CN1265181C - 一种压电石英片式扭矩传感器与制作工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种压电石英片式扭矩传感器与制作工艺方法属于传感与测量控制领域，该压电石英片式扭矩传感器由上盖、下壳体、扭矩测量晶组、绝缘定位环、接线柱、电极和引线组成，将扭矩测量晶组粘接在上盖和下壳体的内腔凸台中心上；其制作工艺是采用分割电极法布置电极，将一块电极分割成两个半圆形状，用两块电极和三片具有“扭转效应”的圆形YO°切型压电石英晶片组成扭矩测量晶组。该扭矩测量晶组只对扭矩敏感，而与任意方向的径向力和轴向力无关。结构简单，晶片数量少，工艺要求低，操作方便，测量精度高，适合于小扭矩测量。
Description
技术领域 本发明属于传感与测量控制领域，适用于小扭矩测量。
背景技术 工程上传统利用石英晶片的剪切效应来进行扭矩测量。它的方法是将许多对(一对为两片，一般晶片对数为6～12)能实现剪切效应的YO°切型的石英晶片均匀分布在以R为半径的分布圆上，要求每对YO°晶片的最大灵敏度方向严格与分布圆相切，电极从晶片之间引出，以实现“力×力臂”的扭矩测量方法。该种扭矩测量方法主要适用于大扭矩测量。为了保证各晶片均匀受力，要求晶片组之间有严格的等高性，晶片与壳体接触表面要有较高等级的平面度和粗糙度，使得传感器结构复杂，工艺要求高，成本高。
公开号为CN1401978A的专利提出了柱式扭矩传感器，以长石英方柱作为扭矩测量元件，采用在柱体测表面贴上检测电极来测量扭矩，见附图1。但由于石英剪切强度小，硬而脆的特点，将方柱状石英固定在晶体盒中，定位与安装都存在一定的技术困难，限制了该传感器实际应用。
发明内容 本发明的目的是发明一种压电石英片式扭矩传感器与制作工艺方法，来克服传统扭矩传感器和长方柱式扭矩传感器上述缺点及解决小扭矩测量问题，该传感器结构简单，工艺简化，成本低，操作简便，测量精度高。
本发明一种压电石英片式扭矩传感器与制作工艺方法采用技术方案：
一种压电石英片式扭矩传感器，它由下壳体1、绝缘定位环2、扭矩测量晶组、上盖4、引线6和接线柱7组成。其特征是，将扭矩测量晶组粘接在上盖4和下壳体1的内腔凸台中心上，将第二电极B、第四电极D直接接地，而把第一电极A与第三电极C并联后，经过导线6由接线柱7引出体外。绝缘定位环2紧帖在下壳体1的内腔表面，上盖4通过螺钉3与下壳体1固定在一起。
其制作工艺方法是采用分割电极法布置电极，将一块电极分割成两个半圆形状，用两块电极和三片具有“扭转效应”的圆形YO°切型压电石英晶片5组成扭矩测量晶组，当扭矩作用时，由于在每个石英晶片表面上产生非线形极化电荷，产生的极化电荷以石英的电轴为分界线，在两个半圆平面所产生的感应电量大小相等，符号相反，所以每个晶片需要两片电极来测量所产生的不同符号电荷，该扭矩测量晶组采用四片半圆电极，既第一电极A、第二电极B、第三电极C、第四电极D；将第二电极B和第四电极D连接后接地，第一电极A和第三电极C并联后直接作为传感器的输出线；制作工艺顺序是最上层晶片下表面与第一电极A第二电极B上表面牢固地胶合在一起；中间晶片的上表面与第一电极A、第二电极B下表面粘合在一起，下表面与第三电极C、第四电极D的上表面胶合在一起；下层晶片上表面与第三电极C、第四电极D的下表面胶合在一起，从而构成扭矩测量晶组；并将预紧力施加到扭矩传感器上，就可以测量了。
本发明的效果是由于采用三片具有“扭转效应”的YO°切型压电石英晶片作为扭矩测量晶组，该扭矩测量晶组只对扭矩敏感，而与任意方向的径向力和轴向力无关。所以，该传感器具有结构简单，晶片数量少，工艺要求低，测量容易、方便，测量精度高等优点，而且能够消除向间干扰，适合于小扭矩测量。
附图说明 附图1是方柱式传感器的晶柱结构与电极布置图，其中：I、II、III、IV-电极片，V-石英晶柱，X、Y、Z-坐标轴系。
附图2是传感器结构主剖视图，其中：1-下壳体，2-绝缘定位环导线，3-预紧螺钉，4-上盖，5-压电石英晶片，6-导线，7-接线柱，A-第一电极，B-第二电极，C-第三电极，D-第四电极。
附图3是压电石英晶片扭矩测量晶组电极与晶片布置图，其中：5-压电石英晶片，6-导线，A-第一电极，B-第二电极，C-第三电极，D-第四电极。
附图4是扭矩测量晶组中电极形状图，其中：A-第一电极，B-第二电极。
具体实施方式 下面结合附图详细说明本发明的实施，首先组装扭矩测量晶组。具体方法是采用三片具有“扭转效应”的圆形YO°切型压电石英晶片作为扭矩测量晶组，最上层晶片下表面与第一电极A、第二电极B上表面牢固地胶合在一起；中间晶片的上表面与第一电极A、第二电极B下表面粘合在一起，下表面与第三电极C、第四电极D的上表面胶合在一起；下层晶片上表面与第三电极C、第四电极D的下表面胶合在一起，使整个晶组构成一体。然后将扭矩测量晶组帖接在上盖4和下壳体1的内腔凸台中心上，通过螺钉3固定上盖4与下壳体1并将将预紧力施加到扭矩晶组上，组建成扭矩传感器。该扭矩测量晶组只对扭矩敏感，这是因为当有径向力作用时，在第一电极A和第三电极C上所产生的电荷大小相等符号相反，并联后传感器的输出为零。轴向力消除是靠YO°切型本身保证的，因为根据压电理论，YO°晶片在受到轴向力时在晶片表面不产生极化电荷。
在扭矩测量时，首先将传感器通过下壳体1上的螺纹孔固定于工作台上，将工件通过上盖4上的螺纹孔与传感器连为一体。当有扭矩作用在工件上时，扭矩由传感器的上盖4通过摩擦力传递到扭矩晶组。在晶片表面上产生束缚电荷，产生电荷表面与扭矩作用表面共面。束缚电荷由第一电极A、第二电极B、第三电极C、第四电极D引出，假定在第一电极A、第三电极C产生负电荷，则在第二电极B、第四电极D产生正电荷，见附图2。将第二电极B、第四电极D直接接地，而把第一电极A与第三电极C并联后，经过导线6由接线柱7引出，再经电荷放大器将电荷量转换为电压量，由数字电压表直接读出，根据扭矩与电压成线形关系，就可算出扭矩大小。
Claims (2)
1、一种压电石英片式扭矩传感器，它由下壳体[1]、绝缘定位环[2]、扭矩测量晶组、上盖[4]、引线[6]和接线柱[7]组成，其特征是将扭矩测量晶组粘接在上盖[4]和下壳体[1]的内腔凸台中心上，将第二电极[B]、第四电极[D]直接接地，而把第一电极[A]与第三电极[C]并联后，经过导线[6]由接线柱[7]引出体外，绝缘定位环[2]紧帖在下壳体[1]的内腔表面，上盖[4]通过螺钉[3]与下壳体[1]固定在一起。
2、如权利要求1所述的一种压电石英片式扭矩传感器的制作工艺方法，其制作工艺方法的特征是采用分割电极法布置电极，将一块电极分割成两个半圆形状，用两块电极和三片具有“扭转效应”的圆形YO0切型压电石英晶片[5]组成扭矩测量晶组，当扭矩作用时，由于在每个石英晶片表面上产生非线形极化电荷，产生的极化电荷以石英的电轴为分界线，在两个半圆平面所产生的感应电量大小相等，符号相反，所以每个晶片需要两片电极来测量所产生的不同符号电荷，该扭矩测量晶组采用四片半圆电极，即第一电极[A]、第二电极[B]、第三电极[C]、第四电极[D]；将第二电极[B]和第四电极[D]连接后接地，第一电极[A]和第三电极[C]并联后直接作为传感器的输出线；制作工艺顺序是最上层晶片下表面与第一电极[A]、第二电极[B]上表面牢固地胶合在一起；中间晶片的上表面与第一电极[A]、第二电极[B]下表面粘合在一起，下表面与第三电极[C]、第四电极[D]的上表面胶合在一起；下层晶片上表面与电极第三电极[C]、第四电极[D]的下表面胶合在一起，从而构成扭矩测量晶组；将预紧力施加到扭矩传感器上，就可以测量了。
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