CN107525612A - 大量程压电薄膜三维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大量程压电薄膜三维力传感器，属于传感器及其测控领域，其特征在于，包括上盖、底座、压电薄膜组、绝缘膜、导线、导线孔、预紧螺钉组成。本发明采用上下盖支撑式结构，四组压电薄膜组相对于坐标系对称均布，安装于上盖与底座凹凸槽之间。每组压电薄膜组由三片压电薄膜、六片电极片和四片绝缘膜按照一定的安装顺序组成，可实现三维力动态测量。上盖采用特殊的凹槽结构，其弹性支撑壁可起到并联分载效果，改变弹性壁尺寸，实现不同量程范围载荷测量。本发明测量量程大、动态性能好、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。
Description
技术领域
本发明属于传感器及其测控技术领域，特别涉及时变、强冲击和高动态响应特性要求的空间大量程载荷动态测量用的压电薄膜三维力传感器。
背景技术
冷镦机床是一种高效率﹑自动化的锻压设备，可连续生产钢球﹑螺栓﹑螺母﹑销钉及滚柱等标准件。各国一直把高质量、高效率、加大生产范围作为冷镦机床设计和发展的目标。冷镦机床正朝着多工位、快节奏、自动化方向发展，加工速度高，生产能力可达几百粒/分钟，增加了冷镦力动态实时测量难度。大量仿真分析和实验数据表明，钢球冷镦成型时瞬时承受重载、强冲击载荷作用（如Φ7.938mm钢球成型冷镦力可达110kN，Φ19.75mm钢球成型冷镦力可达640kN），坯料在整个轧制过程中受力是实时变化的，坯料的受力状况由开始的单向压力状态变化为多向压应力状态。
我国在冷镦成形方面一些关健技术有所突破，有的已接近国际先进水平，但就我国冷镦设备和冷镦工艺技术的整体水平而言，我国冷镦生产线配备套设施不足，不能实现全自动化和智能化。而全自动化多工位冷镦机床生产线需要完整的监控及反馈系统，检测能力的匮乏成为制约我国钢球制坯行业发展的瓶颈，我国钢球制造业最迫切、最需要解决的问题，即将在线检测技术运用到钢球生产线中，研制新型的检测仪器，提供科学的检测手段，使线上测量成为主要的测量手段。
传统电阻应变片式测量方式测量精度高，使用简单，但是由于采用电阻应变片作为力敏感元件，不能满足动态测量要求，需要对其进行动态补偿。压电式力传感器是一种利用压电石英作为力敏元件的动态测力形式，此类传感器静态刚性好、灵敏度高、分辨率高，具有良好的静态(与动态)线性、滞后和重复性误差很小、固有频率高、频率响应与瞬态响应良好、工作频带宽、稳定性好等优点。压电传感器的主要特点是其有很高的固有频率(200kHz)，特别适合动态测量。压电石英和压电陶瓷属于“准静态”测量且易脆，而有机高分子压电材料PVDF压电膜具有较高的压电常数、化学稳定性、耐疲劳能力、高耐冲击，化学稳定性高，对结构的力学性能影响较小，便于测量冲击载荷的数值，不足之处是只能承受单向的拉压应力。
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。美国Dynasen公司压电薄膜压力传感器。这种压电薄膜压力传感器主要用于测量平面波。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。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。中国专利201510810324.6公布了一种压电式柔性三维触觉传感阵列及其制备方法，触觉传感阵列从上至下依次由PDMS 表面凸起层、上电极层、PVDF 压电薄膜层、下电极层、PDMS 柔性基底层构成。解决了现有刚性触觉传感阵列在假肢手指表面、机器人手指及身体曲面处难于装载的问题，但是测量量程小，制备复杂。中国专利201110410811.5公布了一种压电薄膜力传感器和中国专利201320151877.1公布了一种冲击力动态测量用PVDF压电薄膜力传感器，均是采用单片压电薄膜测量大量程冲击载荷，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，效果较好。以上专利不足之处在于只能测量单向冲击载荷。目前尚未有大量程冲击力动态测量压电薄膜三维力传感器申请报道。
为解决瞬变、多维、强冲击载荷动态测量技术难题，需要研究一种新型结构形式压电薄膜三维力传感器。
发明内容
本发明目的在于克服上述压电薄膜力传感器的缺陷，提供一种技术性能好，易于安装和维修，便于推广使用的灵敏度高、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三维力传感器。通过多组压电薄膜组合测量，实现三维瞬变、大量程、强冲击载荷动态测量。
本发明采用如下技术方案实现发明目的：
一种大量程压电薄膜三维力传感器，其特征在于，包括上盖（1）、底座（2）、预紧螺钉（3）、压电薄膜组（4）、导线（5）、方形槽（6）、导线孔（7）组成，上盖（1）下表面（a）上开有特殊的凹槽结构（15），底座（2）上表面（c）上有正方形凸台（9），底座（2）内表面（h′）上开有圆形导线孔（5），用于引出输出导线（7）输出，底座（2）上开有四组方形槽（6），用于整体安装固定，四组压电薄膜组（4）正方形布置在凸台（9）上表面（d），四组压电薄膜组（4）上表面（i）与上盖（1）下表面（a）接触，四组压电薄膜组（4）下表面（i′）与凸台（9）上表面（d）接触，上盖（1）下表面（b）与底座（2）上表面（c）接触，上盖（1）上表面（e）上施加一定的预紧力，上盖（1）上表面（e）与底座（2）上表面（f）平齐，上盖（1）侧表面（g）与底座（2）侧表面（g′）对齐，上盖（1）侧表面（h）与底座（2）内表面（h′）对齐，上盖（1）和底座（2）所有接触线处均通过电子束焊接在一起，上盖（1）下表面（a）上和底座（2）下表面（j）上分别对称设置有4个同圆均布的螺钉孔（8）和安装固定阶梯孔（10），4个预紧螺钉（3）穿过螺钉孔将所述上盖（1）、压电薄膜组（4）、下盖（2）安装在一起，4个预紧螺钉（3）用于调整四组压电薄膜组（4）预紧力的作用，4个预紧螺钉（3）不能高出底座（2）下表面（j）。
作为对本技术方案的进一步限定，所述四组压电薄膜组（4）相对于坐标系对称均布，安装于上盖（1）与底座（2）凹凸槽之间，每组压电薄膜组（4）由三片压电薄膜（13）、六片电极片（12）、（14）和四片绝缘膜（11）按照一定的安装顺序组成，可实现三维力动态测量，其中电极片（12）用于接地信号，电极片（14）用于输出电信号，电极片（12）、（14）采用金属箔。
作为对本技术方案的进一步限定，所述压电薄膜（13）、电极片（12）、（14）和绝缘膜（11）可做成正方形或圆形结构形式。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
（1）本发明的大量程压电薄膜三维力传感器采用上盖和底座支撑式弹性体结构形式，具有大量程、高线性度、高固有频率、高灵敏度、高刚度的特点，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；
（2）本发明的大量程压电薄膜三维力传感器通过四组压电薄膜组的组合，可以动态测量出三维瞬变、大量程、强冲击载荷的大小和方向，具有结构简单、刚性好、工艺性好、易于制造、操作方便、灵敏度高、易于推广的优点；
（3）本发明的大量程压电薄膜三维力传感器可用于锻打机械、锻造机械、锻压机械、高速机械压力机、冲床、冲击锤、打桩机等重载强冲击设备瞬变大量程冲击载荷动态测量，也可以作为其他在线监测装置或自适应控制系统反馈元件，用途广泛。
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压电薄膜组结构示意图。
图5为本发明优选实施例的整体装配图。
图中，1-上盖，2-底座，3-预紧螺钉，4-压电薄膜组，5-导线，6-方形槽，7-导线孔，8-螺钉孔，9-正方形凸台，10-下盖阶梯孔，11-绝缘膜，12、14-电极片， 13-压电薄膜， 15-凹槽结构， a-上盖下表面， b-上盖下表面，c-底座上表面，d-凸台上表面，e-上盖上表面，f-底座上表面，g-上盖侧表面，g′-底座侧表面，h-上盖侧表面，h′-底座内表面，i-压电薄膜组上表面，i′-压电薄膜组下表面，j-底座下表面。
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。
如图1、图5所示，本发明的大量程压电薄膜三维力传感器采用支撑式弹性体结构形式，从上至下依次由上盖1、底座2、四个预紧螺钉3、四组压电薄膜组4、导线5、四个方形槽6、导线孔7组成。其中，上盖1起到传递冲击力的作用，压电薄膜组4起到将力信号转换为电荷信号作用，方形槽6起到整体固定安装作用，导线孔7用于将导线5的引出，预紧螺钉3起到调整压电薄膜组4预紧力的作用，上盖1上表面e上施加一定的预紧力，保证上盖1上表面e与底座2上表面f平齐，上盖1侧表面g与底座2侧表面g′对齐，上盖1侧表面h与底座2内表面h′对齐，上盖1和底座2所有接触线处均通过电子束焊接在一起，上盖1、下盖2的材料均为不锈钢。
如图2、图3所示，所述上盖1下表面a上开有特殊的凹槽结构15，上盖1下表面b与底座2上表面c接触，底座2上表面c上有正方形凸台9，底座2内表面h′上开有圆形导线孔5，用于引出输出导线7输出，底座2上开有四组方形槽6，上盖1下表面a上和底座2下表面j上分别对称设置有4个同圆均布的螺钉孔8和安装固定阶梯孔10，4个预紧螺钉3穿过螺钉孔将所述上盖1、压电薄膜组4、下盖2安装在一起，4个预紧螺钉3用于调整四组压电薄膜组4预紧力的作用，4个预紧螺钉3不能高出底座2下表面j。
如图4所示，所述四组压电薄膜组4相对于坐标系对称均布，安装于底座2正方形布置在凸台9上表面d上，四组压电薄膜组4上表面i与上盖1下表面a接触，四组压电薄膜组4下表面i′与凸台9上表面d接触，每组压电薄膜组4由三片压电薄膜13、六片电极片12、14和四片绝缘膜11按照一定的安装顺序组成，可实现三维力动态测量，其中电极片12用于接地信号，电极片14用于输出电信号，电极片12、14采用金属箔。压电薄膜13、电极片12、14和绝缘膜11可做成正方形或圆形结构形式。
安装时，先将四组压电薄膜4安装在底座2正方形凸台9上，保证四组压电薄膜组4下表面i′与凸台9上表面d接触。然后安装上盖1，4个预紧螺钉将上盖1、压电薄膜组4、底座通过螺钉孔8和安装固定阶梯孔10连接在一起，保证上盖1上表面e与底座2上表面f平齐，上盖1侧表面g与底座2侧表面g′对齐，上盖1侧表面h与底座2内表面h′对齐，上盖1和底座2所有接触线处均通过电子束焊接在一起。将安装后的大量程压电薄膜三维力传感器通过方形槽6紧固在工作平台上。
使用时，当传感器上盖1受空间力（F x 、F y 、F z ）作用时，压电薄膜组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。利用四组压电薄膜组4的组合，可以动态测量出三维瞬变、大量程、强冲击载荷的大小和方向。
本发明的大量程压电薄膜三维力传感器具有大量程、高线性度、高固有频率、高灵敏度、高刚度、成本低、强过载保护能力、技术性能好、易于安装和维修，便于推广使用的特点。能够实现组装工序简洁化、且使用方便可靠。
本发明涉及一种大量程压电薄膜三维力传感器，以上实施例用于理解本发明的方法和核心思想, 仅为本发明的较佳实施例而已，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下,进行任何可能的变化、改型、添加或替换,均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种大量程压电薄膜三维力传感器，其特征在于，包括上盖（1）、底座（2）、预紧螺钉（3）、压电薄膜组（4）、导线（5）、方形槽（6）、导线孔（7）组成，上盖（1）下表面（a）上开有特殊的凹槽结构（15），底座（2）上表面（c）上有正方形凸台（9），底座（2）内表面（h′）上开有圆形导线孔（5），用于引出输出导线（7）输出，底座（2）上开有四组方形槽（6），用于整体安装固定，四组压电薄膜组（4）正方形布置在凸台（9）上表面（d），四组压电薄膜组（4）上表面（i）与上盖（1）下表面（a）接触，四组压电薄膜组（4）下表面（i′）与凸台（9）上表面（d）接触，上盖（1）下表面（b）与底座（2）上表面（c）接触，上盖（1）上表面（e）上施加一定的预紧力，上盖（1）上表面（e）与底座（2）上表面（f）平齐，上盖（1）侧表面（g）与底座（2）侧表面（g′）对齐，上盖（1）侧表面（h）与底座（2）内表面（h′）对齐，上盖（1）和底座（2）所有接触线处均通过电子束焊接在一起，上盖（1）下表面（a）上和底座（2）下表面（j）上分别对称设置有4个同圆均布的螺钉孔（8）和安装固定阶梯孔（10），4个预紧螺钉（3）穿过螺钉孔将所述上盖（1）、压电薄膜组（4）、下盖（2）安装在一起，4个预紧螺钉（3）用于调整四组压电薄膜组（4）预紧力的大小，4个预紧螺钉（3）不能高出底座（2）下表面（j）。
2.根据权利要求1所述大量程压电薄膜三维力传感器，其特征是，四组压电薄膜组（4）相对于坐标系对称均布，安装于上盖（1）与底座（2）凹凸槽之间，每组压电薄膜组（4）由三片压电薄膜（13）、六片电极片（12）、（14）和四片绝缘膜（11）按照一定的安装顺序组成，可实现三维力动态测量，其中电极片（12）用于接地信号，电极片（14）用于输出电信号，电极片（12）、（14）采用金属箔，压电薄膜（13）、电极片（12）、（14）和绝缘膜（11）可做成正方形或圆形。
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2017
- 2017-09-06 CN CN201710795309.8A patent/CN107525612A/zh active Pending
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