驱动机构振动的最主要原因，而且电机扰振的低频区域情况复杂，这些扰振力和扰振力矩会降低体太空中精密性仪器的性能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰振的动态特性，对于分析并消除扰振从而提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计有着非常重要的工程意义。
由于航天器扰振源的扰振很小，个别有效载荷如动量轮在空间三个方向只能产生几十毫牛顿甚至几毫牛顿的微弱扰振，要想在具有相对强烈干扰背景噪音的地面实验室中测量此类扰振十分困难，而其对应传感器的精度要求非常高。
压电式振动力传感器采用压电陶瓷或压电晶体作为敏感元件，当压电陶瓷受拉压或剪切时，会形成感应电荷和感应电压，通过测量感应电荷或感应电压的大小来获取振动力的幅值。压电式振动力传感器具有性能稳定、测量频带宽等优点，获得了广泛应用。但是，现有的力传感器在测量微小振动时具有较大的局限性。主要表现为灵敏度难以满足应用要求，在测量航天器活动部件的微振动时，感应电压的大小往往与背景噪声量级相当，无法准确获取活动部件的扰动特性。任宗金等发明了可分载的压电式多维力测量装置及其制作方法(CN201210552229.7)，采用分载结构提高传感器的测量范围，但无法提高传感器的精度。李映君等提出了一种采用3组6压电片的三向力传感器，(李映君.新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究[D].(博士学位论文).大连：大连理工大学。2010.)具有较高的刚度，能够实现大力值的测量，但其灵敏度值受限于压电晶体的性能，无法满足测量0.1mN量级动态力的能力。
现有传感器的另一个问题是刚度较低。活动部件扰动测试的目的是为了获取理想固支边界条件下的扰动力，而传感器自身高度不足会导致被测试件与传感器动力耦合，从而造成测量数据失真。姚裕等发明了对偶正交六维力传感器及测量方法(CN201410248504.5)，采用6个弹性连杆支撑试件，可实现较高的测量精度。但是传感器的刚度较低，不适于进行宽频动态测量。赵延治等发明了并联3-SPU六维测力传感器(CN201410291350.8)，通过拉压传感器与球铰和万向铰连接构成空间机构，实现六维力测量，由于避免了弹性构件，其刚度和精度均显著提高，但铰链等活动部件会引起小幅摩擦，对微小力测量形成干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高精度压电式三向力传感器，测量并分析航天器运行过程中，扰振源在空间三个方向上的动态特性，为提高航天器微振动抑制设计提供可靠的测试数据。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种高精度压电式三向力传感器，包括底座、外壳、测力装置以及数据采集处理系统；底座位于底部；测力装置固定安装在底座的上表面；外壳固定安装在底座的上表面，且四周环绕包围测力装置；测力装置与外部数据采集处理系统连接；其中，测力装置包括压电片保护片、压电片、立柱和负载头；立柱设置在底座上表面的中心位置；立柱外壁四周与外壳之间设置有空隙，在所述空隙中放置压电片和压电片保护片；在立柱顶端中心位置也设置有压电片；压电片的顶端固定安装负载头。
在上述的一种高精度压电式三向力传感器，立柱外壁与外壳内壁之间设置有空隙，在所述空隙中，从内向外依次竖直放置压电片和压电片保护片。
在述的一种高精度压电式三向力传感器，在立柱4个外壁与外壳内壁之间的设置有4个空隙，每个空隙中竖直放置数量相同的压电片。
在上述的一种高精度压电式三向力传感器，外壳从立柱的四周压紧压电片保护片的外壁，使压电片固定紧贴在立柱的外侧壁。
在上述的一种高精度压电式三向力传感器，立柱和压电片保护片之间的压电片实现测量水平方向上沿X、Y轴的轴向力。
在上述的一种高精度压电式三向力传感器，立柱顶端中心位置设置有方形槽，所述方形槽的尺寸与压电片相同；压电片固定安装在立柱的方形槽内。
在上述的一种高精度压电式三向力传感器，负载头压紧立柱顶端压电片的上表面，使压电片固定紧贴在立柱顶端的方形槽内。
在上述的一种高精度压电式三向力传感器，立柱上端方形槽内的压电片实现测量竖直方向上沿Z轴的轴向力。
在上述的一种高精度压电式三向力传感器，立柱顶端的压电片和立柱四周侧壁的压电片通过外部信号传输线与数据采集处理系统相连；当扰振力作用于负载头时，X、Y轴方向以及Z轴方向上的压电片产生电压信号，该电压信号通过数据采集处理系统转化为X、Y轴方向上的水平振动力信号以及Z轴方向上的垂直振动力信号。
在上述的一种高精度压电式三向力传感器，所述压电片保护片为不锈钢薄片。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用拉压式压电片作为敏感元件，相比传统的拉压组合式压电片，具有较高的刚度；
(2)本发明每组压电片可根据需要调整数目，通过压电片串联，可提高测量灵敏度，解决传统传感器高刚度与高灵敏度无法同步实现的矛盾；
(3)本发明采用了中央立柱式构形，负载通过立柱顶端和侧壁安装的压电片传递至基座。基于这种构形，全部采用拉压式压电片实现了三向力测量，提高了传感器的刚度，使传感器负载能力和有效频段得到扩展；
(4)本发明传感器结构布置简单，易于标定、且便于安装；同时可组合使用，使用灵活。
附图说明
图1为本发明力传感器结构示意图；
图2为本发明力传感器结构分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高精度压电式三向力传感器，其振动力的测量精度优于0.1mN
如图1所示为力传感器结构示意图，由图可知，一种高精度压电式三向力传感器，包括底座1、外壳2、测力装置8以及数据采集处理系统7；底座1位于底部；测力装置8固定安装在底座1的上表面；外壳2固定安装在底座1的上表面，且四周环绕包围测力装置8；测力装置8与外部数据采集处理系统7连接；
如图2所示为力传感器结构分解示意图，由图可知，测力装置8包括压电片保护片3、压电片4、立柱5和负载头6；立柱5设置在底座1上表面的中心位置；立柱5外壁四周与外壳2之间设置有空隙，在所述空隙中放置压电片4和压电片保护片3，压电片保护片3为不锈钢薄片；在所述空隙中，从内向外依次竖直放置压电片4和压电片保护片3。；在立柱5顶端中心位置也设置有压电片4；压电片4的顶端固定安装负载头6。
在立柱54个外壁与外壳2内壁之间的设置有4个空隙，每个空隙中竖直放置数量相同的压电片4；外壳2从立柱5的四周压紧压电片保护片3的外壁，使压电片4固定紧贴在立柱5的外侧壁；立柱5和压电片保护片3之间的压电片4实现测量水平方向上沿X、Y轴的轴向力。
立柱5顶端中心位置设置有方形槽，所述方形槽的尺寸与压电片4相同；压电片4固定安装在立柱5的方形槽内；负载头6压紧立柱5顶端压电片4的上表面，使压电片4固定紧贴在立柱5顶端的方形槽内。
立柱5上端方形槽内的压电片4实现测量竖直方向上沿Z轴的轴向力。
立柱5顶端的压电片4和立柱5四周侧壁的压电片4通过外部信号传输线与数据采集处理系统7相连；当扰振力作用于负载头6时，X、Y轴方向以及Z轴方向上的压电片4产生电压信号，该电压信号通过数据采集处理系统7转化为X、Y轴方向上的水平振动力信号以及Z轴方向上的垂直振动力信号，以此为基础准确分析出作用于负载头上扰振源的振动特性。
在底座底部通过八个螺钉将外壳和底座连接，所述的需要通过螺栓连接处的螺栓必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高该测量系统的刚度，保证其测量精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：包括底座(1)、外壳(2)、测力装置(8)以及数据采集处理系统(7)；底座(1)位于底部；测力装置(8)固定安装在底座(1)的上表面；外壳(2)固定安装在底座(1)的上表面，且四周环绕包围测力装置(8)；测力装置(8)与外部数据采集处理系统(7)连接；其中，测力装置(8)包括压电片保护片(3)、压电片(4)、立柱(5)和负载头(6)；立柱(5)设置在底座(1)上表面的中心位置；立柱(5)外壁四周与外壳(2)之间设置有空隙，在所述空隙中放置压电片(4)和压电片保护片(3)；在立柱(5)顶端中心位置也设置有压电片(4)；压电片(4)的顶端固定安装负载头(6)。
2.根据权利要求1所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：立柱(5)外壁与外壳(2)内壁之间设置有空隙，在所述空隙中，从内向外依次竖直放置压电片(4)和压电片保护片(3)。
3.根据权利要求2所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：在立柱(5)4个外壁与外壳(2)内壁之间的设置有4个空隙，每个空隙中竖直放置数量相同的压电片(4)。
4.根据权利要求1或2所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：外壳(2)从立柱(5)的四周压紧压电片保护片(3)的外壁，使压电片(4)固定紧贴在立柱(5)的外侧壁。
5.根据权利要求4所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：立柱(5)和压电片保护片(3)之间的压电片(4)实现测量水平方向上沿X、Y轴的轴向力。
6.根据权利要求1所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：立柱(5)顶端中心位置设置有方形槽，所述方形槽的尺寸与压电片(4)相同；压电片(4)固定安装在立柱(5)的方形槽内。
7.根据权利要求6所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：负载头(6)压紧立柱(5)顶端压电片(4)的上表面，使压电片(4)固定紧贴在立柱(5)顶端的方形槽内。
8.根据权利要求7所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：立柱(5)上端方形槽内的压电片(4)实现测量竖直方向上沿Z轴的轴向力。
9.根据权利要求1-8之一所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：立柱(5)顶端的压电片(4)和立柱(5)四周侧壁的压电片(4)通过外部信号传输线与数据采集处理系统(7)相连；当扰振力作用于负载头(6)时，X、Y轴方向以及Z轴方向上的压电片(4)产生电压信号，该电压信号通过数据采集处理系统(7)转化为X、Y轴方向上的水平振动力信号以及Z轴方向上的垂直振动力信号。
10.根据权利要求1所述的一种高精度压电式三向力传感器，其特征在于：所述压电片保护片(3)为不锈钢薄片。
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