CN110887587A - 一种大量程压电薄膜三维力传感器及其测量方法 - 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及其测量方法,属于传感器及其测控技术领域。结构包括螺钉,压电薄膜组,上盖,壳体。当传感器上盖受到空间力(F x 、F y 、F z )作用时,压电薄膜组中的上层压电薄膜直接测量F z ,中层(下层)的压电薄膜通过将作用于压电薄膜组的弯矩载荷M y (M x )转化为作用于传感器上盖的F y (F x ),第二电极片(第四电极片)和第三电极片(第五电极片)输出大小相等方向相反的电荷,经过电荷放大,D/A转换及数据采集分析,将电荷转换为电压,进而间接测量F y (F x );本发明可实现对瞬变、强冲击、高动态响应和大量程三维力的测量。
Description
技术领域
本发明属于传感器及其测控技术领域,特别涉及瞬变、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一种大量程压电薄膜三维力传感器及其测量方法。
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。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。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。
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。
为解决传感器瞬变、强冲击和高动态响应特性难题,需要研究一种新型结构形式大量程压电薄膜三维力传感器及其测量方法。
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及其测量方法。通过多组压电薄膜组合测量,实现瞬变、强冲击和高动态响应。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:一种大量程压电薄膜三维力传感器及其测量方法,其特征在于,结构包括螺钉1,压电薄膜组2,上盖3,壳体4。所述压电薄膜组2由绝缘膜5,压电薄膜6,接地电极片7,第一电极片8,第二电极片9,第三电极片10,第四电极片11,第五电极片12组成;所述最上层压电薄膜6的接地电极片7和第一电极片8均是完整的,中间一层压电薄膜6的接地电极片7是完整的,第二电极片9和第三电极片10沿Y方向呈对称分布,下层压电薄膜的接地电极片7是完整的,第四电极片11和第五电极片12沿X方向呈对称分布,第二电极片9与第四电极片11垂直,第三电极片10与第五电极片12垂直,所述绝缘膜5比压电薄膜6略大,起绝缘保护作用;所述壳体4左右两侧开有供导线通过的导线孔15,导线孔15为通孔,供导线通过,与导线孔15接触的为第一凹槽16,壳体4中间布置有圆形凸台17,用于放置压电薄膜组,压电薄膜组下表面14与凸台17接触,凸台17中间为供顶料杆通过的第一通孔18,壳体4上方的第二通孔19,用以固定壳体4,壳体4的第一分载面20与上盖下表面26接触,壳体4的第二分载面21与上盖的第三分载面28接触,压电薄膜组上表面13与上盖的第三分载面28接触,壳体下表面24均匀布置有4个阶梯孔25,用以固定螺钉1;所述上盖3的中心开有第三通孔27供顶料杆通过,四周布置有螺纹孔29,第二凹槽23与上盖3侧面接触;所述4个螺钉1穿过阶梯孔25和螺纹孔29将上盖3、压电薄膜组2、壳体4安装在一起,4个螺钉1用于调整压电薄膜组4预紧力的大小,4个螺钉1不能高出壳体下表面24和上盖上表面30;本发明用于测量大量程瞬变强冲击载荷。
作为对本技术方案的进一步限定,所述测量方法为当传感器上盖3受到空间力F x 、F y 、F z 作用时,压电薄膜组2的拉压效应将作用力以相对应的电荷量的形式通过导线输出,其中,压电薄膜组2中的上层压电薄膜6直接测量F z ,中层的压电薄膜6通过将作用于压电薄膜组2的弯矩载荷M y 转化为作用于传感器上盖3的F y ,第二电极片9和第三电极片10输出大小相等方向相反的电荷,经过电荷放大,D/A转换及数据采集分析,将电荷转换为电压,进而间接测量F y ,下层的压电薄膜6通过将作用于压电薄膜组2的弯矩载荷M x 转化为作用于传感器上盖3的F x ,第四电极片11和第五电极片12输出大小相等方向相反的电荷,经过电荷放大,D/A转换及数据采集分析,将电荷转换为电压,进而间接测量F x 。
作为对本技术方案的进一步限定,所述上层压电薄膜6共2个输出引脚,规定接地电极片7接地,第一电极片8输出电荷信号,用来测量F z ,中层压电薄膜6共3个输出引脚,规定接地电极片7接地,第二电极片9和第三电极片10输出电荷信号,用来测量F y ,下层压电薄膜6共3个输出引脚,规定接地电极片7接地,第四电极片11和第五电极片12输出电荷信号,用来测量F x 。
作为对本技术方案的进一步限定,所述接地电极片7的引脚合成1根线进行接地处理,接地电极片7的引脚与第一电极片8和第五电极片12的引脚位于传感器同一侧,在同侧导线孔15输出3根线,第二电极片9、第三电极片10和第四电极片11的引脚导线在另一侧导线孔15输出。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果是:
1本发明的一种大量程压电薄膜三维力传感器采用上盖和壳体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本发明的一种大量程压电薄膜三维力传感器通过压电薄膜组,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本发明的一种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;
4本发明的一种大量程压电薄膜三维力传感器测量方法是通过对弯矩载荷反向求解单向载荷,属于间接测量方法,测量结果更为精确。
附图说明
图1为本发明优选实施例的整体装配图。
图2为本发明优选实施例的压电薄膜组结构示意图。
图3为本发明优选实施例的壳体轴侧图。
图4为本发明优选实施例的上盖轴侧图。
图5为本发明优选实施例的测量方法原理图。
图中:1螺钉,2压电薄膜组,3上盖,4壳体,5绝缘膜,6压电薄膜,7接地电极片,8第一电极片,9第二电极片,10第三电极片,11第四电极片,12第五电极片,13压电薄膜组上表面,14压电薄膜组下表面,15导线孔,16第一凹槽,17凸台,18第一通孔,19第二通孔,20第一分载面,21第二分载面,22壳体上表面,23第二凹槽,24壳体下表面,25阶梯孔,26上盖下表面,27第三通孔,28第三分载面,29螺纹孔,30上盖上表面。
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至图5所示,结构包括螺钉1,压电薄膜组2,上盖3,壳体4。所述压电薄膜组2由绝缘膜5,压电薄膜6,接地电极片7,第一电极片8,第二电极片9,第三电极片10,第四电极片11,第五电极片12组成。
所述最上层压电薄膜6的接地电极片7和第一电极片8均是完整的,中间一层压电薄膜6的接地电极片7是完整的,第二电极片9和第三电极片10沿Y方向呈对称分布,下层压电薄膜的接地电极片7是完整的,第四电极片11和第五电极片12沿X方向呈对称分布,第二电极片9与第四电极片11垂直,第三电极片10与第五电极片12垂直,所述绝缘膜5比压电薄膜6略大,起绝缘保护作用。
所述壳体4左右两侧开有供导线通过的导线孔15,导线孔15为通孔,与导线孔15接触的为第一凹槽16,供导线通过,壳体4中间布置有圆形凸台17,用于放置压电薄膜组,压电薄膜组下表面14与凸台17接触,凸台17中间为供顶料杆通过的第一通孔18,壳体4上方的第二通孔19,用以固定壳体4,壳体4的第一分载面20与上盖下表面26接触,壳体4的第二分载面21与上盖的第三分载面28接触,压电薄膜组上表面13与上盖的第三分载面28接触,壳体下表面24均匀布置有4个阶梯孔25,用以固定螺钉1。
所述上盖3的中心开有第三通孔27供顶料杆通过,四周布置有螺纹孔29,第二凹槽23与上盖3侧面接触。
所述4个螺钉1穿过阶梯孔25和螺纹孔29将上盖3、压电薄膜组2、壳体4安装在一起,4个螺钉1用于调整压电薄膜组4预紧力的大小,4个螺钉1不能高出壳体下表面24和上盖上表面30;本发明用于测量大量程瞬变强冲击载荷。
本发明工作原理为:
所述测量方法为当传感器上盖3受到空间力F x 、F y 、F z 作用时,压电薄膜组2的拉压效应将作用力以相对应的电荷量的形式通过导线输出,其中,压电薄膜组2中的上层压电薄膜6直接测量F z ,中层的压电薄膜6通过将作用于压电薄膜组2的弯矩载荷M y 转化为作用于传感器上盖3的F y ,第二电极片9和第三电极片10输出大小相等方向相反的电荷,经过电荷放大,D/A转换及数据采集分析,将电荷转换为电压,进而间接测量F y ,下层的压电薄膜6通过将作用于压电薄膜组2的弯矩载荷M x 转化为作用于传感器上盖3的F x ,第四电极片11和第五电极片12输出大小相等方向相反的电荷,经过电荷放大,D/A转换及数据采集分析,将电荷转换为电压,进而间接测量F x 。所述上层压电薄膜6共2个输出引脚,规定接地电极片7接地,第一电极片8输出电荷信号,用来测量F z ,中层压电薄膜6共3个输出引脚,规定接地电极片7接地,第二电极片9和第三电极片10输出电荷信号,用来测量F y ,下层压电薄膜6共3个输出引脚,规定接地电极片7接地,第四电极片11和第五电极片12输出电荷信号,用来测量F x 。
所述接地电极片7的引脚合成1根线进行接地处理,接地电极片7的引脚与第一电极片8和第五电极片12的引脚位于传感器同一侧,在同侧导线孔15输出3根线,第二电极片9、第三电极片10和第四电极片11的引脚导线在另一侧导线孔15输出。
所述第一电极片8输出的电荷量为Q 1,第二电极片9输出的电荷量为Q 2,第三电极片10输出的电荷量为Q 3,第四电极片11输出的电荷量为Q 4,第五电极片12输出的电荷量为Q 5,则传感器实现F x 、F y 、F z 三维力测量的具体方法如下:,其中d 33为压电常数式中,r为压电薄膜组2中心到凸台17中心的距离,h为上盖上表面30到压电薄膜组下表面14的垂直距离。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种大量程压电薄膜三维力传感器及其测量方法,其特征在于,结构包括螺钉(1),压电薄膜组(2),上盖(3),壳体(4);所述压电薄膜组(2)由绝缘膜(5),压电薄膜(6),接地电极片(7),第一电极片(8),第二电极片(9),第三电极片(10),第四电极片(11),第五电极片(12)组成;所述最上层压电薄膜(6)的接地电极片(7)和第一电极片(8)均是完整的,中间一层压电薄膜(6)的接地电极片(7)是完整的,第二电极片(9)和第三电极片(10)沿Y方向呈对称分布,下层压电薄膜的接地电极片(7)是完整的,第四电极片(11)和第五电极片(12)沿X方向呈对称分布,第二电极片(9)与第四电极片(11)垂直,第三电极片(10)与第五电极片(12)垂直,所述绝缘膜(5)比压电薄膜(6)略大,起绝缘保护作用;所述壳体(4)左右两侧开有供导线通过的导线孔(15),导线孔(15)为通孔,供导线通过,与导线孔(15)接触的为第一凹槽(16),壳体(4)中间布置有圆形凸台(17),用于放置压电薄膜组,压电薄膜组下表面(14)与凸台(17)接触,凸台(17)中间为供顶料杆通过的第一通孔(18),壳体(4)上方的第二通孔(19),用以固定壳体(4),壳体(4)的第一分载面(20)与上盖下表面(26)接触,壳体(4)的第二分载面(21)与上盖的第三分载面(28)接触,压电薄膜组上表面(13)与上盖的第三分载面(28)接触,壳体下表面(24)均匀布置有4个阶梯孔(25),用以固定螺钉(1);所述上盖(3)的中心开有第三通孔(27)供顶料杆通过,四周布置有螺纹孔(29),第二凹槽(23)与上盖(3)侧面接触;所述4个螺钉(1)穿过阶梯孔(25)和螺纹孔(29)将上盖(3)、压电薄膜组(2)、壳体(4)安装在一起,4个螺钉(1)用于调整压电薄膜组(4)预紧力的大小,4个螺钉(1)不能高出壳体下表面(24)和上盖上表面(30);本发明可实现对瞬变、强冲击、高动态响应和大量程三维力的测量。
2.根据权利要求1所述一种大量程压电薄膜三维力传感器及其测量方法,其特征是,所述测量方法为当传感器上盖(3)受到空间力(F x 、F y 、F z )作用时,压电薄膜组(2)的拉压效应将作用力以相对应的电荷量的形式通过导线输出,其中,压电薄膜组(2)中的上层压电薄膜(6)直接测量F z ,中层的压电薄膜(6)通过将作用于压电薄膜组(2)的弯矩载荷M y 转化为作用于传感器上盖(3)的F y ,第二电极片(9)和第三电极片(10)输出大小相等方向相反的电荷,经过电荷放大,D/A转换及数据采集分析,将电荷转换为电压,进而间接测量F y ,下层的压电薄膜(6)通过将作用于压电薄膜组(2)的弯矩载荷M x 转化为作用于传感器上盖(3)的F x ,第四电极片(11)和第五电极片(12)输出大小相等方向相反的电荷,经过电荷放大,D/A转换及数据采集分析,将电荷转换为电压,进而间接测量F x ;所述上层压电薄膜(6)共2个输出引脚,规定接地电极片(7)接地,第一电极片(8)输出电荷信号,用来测量F z ,中层压电薄膜(6)共3个输出引脚,规定接地电极片(7)接地,第二电极片(9)和第三电极片(10)输出电荷信号,用来测量F y ,下层压电薄膜(6)共3个输出引脚,规定接地电极片(7)接地,第四电极片(11)和第五电极片(12)输出电荷信号,用来测量F x ;所述接地电极片(7)的引脚合成1根线进行接地处理,接地电极片(7)的引脚与第一电极片(8)和第五电极片(12)的引脚位于传感器同一侧,在同侧导线孔(15)输出3根线,第二电极片(9)、第三电极片(10)和第四电极片(11)的引脚导线在另一侧导线孔(15)输出;假设第一电极片(8)输出的电荷量为Q 1,第二电极片(9)输出的电荷量为Q 2,第三电极片(10)输出的电荷量为Q 3,第四电极片(11)输出的电荷量为Q 4,第五电极片(12)输出的电荷量为Q 5,则传感器实现F x 、F y 、F z 三维力测量的具体方法如下:,其中d 33为压电常数式中,r为压电薄膜组(2)中心到凸台(17)中心的距离,h为上盖上表面(30)到压电薄膜组下表面(14)的垂直距离。
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