CN107834892A - 一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器，属于传感器和执行器集成化技术领域。所述传感执行器包括封装腔体、固定套筒、压电叠堆、传导机构、传感器、推力杆和端盖；所述固定套筒、压电叠堆、传导机构、传感器、推力杆、预紧弹簧均通过端盖封装于封装腔体的内部。具有稳定性强，抗干扰能力强等特点。

Description

一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器

技术领域

本发明涉及一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器，属于传感器和执行器集成化技术领域。

背景技术

传感执行器是将传统的传感器与执行器功能集成的一种手段，传感执行器分成结构集成型与功能集成型，分类依据为传感器和执行器的集成方式，主要区别在于传感和执行功能是否由同一器件来承担和实现。就结构集成型压电传感执行器而言，其传感功能和执行功能分别交由两个独立器件承担；相对的，功能集成型的传感执行器则使用同一器件来实现传感和执行功能。而在传感执行器集成过程中，由于传感执行器的执行器部分工作时会造成复杂的干扰电场，该干扰很大程度上影响着传感器部分的测量精度，进而限制了压电传感执行器的应用并导致传感执行器的性能和精度大大降低，现阶段，在传感执行器的研究领域中，国内外的科研学者大多都把研究重心放在自感知执行器的解耦方式上，通过解耦方式来改善传感执行器内部电场干扰的问题，进而改善传感执行器的精度和性能，目前各种解耦方式虽取得了一定研究成果，但仍存在着无法避免且不易解决的缺陷。

发明内容

本发明为了解决现有传感执行器内部执行器产生干扰电场干扰传感器，进而导致执行传感器性能降低的问题，提出了一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器，所采取的技术方案如下：

一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器，所述传感执行器包括封装腔体1、固定套筒2、压电叠堆3、传导机构4、传感器5、推力杆6、预紧弹簧7和端盖8；所述固定套筒2、压电叠堆3、传导机构4、传感器5、推力杆6、预紧弹簧7均通过端盖8封装于封装腔体1的内部。

进一步地，所述固定套筒2设置于所述封装腔体1的腔内底部；所述压电叠堆3的一端固定于所述固定套筒2的筒孔内，另一端固定于所述传导机构4下底面的槽孔中；所述传感器5设置于所述传导机构4的内部；所述传导机构4的上底面安装有推力杆6；所述端盖8上设有开孔；所述推力杆6穿过所述端盖8的开口来接收外界的力。

进一步地，所述封闭腔体1的下底面为封闭底面；所述封闭腔体1的上底面开口，并且在靠近上底面的腔体内壁上设有内螺纹；所述封闭腔体1的腔体上设有两个引线孔；所述引线孔用于将腔体内部存在的信号线引导腔体外部。

进一步地，所述封闭腔体1采用圆柱体结构。

进一步地，所述压电叠堆3采用由多个压电片叠加而形成的长方体结构，相邻的所述压电片直接采用机械上串联，电学上并联的布置形式，即相邻压电陶瓷片极化方向相反，从两侧分别引出正负电极，沿极化方向施加驱动电压。压电叠堆3的尺寸为11×11×37mm(0.15mm-250片)。

进一步地，所述传感器5采用石英晶振片，所述石英晶振片采用圆形薄片结构，所述石英晶振片的上下两面分别渡有正负电极，并且所述正负电极由电极线从石英晶振片上下两面引出。石英晶振片圆形薄片的尺寸是Φ14×0.27mm。

进一步地，所述传导机构4包括上滑块11，上楔块12、下楔块13和下滑块14；所述上滑块11内设有上楔块安装槽，所述上楔块12设置于所述上楔块安装槽中；所述下滑块14内设有下楔块安装槽；所述下楔块13设置于所述下楔块安装槽中；所述上滑块11和下滑块14上分别设有引线孔；所述上楔块安装槽和下楔块安装槽的形状分别与上楔块12和下楔块13的形状相对应。

进一步地，所述上楔块12采用上窄下宽的梯形结构，并且所述上楔块12的两侧斜面的倾斜角度为30°；所述下楔块13采用上宽下窄的梯形结构，并且所述下楔块13的两侧斜面的倾斜角度为30°，所述下楔块13的宽底面上设有压紧凹槽，所述压紧凹槽的槽底面上设有圆形晶振片放置槽；所述圆形晶振片放置槽中放置所述石英晶振片；所述圆形晶振片放置槽的槽底面上设有下楔块圆形通孔；所述下楔块圆形通孔贯穿下楔块13的块体；所述上楔块12的宽底面上设有压紧凸起；所述压紧凸起的凸起上表面设有上楔块圆形通孔；所述上楔块圆形通孔贯穿上楔块12的块体。

进一步地，所述推力杆6包括圆形底座和杆体，所述杆体上套有预紧弹簧7；所述预紧弹簧7的上下两端分别与圆形底座和端盖8内底面接触。

进一步地，所述端盖8采用腔体结构；所述推力杆6的杆体结构插入在端盖8的腔体结构中；所述端盖8的盖面上设有通孔，所述通孔用于推力杆6接收外界的力；所述端盖8的腔体外表面设有外螺纹，用于与封闭腔体1固定安装。

本发明所述传感执行器的原理和工作过程为：

石英具体具有力-频特性，当石英谐振器受到应力作用时，谐振频率会随之发生改变并与所受应力成线性关系，并且石英晶体频率稳定性极好几乎不受电场干扰的影响，从原理上就解决了电场对于传感器部分的干扰因素，增强了传感器部分的稳定性和抗干扰能力。压电陶瓷在电压驱动的作用下能够输出力和位移，而压电叠堆又很好的解决了单片压电陶瓷输出力和位移较小的不足。

在传感执行器工作时，通过传导机构可将结构所受的外界径向载荷转化为横向力传递至石英晶振片结构，从而转化为晶振片所受的圆周径向力从而改变石英晶片体的频率，经过转换测量出频率改变值即可测试出外力的大小，同时我们给压电陶瓷叠堆施加电压即可作为执行器产生力和位移去补偿外界力。

本发明有益效果：

1、本发明提出的一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器结合石英晶体的力-频特性，把传感器和执行器结合在一起，将简单的结构集成型传感执行器高集成化，极大程度上缩小了传感执行器的体积，使其最小高度可达7.5cm，同时，在同一个传感执行器将结构集成型和功能集成型两种类型结合，使其即拥有结构集成型的结构构造，同时将传感器和执行器集成于一体，使其在功能上实现功能集成型，即利用一个一体部件同时实现传感和执行功能。

2、本发明将传感器部分设计为压电谐振式，通过感知谐振频率偏移量来实现对机械力的测量，由于传感器部分的谐振频率不受执行器部分电场干扰的影响，理论上该结构可实现两部分功能的相互独立，有效的解决了传感和执行相互干扰的问题。

3、本发明提出的一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器在高度集成传感器和执行器的过程中，通过传感器和执行器结构的改进，以及传感执行器整体结构的设计从原理上将执行器内部的电场干扰减少到0，进而极大程度提高了传感执行器的稳定性和抗干扰能力；使本发明所述传感执行器不仅具有高精度高、高稳定性等优点，同时具有结构简单和抗干扰能力强等特点。

4、本发明提出的一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器可系列化生产的优点，不仅能够同时实现驱动和传感功能，还具备节省安装空间、经济性好等优点，有利于延伸并深入至MEMS研究领域，在微机械技术、振动的主动控制、故障诊断以及系统辨识等领域拥有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述的整体结构爆炸图；

图2是本发明所述压电传感执行器内部实物图；

图3是本发明所述传导机构的三维结构图；

图4是压电传感执行器实物封装图；

(1，封装腔体；2，固定套筒；3，压电叠堆；4，传导机构；5，石英晶振片；6，推力杆；7，预紧弹簧；8；端盖；9，压电陶瓷电极线；10，石英晶振片电极线；11，上滑块；12，上楔块；13，下楔块；14，下滑块)

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

实施例1提出了一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器，如图1所示，所述传感执行器包括封装腔体1、固定套筒2、压电叠堆3、传导机构4、传感器5、推力杆6、预紧弹簧7和端盖8；所述固定套筒2、压电叠堆3、传导机构4、传感器5、推力杆6、预紧弹簧7均通过端盖8封装于封装腔体1的内部。

本实施例提出的一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器把传感器和执行器结合在一起，将简单的结构集成型传感执行器高集成化，在同一个传感执行器将结构集成型和功能集成型两种类型结合，使其即拥有结构集成型的结构构造，同时将传感器和执行器集成于一体，使其在功能上实现功能集成型，即利用一个一体部件同时实现传感和执行功能。

实施例2：

本实施例是对实施例1所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，如图1所示，所述固定套筒2设置于所述封装腔体1的腔内底部；所述压电叠堆3的一端固定于所述固定套筒2的筒孔内，另一端固定于所述传导机构4下底面的槽孔中；所述传感器5设置于所述传导机构4的内部；所述传导机构4的上底面安装有推力杆6；所述端盖8上设有开孔；所述推力杆6穿过所述端盖8的开口来接收外界的力。

石英具体具有力-频特性，当石英谐振器受到应力作用时，谐振频率会随之发生改变并与所受应力成线性关系，并且石英晶体频率稳定性极好几乎不受电场干扰的影响，从原理上就解决了电场对于传感器部分的干扰因素，增强了传感器部分的稳定性和抗干扰能力。压电陶瓷在电压驱动的作用下能够输出力和位移，而压电叠堆又很好的解决了单片压电陶瓷输出力和位移较小的不足。

传导机构的30°楔形角的设计又在将结构所受的外界径向载荷转化为横向力传递至石英晶振片结构，并且转化为晶振片所受的圆周径向力的同时，又获得了良好的力-频转换系数，提高了传感器的灵敏度，还提高了结构的稳定可靠性。

实施例3：

本实施例是对实施例1所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，所述封闭腔体1的下底面为封闭底面；所述封闭腔体1的上底面开口进而形成腔体结构，并且在靠近上底面的腔体内壁上设有内螺纹；所述封闭腔体1的腔体上设有两个引线孔；所述引线孔用于将腔体内部存在的信号线引导腔体外部。

实施例4：

本实施例是对实施例3所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，如图1所示，所述封闭腔体1采用圆柱体结构。采用圆柱形腔体结构首先在加工工艺上来说较为简单，在装配和调试的过程中也能够更加方便并且相对于长方体结构来说圆柱形结构内部的空间利用率较高，从而缩减了此传感执行器的体积。

实施例5：

本实施例是对实施例1所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，所述压电叠堆4采用由多个压电片叠加而形成的长方体结构，相邻的所述压电片直接采用机械上串联，电学上并联的布置形式，即相邻压电陶瓷片极化方向相反，从两侧分别引出正负电极，沿极化方向施加驱动电压。其中，压电叠堆3的尺寸为11×11×37mm(0.15mm-250片，即其中0.15mm为单片压电片的厚度，压电片的总数量为250)。

本实施例是对压电叠堆的进一步限定，本实施例中，将传感执行器中的执行器部分设计为压电叠堆的形式，同时将多个压电片叠加并采用机械上串联，电学上并联的布置形式，这种叠堆形式很好的克服了单片压电陶瓷输出力和位移较小的缺点，使得在电压不太高的情况下也能尽可能获得较大的输出力和位移位移。

实施例6：

本实施例是对实施例1所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，所述传感器5采用石英晶振片，所述石英晶振片采用圆形薄片结构，所述石英晶振片的上下两面分别渡有正负电极，并且所述正负电极由电极线从石英晶振片上下两面引出。石英晶振片圆形薄片的尺寸是Φ14(直径)0×0.27mm(厚度)。

石英具体具有力-频特性，当石英谐振器受到应力作用时，谐振频率会随之发生改变并与所受应力成线性关系，并且石英晶体频率稳定性极好几乎不受电场干扰的影响，从原理上就解决了电场对于传感器部分的干扰因素，增强了传感器部分的稳定性和抗干扰能力。

实施例7：

本实施例是对实施例6所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，如图2和图3所示，所述传导机构4包括上滑块11，上楔块12、下楔块13和下滑块14；所述上滑块11内设有上楔块安装槽，所述上楔块12设置于所述上楔块安装槽中；所述下滑块14内设有下楔块安装槽；所述下楔块13设置于所述下楔块安装槽中；所述上滑块11和下滑块14上分别设有引线孔；所述上楔块安装槽和下楔块安装槽的形状分别与上楔块12和下楔块13的形状相对应。

本实施例中，固定套筒2和传导机构4的下滑块14同时起到定位压电叠堆3的作用，石英传感器5通过传导机构4来感知来自推力杆6所接受外界的推力；压电陶瓷电极线9外接驱动电压，控制压电陶瓷的输出力和位移；石英晶振片电极线10外接信号处理电路读取石英晶振片的频率变化量而获得相应的力。

实施例8：

本实施例是对实施例7所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，如图3所示，所述上楔块12采用上窄下宽的梯形结构，并且所述上楔块12的两侧斜面的倾斜角度为30°；所述下楔块13采用上宽下窄的梯形结构，并且所述下楔块13的两侧斜面的倾斜角度为30°，所述下楔块13的宽底面上设有压紧凹槽，所述压紧凹槽的槽底面上设有圆形晶振片放置槽；所述圆形晶振片放置槽中放置所述石英晶振片；所述圆形晶振片放置槽的槽底面上设有下楔块圆形通孔；所述下楔块圆形通孔贯穿下楔块13的块体；所述上楔块12的宽底面上设有压紧凸起；所述压紧凸起的凸起上表面设有上楔块圆形通孔；所述上楔块圆形通孔贯穿上楔块12的块体。

本实施例中，传导结构内部上下各有一个楔形块(梯形结构的上、下楔块)，并且，石英晶振片放置于压紧凹槽内部的圆形晶振片放置槽中，通过压紧凹槽和压紧凸起的挤压压紧，使石英晶振片固定于两个楔形块的中间，考虑到石英晶振片压电效应的方向性和力-频特性，不宜将石英晶振片直接加入到压电叠堆结构中。通过传导机构可将结构所受的外界径向载荷转化为横向力传递至石英晶振片结构，从而转化为晶振片所受的圆周径向力。加入压力传导机构不仅可使石英晶振片具备良好的力-频转换系数，且由于晶振片不受直接的外部径向载荷，因而还可提高结构的稳定可靠性。

石英晶振片的力-频特性表明晶振片在受到沿X轴方向作用力时，力-频转换系数最大。当施力方向角控制在0～30°时石英晶振片具有较为理想的力-频敏感度。基于上述分析，为了使得压电传感执行器拥有尽可能高的传感分辨率，将石英晶振片与压力传导机构接触面角度设计为正负30°，晶振片在预紧力作用下固定于上、下斜楔结构之间，这样不仅能够较为准确的定位石英晶体还能够用30°的角度来保证获得较大的力-频转换系数从而提高传感器的灵敏度。在楔形结构上设计了通孔主要是为了方便导线的引入和引出，利用有限的结构空间，尽量把传感执行器做到轻量化、小型化。

实施例9：

本实施例是对实施例1所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，所述推力杆6包括圆形底座和杆体，所述杆体上套有预紧弹簧7；所述预紧弹簧7的上下两端分别与圆形底座和端盖8内底面接触。

本实施例中在推力杆上增加了预紧弹簧，加入弹簧7是使得端盖8和封装腔体1连接之后有一定的预紧力，用以减小各部分的间隙，提高传感执行器的精度。

实施例10：

本实施例是对实施例1所述一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器的进一步限定，所述端盖8采用腔体结构；所述推力杆6的杆体结构插入在端盖8的腔体结构中；所述端盖8的盖面上设有通孔，所述通孔用于推力杆6接收外界的力；所述端盖8的腔体外表面设有外螺纹，用于与封闭腔体1固定安装。所述封装腔体1和端盖8通过螺纹连接起来。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述传感执行器包括封装腔体(1)、固定套筒(2)、压电叠堆(3)、传导机构(4)、传感器(5)、推力杆(6)、预紧弹簧(7)和端盖(8)；所述固定套筒(2)、压电叠堆(3)、传导机构(4)、传感器(5)、推力杆(6)、预紧弹簧(7)均通过端盖(8)封装于封装腔体(1)的内部。

2.根据权利要求1所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述固定套筒(2)设置于所述封装腔体(1)的腔内底部；所述压电叠堆(3)的一端固定于所述固定套筒(2)的筒孔内，另一端固定于所述传导机构(4)下底面的槽孔中；所述传感器(5)设置于所述传导机构(4)的内部；所述传导机构(4)的上底面安装有推力杆(6)；所述端盖(8)上设有开孔；所述推力杆(6)穿过所述端盖(8)的开口来接收外界的力。

3.根据权利要求1所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述封闭腔体(1)的下底面为封闭地面；所述封闭腔体(1)的上底面开口，并且在靠近上底面的腔体内壁上设有内螺纹；所述封闭腔体(1)的腔体上设有两个引线孔；所述引线孔用于将腔体内部存在的信号线引导腔体外部。

4.根据权利要求3所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述封闭腔体(1)采用圆柱体结构。

5.根据权利要求1所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述压电叠堆(4)采用由多个压电片叠加而形成的长方体结构，相邻的所述压电片直接采用机械上串联，电学上并联的布置形式。

6.根据权利要求1所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述传感器(5)采用石英晶振片，所述石英晶振片采用圆形薄片结构，所述石英晶振片的上下两面分别渡有正负电极，并且所述正负电极由电极线从石英晶振片上下两面引出。

7.根据权利要求6所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述传导机构(4)包括上滑块(11)，上楔块(12)、下楔块(13)和下滑块(14)；所述上滑块(11)内设有上楔块安装槽，所述上楔块(12)设置于所述上楔块安装槽中；所述下滑块(14)内设有下楔块安装槽；所述下楔块(13)设置于所述下楔块安装槽中；所述上滑块(11)和下滑块(14)上分别设有引线孔；所述上楔块安装槽和下楔块安装槽的形状分别与上楔块(12)和下楔块(13)的形状相对应。

8.根据权利要求7所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述上楔块(12)采用上窄下宽的梯形结构，并且所述上楔块(12)的两侧斜面的倾斜角度为30°；所述下楔块(13)采用上宽下窄的梯形结构，并且所述下楔块(13)的两侧斜面的倾斜角度为30°，所述下楔块(13)的宽底面上设有压紧凹槽，所述压紧凹槽的槽底面上设有圆形晶振片放置槽；所述圆形晶振片放置槽中放置所述石英晶振片；所述圆形晶振片放置槽的槽底面上设有下楔块圆形通孔；所述下楔块圆形通孔贯穿下楔块(13)的块体；所述上楔块(12)的宽底面上设有压紧凸起；所述压紧凸起的凸起上表面设有上楔块圆形通孔；所述上楔块圆形通孔贯穿上楔块(12)的块体。

9.根据权利要求1所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，其特征在于，所述推力杆(6)包括圆形底座和杆体，所述杆体上套有预紧弹簧(7)；所述预紧弹簧(7)的上下两端分别与圆形底座和端盖(8)内底面接触。

10.根据权利要求1所述谐振式传感的压电叠堆传感执行器，所述端盖(8)采用腔体结构；所述推力杆(6)的杆体结构插入在端盖(8)的腔体结构中；所述端盖(8)的盖面上设有通孔，所述通孔用于推力杆(6)接收外界的力；所述端盖(8)的腔体外表面设有外螺纹，用于与封闭腔体(1)固定安装。