CN213600271U - 一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器，属于传感器及其测控技术领域。结构包括壳体，立柱组，下盖板，压电薄膜，上盖板，上盖，螺钉，压电膜组。压电薄膜均贴敷在传感器表面，利用压电薄膜的应变对三维力进行测量。当传感器上盖受到三维空间力（Fx、Fy、Fz）作用时，压电薄膜直接测量Fz，压电膜组中的压电薄膜呈对称分布粘贴在立柱组中的立柱上，通过对称结构消去Fz的影响，进而测量Fy、Fx；本实用新型不仅可实现对强冲击、瞬变、高动态响应和大量程三维力的测量，而且可以解决多维力的耦合问题。

Description

一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器

技术领域

本实用新型属于传感器及其测控技术领域，特别涉及载荷信号瞬变、重载和高动态响应特性要求的装置（尤其涉及到冷锻压装置，如：钢球冷锻机）测量空间大量程冲击载荷用的一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器。

背景技术

冷镦设备适用于批量大、各类规格的标准件，具有性能可靠、高效率、冲击载荷大、产品质量稳定等特点，其生产率可以达到每分钟几百粒，因此冷镦力的检测设备不但需要大量程，而且需要快速响应能力和高动态响应能力。检测能力的匮乏制约着我国冷锻压行业的发展，目前国内外的检测方法主要分为压电式和电阻应变式两种。传统的电阻应变式传感器虽然测量精度高，但是不能满足高动态响应要求，需要对其进行动态补偿。压电式传感器具有稳定性好、上升时间短、固有频率高、动态响应特性好等特点，是目前唯一适合直接进行动态测量的传感器。

中国专利201911389906.6公布了一种大量程压电薄膜三维力传感器及其测量方法，其结构包括上盖、螺钉、压电薄膜组和壳体，适用于空间大量程载荷的动态测量，具有刚性好、灵敏度高、操作方便等优点，但是其测量电压过大，压电膜组结构较为复杂。中国专利201110410811.5公布了一种压电薄膜力传感器，其结构包括PVDF压电薄膜、密封圈、预紧螺钉、连接螺钉和上下盖，适用于冷锻压装置空间冲击载荷的测量，具有结构简单、适用范围广泛、高力—电转换效率等优点，但是其只能测量单向冲击载荷且无法解决多维力耦合问题。中国专利201810794105.7公布了一种基于PVDF的三维指尖力传感器及其测力方法，从上至下依次由四棱台、指尖卡槽、压电薄膜和传感器基座组成，其四棱台上表面为传感器和指尖的接触区域，由于其表面贴合采用了橡胶作为贴合材料，可以有效减小机械手指对玻璃等易碎品等的冲击，便于进行抓取，可以有效测量三维力信息，但是其量程过小，且无法解决多维力耦合问题。中国专利201820892981.9公布了一种直接测量端子压接力的力传感器，从上至下依次由上盖、电路板、压电薄膜、下盖组成，能够直接且有效测量端子的压接力并有效避免振动干扰，还具有防污防尘的功能。但是其结构无法对载荷进行有效分载且量程较小、只能测量单向载荷。

发明内容

本实用新型目的在于克服上述压电薄膜力传感器的缺陷，提供一种强冲击、瞬态、多维动态测量（尤其涉及到冷锻压装置）使用的组合式自解耦压电薄膜三维力传感器。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器，其特征在于，结构包括壳体1，立柱组2，下盖板3，压电薄膜4，上盖板5，上盖6，上盖螺钉7，上盖板螺钉8，下盖板螺钉9，压电膜组10，壳体螺钉11组成；所述壳体1中壳体下表面a对称布置有4个壳体沉头孔12和壳体安装固定螺纹孔13，中间开有壳体通孔15，侧表面b对称开有4个导线通孔14；所述立柱组2由中间立柱16，第一立柱18、第二立柱20、第三立柱23、第四立柱25组成，所述压电膜组10由第一压电薄膜17、第二压电薄膜19、第三压电薄膜22、第四压电薄膜24组成，所述第二压电薄膜19和第四压电薄膜24沿X方向呈对称分布分别粘贴在第二立柱表面d和第四立柱表面h上，所述第一压电薄膜17和第三压电薄膜22沿Y方向呈对称分布分别粘贴在第一立柱表面c和第三立柱表面g上，所述中间立柱16用于分载压力，所述立柱上表面e均开有螺纹孔26，中间立柱上表面f开有立柱通孔21，通过4个壳体螺钉11将立柱组2和壳体1连接；所述下盖板3上表面i上开有矩形下盖凹槽27，对称布置有4个下盖板螺纹孔28和4个下盖板矩形凹槽29，每个下盖板矩形凹槽下表面j上均开有下盖板沉头孔30，矩形下盖凹槽27中间开有下盖凹槽通孔31；所述下盖板下表面k上均匀布置有5个正方形凹槽32，用于放置立柱组2，通过4个下盖板螺钉9将下盖板3、立柱组2连接；所述上盖板5下表面l上对称布置有4个上盖板沉头孔33和4个上盖板矩形凹槽35，开有矩形上盖板凹槽34，每个上盖板矩形凹槽上表面m上均开有上盖板螺纹孔36，压电薄膜4粘贴在矩形上盖板凹槽上表面n上，矩形上盖板凹槽上表面n中间开有上盖板通孔37，通过4个上盖板螺钉8将上盖板5和下盖板3连接；所述上盖上表面o上对称布置有4个上盖沉头孔38和4个上盖安装固定螺纹孔39，上盖上表面o中间开有上盖通孔40，通过4个上盖螺钉7将上盖6和上盖板5连接。

作为对本技术方案的进一步限定，所述下盖板3和上盖板5分别设有配合使用的矩形下盖凹槽27和矩形上盖板凹槽34，用于放置压电薄膜4，下盖板3和上盖板5分别设有4个对称布置配合使用的下盖板矩形凹槽29和上盖板矩形凹槽35，用于导线通过，所述壳体1设有4个对称布置的导线通孔14，用于导线通过。

作为对本技术方案的进一步限定，所述压电薄膜4与矩形上盖板凹槽上表面n接触。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：

1本实用新型的一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器采用基于面域分割原理的并联分载式结构形式，具有耦合系数小、大量程、高刚度、高灵敏度、高分辨率、高稳定性、高固有频率、高力－电转换效率的特点；

2本实用新型的一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器通过5片压电薄膜贴敷在传感器不同的表面，利用压电薄膜的应变对三维力进行测量，避免了直接受载造成测量电压过大的现象，使用压电薄膜直接测量Fz，通过对称结构消去Fz的影响，进而测量Fx、Fy，测量结果不仅更加精确而且能够动态测量出强冲击载荷和三维瞬变载荷的方向和大小；

3本实用新型的一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器不仅可用于钢球冷锻机冷模锻工艺中强冲击重载测量，而且可用于锻压机械、锻造机械、冲床、冲锤等重载设备中冷镦、冲压等成形加工工艺的强冲击载荷和三维瞬变载荷的测量，更可以作为在线三维力监测模块使用在其他装置上或者作为反馈元件使用在控制系统中，用途十分广泛；

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的整体结构示意图。

图2为本实用新型优选实施例的壳体轴侧图。

图3为本实用新型优选实施例的立柱组轴侧图。

图4为本实用新型优选实施例的下盖板轴侧图a。

图5为本实用新型优选实施例的下盖板轴侧图b。

图6为本实用新型优选实施例的上盖板轴侧图。

图7为本实用新型优选实施例的上盖轴侧图。

图中标号：壳体1、立柱组2、下盖板3、压电薄膜4、上盖板5、上盖6、上盖螺钉7、上盖板螺钉8、下盖板螺钉9、压电膜组10、壳体螺钉11、壳体沉头孔12、壳体安装固定螺纹孔13、导线通孔14、壳体通孔15、中间立柱16、第一压电薄膜17、第一立柱18、第二压电薄膜19、第二立柱20、第三压电薄膜22、第三立柱23、第四压电薄膜24、第四立柱25、螺纹孔26、立柱通孔21、矩形下盖凹槽27、下盖板螺纹孔28、下盖板矩形凹槽29、下盖板沉头孔30、下盖凹槽通孔31、正方形凹槽32、上盖板沉头孔33、矩形上盖板凹槽34、上盖板矩形凹槽35、上盖板螺纹孔36、上盖板通孔37、上盖沉头孔38、上盖安装固定螺纹孔39、上盖通孔40。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本实用新型作更进一步的详细描述。

如图1所示，结构包括壳体1，立柱组2，下盖板3，压电薄膜4，上盖板5，上盖6，上盖螺钉7，上盖板螺钉8，下盖板螺钉9，压电膜组10，壳体螺钉11。

所述4个壳体螺钉11将立柱组2和壳体1连接，4个下盖板螺钉9将下盖板3、立柱组2连接，4个上盖板螺钉8将上盖板5和下盖板3连接，4个上盖螺钉7将上盖6和上盖板5连接。

所述下盖板3和上盖板5分别设有配合使用的矩形下盖凹槽27和矩形上盖板凹槽34，用于放置压电薄膜4，下盖板3和上盖板5分别设有4个对称布置配合使用的下盖板矩形凹槽29和上盖板矩形凹槽35，用于导线通过，壳体1设有4个对称布置的导线通孔14，用于导线通过。

上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也不限于上述举例。以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器，其特征在于，结构包括壳体（1），立柱组（2），下盖板（3），压电薄膜（4），上盖板（5），上盖（6），上盖螺钉（7），上盖板螺钉（8），下盖板螺钉（9），压电膜组（10），壳体螺钉（11）组成；所述壳体（1）中壳体下表面（a）对称布置有4个壳体沉头孔（12）和壳体安装固定螺纹孔（13），中间开有壳体通孔（15），侧表面（b）对称开有4个导线通孔（14）；所述立柱组（2）由中间立柱（16），第一立柱（18）、第二立柱（20）、第三立柱（23）、第四立柱（25）组成，所述压电膜组（10）由第一压电薄膜（17）、第二压电薄膜（19）、第三压电薄膜（22）、第四压电薄膜（24）组成，所述第二压电薄膜（19）和第四压电薄膜（24）沿X方向呈对称分布分别粘贴在第二立柱表面（d）和第四立柱表面（h）上，所述第一压电薄膜（17）和第三压电薄膜（22）沿Y方向呈对称分布分别粘贴在第一立柱表面（c）和第三立柱表面（g）上，所述中间立柱（16）用于分载压力，所述立柱上表面（e）均开有螺纹孔（26），中间立柱上表面（f）开有立柱通孔（21），通过4个壳体螺钉（11）将立柱组（2）和壳体（1）连接；所述下盖板（3）上表面（i）上开有矩形下盖凹槽（27），对称布置有4个下盖板螺纹孔（28）和4个下盖板矩形凹槽（29），每个下盖板矩形凹槽下表面（j）上均开有下盖板沉头孔（30），矩形下盖凹槽（27）中间开有下盖凹槽通孔（31）；所述下盖板下表面（k）上均匀布置有5个正方形凹槽（32），用于放置立柱组（2），通过4个下盖板螺钉（9）将下盖板（3）、立柱组（2）连接；所述上盖板（5）下表面（l）上对称布置有4个上盖板沉头孔（33）和4个上盖板矩形凹槽（35），开有矩形上盖板凹槽（34），每个上盖板矩形凹槽上表面（m）上均开有上盖板螺纹孔（36），压电薄膜（4）粘贴在矩形上盖板凹槽上表面（n）上，矩形上盖板凹槽上表面（n）中间开有上盖板通孔（37），通过4个上盖板螺钉（8）将上盖板（5）和下盖板（3）连接；所述上盖上表面（o）上对称布置有4个上盖沉头孔（38）和4个上盖安装固定螺纹孔（39），上盖上表面（o）中间开有上盖通孔（40），通过4个上盖螺钉（7）将上盖（6）和上盖板（5）连接。

2.根据权利要求1所述一种组合式自解耦压电薄膜三维力传感器，其特征是，所述下盖板（3）和上盖板（5）分别设有配合使用的矩形下盖凹槽（27）和矩形上盖板凹槽（34），用于放置压电薄膜（4），下盖板（3）和上盖板（5）分别设有4个对称布置配合使用的下盖板矩形凹槽（29）和上盖板矩形凹槽（35），用于导线通过，所述壳体（1）设有4个对称布置的导线通孔（14），用于导线通过；所述压电薄膜（4）与矩形上盖板凹槽上表面（n）接触。

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