CN2100029U

CN2100029U - 压电陶瓷力发生装置

Info

Publication number: CN2100029U
Application number: CN 91224762
Authority: CN
Inventors: 张学成; 唐可洪; 初阳; 吴家范; 李湘多
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-07
Filing date: 1991-09-07
Publication date: 1992-03-25

Abstract

本实用新型涉及一种压电陶瓷力发生装置，特别实用于各种试验机上。其特点是利用压电陶瓷材料的“逆压电效应”，将其制成片状叠在一起，并固定在上下底座上，每片之间由金属箔隔开用作电极，并用导线引出接控制系统，采用控制系统，该力发生装置对外输出精确力值，本方案即可独立使用，也可以与机械式或液压式结合使用，具有结构简单，容易自动控制，力值调节精度高，造价低等优点。

Description

本实用新型涉及各种力发生装置（力源），特别是用于各种试验机，尤其是用于叠加式力标准机上的力发生装置。

目前，现有的力源力值的产生与控制主要有三种方式：一种是重力式，即用计量重力砝码对被施力物体施加载荷；二是液压式，即利用液压传动原理，通过控制密闭容器里的液体的压力大小实现对被施加力物体施加载荷；三是机械式，他是利用各种机构，如丝杠螺母副，通过控制机构的位移变形实现对被施加力物体施加载荷。重力式力源，由于标准砝码精度可以很高，故其施力精度可以很高。目前力基准机构为重力式，或用重力砝码与液压放大相结合的形式，但其缺点是造价昂贵，大力值时体积就庞大，使用不便，而且不能无级施加力值。纯液压式力源，体积小、操作方便，与重力式比较，造价低，为目前各种试验机的主要力源形式，但由于受液压系统的泄漏、机械摩擦、液压油的物理化学性质所限，液压系统的压力值难以准确控制。并且难以保持某个压力值恒定，故不易实现自动控制，难以提高力值精度。机械式力源较液压式造价低，容易实现自动控制。但由于受机械结构摩擦，材料性能，环境，接触面刚度，控制系统性能等影响，传力系统的弹性位移（变形）难以控制的很精确，故影响了其力值精度的提高。现有的力源方式之所以难以精确控制对被施力物体施加的力值并保持其恒定，其关键是难以实现使传力系统产生足以达到力值精度的微量变型并对其进行控制。例如对－C级称重传感器，分度数为5000，对其施力载荷，每个读数需要的变形约为0.04μm。

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的主要缺点，提供一种容易精确产生微量变形并容易控制施加力值的技术方案，以获得高精度力值并使其造价明显降低。

上述目的是通过这样的技术方案实现的：根据物理学中的“逆压电效应”原理，用具有这种特性的材料——压电陶瓷制作成压力陶瓷力发生装置（7），其特殊之处是它主要由上底座（17），下底座（9），压电陶瓷片（14），绝缘防潮层（11），金属薄（12），护罩（15）组成，压电陶瓷片（14）轴向极化后叠在一起，构成至少一组的陶瓷片组，每组陶瓷片至少由一片构成，并固定在上底座（17）和下底座（9）之间，每片压电陶瓷片（14）之间由金属薄（12）隔开用作电报，并用导线（10）引出，压电陶瓷片（14）的外围涂有绝缘防潮层（11），护罩（15）置于压电陶瓷片（14）的外围。

上述的压电陶瓷片（14）可以采用这样的结构，其中间穿孔，通过穿入的螺钉固定在上底座（17）和下底座（9）之间，它们之间用绝缘套隔离。

上述的压电陶瓷力发生装置（7）与测力传感器串联固定，并且受力中心线一致，它们一起置于工作机器传力系统中相互平行的底座（1）和横梁（8）之间，力的作用面作用于被施力物体（4）上，传力系统和被施力物体（4）的安装不应使压电陶瓷力发生装置（7）和测力传感器受侧向载荷。

本实用新型提供的压电陶瓷力发生装置（7），只要将其置于传力系统的适当位置（如图1所示），运用微电子和计算机控制技术制成一控制装置，用以产生和控制压电陶瓷力发生装置的外电场电压，并利用力传感器进行力值闭环控制和进行数据处理与输出。将该控制器与传力系统的相应器件连接。通过它对压电陶瓷力发生装置施加受控制的外加电场，则该装置在外电场作用下产生轴向微量变形，作用于被施加物体上对其施加力值。根据力传感器的力值测量信号，精确控制外加电场电压，即可实现对被施加力值的精确控制和调节。

下面结合附图给出的实施例进一步说明上述技术方案。

图1为利用本实用新型的工作机器——叠加式力标准机结构原理示意图。机械式粗力源（2）置于机器的底座（1）的下部，其上依次装有被施力物座（3），被施力物体（即被测传感器）（4），标准力传感器（6），压电陶瓷力发生装置（7），以及横梁（8），横梁（8）与底座（1）通过立柱（5）固定联接。被施力物体力中心线与压电陶瓷力发生装置和标准传感器受力中心线应一致，机器的底座与横梁应保持平行。该装置的工作过程是，当施加力值需要较大的位移时，可以采用机械的或液压的方式作为粗力源施加载荷，当接近标准值时，改用压电陶瓷力发生装置进行力值精确调节，此过程可以采用自动或手动或两者结合进行控制。

图2为装在试验机上的压电陶瓷力发生装置的一种结构示意图。它主要由14片压电陶瓷片（14）组成，其中间穿孔，通过螺钉（16）将其固定在上底座（17）和下底座（9）上，并用绝缘套（13）将螺钉（16）与压电陶瓷片（14）隔离，每片压电陶瓷片（14）之间用金属薄（12）隔开以用作电极，并用导线（10）引出接控制系统，在压电陶瓷片的外围涂有防潮绝缘层（11），并用护罩（15）将整个装置罩上。压电陶瓷片的数量、厚度、结构形状取决于力值调节的大小和使用要求，并与外电场电压和材料性能参数有关。

图3为力值自动控制过程方框图。将标准力值输入到微处理器中去，由标准力传感器来的力值信号，经测量仪表送入微处理器，微处理器经运算和与标准力值比较，如果实际力值低于标准值，则微处理器发出控制命令，经功率放大后，提高作用于压电陶瓷片上的电压，使其变形增加，固而力值增大。反之，微处理即控制使压电陶瓷变形减小，被控制力值可以显示和打印输出。

与现有力源和力值控制装置比较，本实用新型具有以下优点：

1、压电陶瓷力发生装置直接作用于被施力物体上，没有外部机械摩擦；

2、压电陶瓷片的变形在机械结构和材料性能一定的情况下，取决于外电场的电压，其最小变形是其它方式难以达到的，因而其施力精度高于机械的或液压的方式；

3、运用微电子和微机控制技术可以使施加于压电陶瓷片上的电压调节非常灵敏和稳定，因而可以使力位调节灵敏度极高，并且很稳定。力值调节精度取决于力传感器和测量仪表；

4、压电陶瓷的变形响应快，易于控制，因此，较容易实现力值的补偿和跟踪，可使力值长期维持恒定值。配以外设可以方便地进行自动数据处理；

5、由于结构简单，控制和使用方便，可以免于采用机械的或液压的施力方式，为提高精度和实现自控而不得不提高加工精度，采用复杂的昂贵的控制系统和液压装置，因而设备造价低，与其它形式的力源配合使用，可以获得很宽的力调节范围。

本实用新型不仅可以用作新设计机器的力源方案，以获得高精度，降低造价，提高使用可靠性和方便性，提高生产率，也可以作为现有工作机器的附加装置，用以提高工作精度和实现力值自动跟踪控制，并进行自动数据处理。本实用新型对于测力传感器生产中大量使用的叠加式力标准机更为运用。

Claims

1、一种压电陶瓷力发生装置(7)，其特征是它主要由上底座(17)、下底座(9)，压电陶瓷片(14)绝缘防潮层(11)，金属薄(12)，护罩(15)组成，压电陶瓷片(14)轴向极化后，叠在一起，构成至少一组的陶瓷片组，每组陶瓷片至少由一片构成，并固定在上底座(17)和下底座(9)之间，每片压电陶瓷片(14)之间由金属薄(12)隔开用作电极，并用导线(10)引出，压电陶瓷片(14)的外围涂有绝缘防潮层(11)，护罩(15)置于压电陶瓷片(14)的外围。

2、按权利要求1所述的一种压电陶瓷力发生装置（7），其特征是所说的压电陶瓷片（14）中间穿孔，通过穿入的螺钉固定在上底座（17）和下底座（9）之间，它们之间用绝缘套（13）隔离。

3、按权利要求1所述的一种压电陶瓷力发生装置（7），其特征是它与测力传感器串联固定，并且受力中心线一致，它们一起置于工作机器传力系统中相互平行的底座（1）和横梁（8）之间，力的作用面作用于被施力物体（4）上，传力系统和被施力物体（4）的安装不应使压电陶瓷力发生装置（7）和测力传感器受侧向载荷。