CN108593154B - 一种三维精密压电传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维精密压电传感装置，它解决了现有技术中传感装置检测精度差的问题，具有实现三自由度检测、灵敏度高的有益效果，其方案如下：一种三维精密压电传感装置，包括基体，基体内设置凹槽形成中心框体；第一平面内传感单元，包括围绕中心框体设置的力作用带，中心框体的各个角分别通过导向机构与基体相连，中心框体的输出端与第一力放大机构连接，对中心框体的作用力经第一力放大机构放大后传递给相应侧的压电晶块。
Description
技术领域
本发明涉及精密力传感与精密控制工程领域，特别是涉及一种三维精密压电传感装置。
背景技术
精密力传感技术在精密工程应用中发挥着越来越重要的作用，特别是超精密机床，原子力显微镜，航空航天等领域。同时，随着这些领域的深入研究，对力或能转换为力的非电物理量的检测提出了越来越高的要求，对能实现高灵敏度、多自由度、耦合小的精密传感装置需求越来越旺盛。目前的力传感技术主要存在以下不足：
1.由于传感器本身的灵敏度是一定的，传统的力传感装置对微小变化量的检测不敏感，灵敏度相对较低；
2.现有的力传感装置多存在零点漂移现象，如应变片的绝缘电阻过低或通过电流而发热时，在不受力的条件下其应变值也会随时间发生变化；
3.现有的力传感装置多集中在单轴检测，或多轴检测时存在较严重的耦合现象，影响检测精度。
因此，设计一种能够进行多自由度、高灵敏度且耦合小的力检测装置，是本领域技术人员亟需解决的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种三维精密压电传感装置，该装置具有三自由度检测、灵敏度高、结构解耦等优点。
一种三维精密压电传感装置的具体方案如下：
一种三维精密压电传感装置，包括：
基体，基体内设有凹槽，凹槽内设置中心框体；
第一平面内传感单元，包括力作用带，第一平面内四条作用带构成中心框体，同一方向两力作用带的四端分别通过导向机构与基体各自连接，中心框体的输出端与第一力放大机构连接，对中心框体的作用力经第一力放大机构放大后传递给相应侧的压电晶块。
上述压电传感装置，忽略力传递过程中的能量损失，根据F1x1＝F2x2，X、Y向可实现7.1倍的被测力放大；Z向可实现3.74倍的被测力放大。通过力放大机构的设置，有效提高了测量系统整体的灵敏度。同时，基于压电晶块材料的正压电效应，能实现宽频带、高灵敏度的力检测。
进一步地，所述第一平面内传感单元包括：
X向传感单元，包括设于中心框体对称两侧的X正向作用带和X反向作用带，两作用带的四端分别设置X导向机构，X导向机构一端与基体连接，另一端与中心框体连接，中心框体的输出端与同基体连接的X向第一力放大机构连接，经X向第一力放大机构放大后的被测力最终经X输出铰链传递到X向压电晶块，
Y向传感单元，与X向传感单元方向在同一平面内，与X向传感单元相互垂直，且结构相同，这样Y向传感单元同样包括Y正向作用带和Y反向作用带，这样中心框体的四侧分别为这四条力作用带，中心框体突出于基体表面设置。
其中，X向第一力放大机构与Y向第一力放大机构均为杠杆力放大机构，杠杆力放大机构一端内侧设置连接杆，另一端内侧设置X向压电晶块，X向压电晶块设于中心框体的一侧，且X向杠杆力放大机构通过X向连接杆与X反向力作用带的中部连接。
进一步地，传感装置还包括Z向传感单元，Z向传感单元的被测力方向与第一平面垂直，第一平面为水平平面，X方向与Y方向垂直，Z向与水平面垂直。
进一步地，所述Z向传感单元包括Z压力作用带和压曲机构，压曲机构设于Z压力作用带的两端，压曲机构两端分别与第二力放大机构的输入块连接，第二力放大机构位于中心框体内，并通过Z向导向机构连接到中心框体，对压曲机构的作用力经力放大机构放大后传递给Z向压电晶块，Z向压电晶块两端分别与第二力放大机构的两输出块固连。
其中，压曲机构包括两块压曲机构连接板，Z压力作用带两端分别与压曲机构连接板连接，压曲机构连接板倾斜设于刚性Z压力作用带与第二力放大机构的输入块之间。
进一步地，所述中心框体的输出端通过X连接杆与X向第一力放大机构的输入铰链连接。
进一步地，所述X向第一力放大机构尾端通过圆形铰链与基体连接，通过圆形铰链的设置，与传统的机械运动传递方式相比，不受摩擦或间隙的影响。
进一步地，所述X向压电晶块两端通过粘合剂与所述X输出铰链、基体固连。
进一步地，所述第二力放大机构为对称桥式结构，设于中心框体的中心，且设于X向传感单元与Y向传感单元的中心，Z向压电晶块设于所述压曲机构的下方，Z向传感单元的Z向导向机构为复合平行簧片机构，复合平行簧片导向机构的一端与中心框体的内侧连接，另一端与第二力放大机构的输出块连接。
进一步地，所述导向机构为簧片型导向机构，且多个导向机构以中心框体的中心对称设置，X向与Y向导向机构间隔设于中心框体的四个角，从而有效消除X、Y两个方向的寄生耦合，保证各自方向力检测的准确性。
进一步地，所述X向压电晶块的敏感轴向为X方向，Y向压电晶块的敏感轴向为Y方向，X向压电晶块与Y向压电晶块设于基体对应的凹槽内，Y向压电晶块一端通过粘合剂与Y向第一力放大机构的输出铰链固连，另一端通过粘合剂与基体固连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的三维精密压电传感装置采用力放大机构，提高了测量系统整体的灵敏度。同时，基于压电材料的正压电效应，能实现宽频带、高灵敏度的力检测。
2.本发明提供的三维精密压电传感装置包括X向传感单元，Y向传感单元和Z向传感单元，能实现三轴的力检测，同时，X向和Y向的传感单元采用中心对称分布的簧片型导向机构，从而有效消除了X、Y两个方向的寄生耦合，保证了各自方向力检测的准确性。
3.本发明提供的装置利用柔性铰链或簧片作为运动副，通过其微变形来传递和解耦运动，与传统的机械运动传递方式相比，不受摩擦或间隙的影响，同时，传感装置主体采用一体化线切割加工，减小了装配过程中引入的间隙误差，从而保证了力检测的准确性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的左视图；
图4为本发明图2中A区视图；
图5为本发明图2中B区视图；
图6为本发明中Z向传感单元的局部视图；
图7为本发明中压曲机构的工作原理图；
图8为本发明中桥式力放大机构工作原理图；
图中：1X向传感单元，2Y向传感单元，3Z向传感单元，4基体，5粘合剂，
11X正向力作用带，12X反向力作用带，13X杠杆力放大机构，14X向压电晶块，15/16/17/18X导向机构，19中心框体，131X连接杆，132X杠杆力放大机构尾端，133X输出铰链，
21Y正向力作用带，22Y反向力作用带，23Y杠杆力放大机构，24Y向压电晶块，25/26/27/28Y导向机构，231Y连接杆，232Y杠杆力放大机构尾端，233Y输出铰链，
31Z压力作用带，32压曲机构，33桥式力放大机构，34/35/36/37Z导向机构，38Z向压电晶块，321/322压曲机构连接板，331/335桥式力放大机构输入块，332/334/336/338桥式力放大机构连接块，333/337桥式力放大机构输出块。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种三维精密压电传感装置。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，一种三维精密压电传感装置，包括基体，基体内设置X向传感单元1、Y向传感单元2和Z向传感单元3。
X向传感单元1包括分布在中心框体19左右两侧的X正向力作用带11和X反向力作用带12，力作用带呈长条状，假定X正向力作用带11受推力，中心框体19在X导向机构15/16/17/18牵引下向右运动，X导向机构15/16/17/18的一端与中心框体19连接，另一端与基体4连接，中心框体19的输出端通过X连接杆131与X杠杆力放大机构13的输入铰链连接，X杠杆力放大机构尾端132通过旋转的圆形铰链与基体4连接，经X杠杆力放大机构13放大后的被测力最终经X输出铰链133传递到X向压电晶块14上，X向压电晶块14的敏感轴向为X方向，其两端通过粘合剂5分别与X输出铰链133和基体4固连。
如图2、图5所示，Y向传感单元2包括分布在中心框体19上下两侧的Y正向力作用带21和Y反向力作用带22，假定Y正向力作用带21受推力，中心框体19在Y导向机构25/26/27/28牵引下向上运动，Y导向机构25/26/27/28的一端与中心框体19连接，另一端与基体4连接，中心框体19的输出端通过Y连接杆231与Y杠杆力放大机构23的输入铰链连接，Y杠杆力放大机构尾端232通过旋转的圆形铰链与基体4连接，经Y杠杆力放大机构23放大后的被测力最终经Y输出铰链233传递到Y向压电晶块24，Y向压电晶块24的敏感轴向为Y方向，其两端通过粘合剂5分别与Y输出铰链233和基体4固连。
如图3、图6、图7、图8所示，Z向传感单元3包括Z压力作用带31和压曲机构32，压曲机构32包括两个压曲机构连接板，两个压曲机构连接板分别设于Z压力作用带的两侧并与Z压力作用带一体化线切割加工，压曲机构32的两端也就是两个压曲机构连接板的端部通过粘合剂5分别与桥式力放大机构33的两输入块331/335固连，Z压力作用带31受压力，在压曲机构连接板321/322的作用下，桥式力放大机构输入块331/335分别受沿Y正向、Y负向的作用力，其输入块与输出块相对设置，输入块设于Y向两作用带之间，输出块设于X向两作用带之间并在Z导向机构34/35/36/37的牵引下向两侧运动，Z导向机构34/35/36/37的一端与桥式力放大机构输出块333/337连接，另一端与中心框体19连接，桥式力放大机构输入块331/335上的作用力经放大后，通过桥式力放大机构连接块332/334/336/338最终传到Z向压电晶块38，Z向压电晶块38的敏感轴向为Z方向，其两端通过粘合剂5分别与桥式力放大机构输出块333和337固连。
当三个方向压电晶块受到沿其敏感轴向的外力作用时，由于压电材料的正压电效应，在两电极上会产生极性相反的电荷，此电荷经外部的二次等效电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种三维精密压电传感装置，其特征在于，包括：
基体，基体内设有凹槽，凹槽内设置中心框体；
第一平面内传感单元，包括力作用带，第一平面内四条作用带构成中心框体，同一方向两力作用带的四端分别通过导向机构与基体各自连接，中心框体的输出端与第一力放大机构连接，对中心框体的作用力经第一力放大机构放大后传递给相应侧的压电晶块；
所述第一平面内传感单元包括：
X向传感单元，包括设于中心框体两侧的X正向作用带和X反向作用带，两作用带的四端分别设置X导向机构，X导向机构一端与基体连接，另一端与中心框体连接，中心框体的输出端与同基体连接的X向第一力放大机构连接，经X向第一力放大机构放大后的被测力最终经X输出铰链传递到X向压电晶块，
Y向传感单元，与X向传感单元方向在同一平面内，与X向传感单元相互垂直，且结构相同；
所述X向压电晶块两端通过粘合剂与所述X输出铰链、基体固连；
该装置，还包括Z向传感单元，Z向传感单元的被测力方向与第一平面垂直；
所述Z向传感单元包括Z压力作用带和压曲机构，压曲机构设于Z压力作用带的两端，压曲机构两端分别与第二力放大机构的输入块连接，第二力放大机构位于中心框体内，并通过Z向导向机构连接到中心框体，对压曲机构的作用力经力放大机构放大后传递给Z向压电晶块，Z向压电晶块两端分别与第二力放大机构的两输出块固连；
所述第二力放大机构为对称桥式结构，Z向压电晶块设于所述压曲机构的下方。
2.根据权利要求1所述的一种三维精密压电传感装置，其特征在于，所述中心框体的输出端通过X连接杆与X向第一力放大机构的输入铰链连接。
3.根据权利要求1所述的一种三维精密压电传感装置，其特征在于，所述X向第一力放大机构尾端通过圆形铰链与基体连接。
4.根据权利要求1所述的一种三维精密压电传感装置，其特征在于，所述导向机构为簧片型导向机构，且多个导向机构以中心框体的中心对称设置。
5.根据权利要求1所述的一种三维精密压电传感装置，其特征在于，所述X向压电晶块的敏感轴向为X方向，与Y向压电晶块设于基体对应的凹槽内。
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240208 Address after: Room 101, 1st Floor, Building 15, New Generation Information Technology Industrial Park, High tech Zone, Rizhao City, Shandong Province, 276801 Patentee after: Ami Precision Control Technology (Shandong) Co.,Ltd. Guo jiahuodiqu after: Zhong Guo Address before: 250061, No. ten, No. 17923, Lixia District, Ji'nan City, Shandong Province Patentee before: SHANDONG University Guo jiahuodiqu before: Zhong Guo |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240228 Address after: Room 101, 1st Floor, Building 15, New Generation Information Technology Industrial Park, High tech Zone, Rizhao City, Shandong Province, 276801 Patentee after: Ami Precision Control Technology (Shandong) Co.,Ltd. Guo jiahuodiqu after: Zhong Guo Address before: 250061, No. ten, No. 17923, Lixia District, Ji'nan City, Shandong Province Patentee before: SHANDONG University Guo jiahuodiqu before: Zhong Guo |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CI03 | Correction of invention patent |
Correction item: transfer of patent right Correct: Revoke False: Transfer Number: 09-01 Volume: 40 |
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| CI03 | Correction of invention patent |