CN2800250Y - 压电式三维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压电式三维力传感器，其特征是在传感器基座(13)内垂直对称分布有三个导向孔(15)，五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)、受力块(7)，每个压电元件的一端被固定在受力块(7)上，压电元件与导向孔(15)之间为间隙配合，每个压电元件的另一端均连接一过渡块(5)，并用预紧装置将五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)依次固定在基座(13)内。本实用型结构简单，易于加工制造，动态响应特性好，适合于多种场合下空间三维力的测量。

Description

压电式三维力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器装置，特别是涉及一种测量三维力的压电式传感器。

背景技术

在现有技术中，公知的测量机械力的传感器，它们主要是采用电阻应力应变片式和压电式来对机械力进行测量，而三维力的测量传感器大多采用电阻应力应变片式。如已知的框架式三维力传感器，就是通过在三个框架的不同面上贴上电阻应力应变片，当三个框架受到外力时，综合框架的各个面上的电阻应力应变片的变形来反映空间三维力的大小。但电阻应力应变片式力传感器的工作频率不高，制造较为困难，结构复杂，体积较大，不易实现小型化，它只适合于静态力和低频动态力的测量，而压电式力传感器的使用上限频率较高，测量范围宽，体积小，易于实现小型化，特别适合于动态力、冲击力的测量。

发明目的

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供的一种结构简单、易于加工制造、易于集成化、小型化、制造成本低廉、安装调节方便的压电式三维力传感器。

发明内容

本实用新型可以通过以下技术方案来加以实现：压电式三维力传感器，它首先将外敷了绝缘隔离材料(2)的五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)的一端分别垂直对称地与受力块(7)连接，另一端则分别与一过渡块(5)采用固定或不固定的方式连接，构成压电式三维力传感器的内芯。其次，在基座(13)上铣出一个腔体，并配做一个与该腔体形状相同的盖子(14)，再以盖子(14)和基座(13)(其中：基座和盖子的外部形状均为矩形)的交线为直径，沿五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)的轴心线铣出三个对称分布且相互垂直的与压电式三维力传感器的内芯相配合的导向孔(15)，导向孔(15)与五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)之间为间隙配合。最后再配上采用单向调节与补偿调节方式或双向调节方式的预紧装置，并从电极(3)中引出压电元件(8、9、10、11、12)的输出信号线，装上螺钉等紧固件后，便构成了压电式三维力传感器。

附图说明

图1为本实用新型的内芯的主视图和俯视图。

图2为本实用新型的基座和盖子的加工示意图。

图3为三维力传感器的基座的主视图和俯视图。

图4为三维力传感器的盖子的主视图和俯视图。

图5为三维力传感器实施例的主视图和俯视图。

图6为三维力传感器的简化模型图。

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

在附图1中，8、9、10、11、12为特性完全相同的压电元件；在附图3中，13为基座，15为导向孔；在附图4中，14为盖子；在附图5中，1为弹性元件，2为绝缘隔离材料，3为电极，4为调节元件，5为过渡块，6为螺钉，7为受力块。

具体实施方式

压电式三维力传感器可由内芯、基座(13)、预紧装置和盖子(14)等主要部件构成。首先在基座(13)内铣出一个长方体的腔体，并配做一个与该腔体形状相同的盖子(14)。结合附图2给出的基座和盖子的加工示意图，其中ABCD与EFGH共面，MNOP与IJKL共面，KL＝IL＝BR；其次再将基座(13)和盖子(14)连接在一起，以交线AB、交线BC、平面IJKL的中心为圆心加工三个相互垂直对称分布的导向孔(15)，然后进一步加工盖子(14)、基座(13)、螺钉孔和电极孔。将外敷了绝缘隔离材料(2)的五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)的一端垂直对称地固定在受力块(7)(由一个正方体和一段圆柱组成)的五个面上，另一端分别与一过渡块(5)连接，过渡块(5)、外敷了绝缘隔离材料(2)的五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)以及受力块(7)的轴心在同一直线上，最后在五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)上外敷绝缘材料(2)则构成了压电式三维力传感器的内芯。将该内芯装到基座(13)的腔体内，内芯和基座(13)之间为间隙配合，内芯安装后仍然满足外敷了绝缘隔离材料(2)的五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)的垂直对称分布的要求，过渡块(5)、外敷了绝缘隔离材料(2)的五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)以及受力块(7)的正方体部分的轴心在同一直线上。最后装上盖子(14)、螺钉(6)、弹性元件(1)、调节元件(4)和电极(3)就完成了压电式三维力传感器的组装。

根据附图5所示的实施例，本实用新型可以建立附图6给出的简化模型，根据压电方程有：

q_i＝d_ijσj

σ_j＝q_i/d_ij(i＝1，2，3；j＝1，2，3，4，5，6)

用矩阵表示如下：

$\left[\begin{array}{c}{q}_1\\ q_2\\ q_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{d}_{11}& d_{12}& d_{13}& d_{14}& d_{15}& d_{16}\\ d_{21}& d_{22}& d_{23}& d_{24}& d_{25}& d_{26}\\ d_{31}& d_{32}& d_{33}& d_{34}& d_{35}& d_{36}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1\\ {\mathrm{\σ}}_2\\ {\mathrm{\σ}}_3\\ {\mathrm{\σ}}_4\\ {\mathrm{\σ}}_5\\ {\mathrm{\σ}}_6\end{array}\right]$ 其中，q_i为元件各面上的电荷密度，σ_j为作用在压电元件上的应力和切应力，d_ij为压电应变常数。

可以得到压电式三维力传感器测量的计算公式；

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=F_2-F_1\\ F_y=F_4-F_3\\ F_2=F_5\end{array}\right.$

通过检测外敷了绝缘隔离材料(2)的五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)各自的输出信号变化就可以反映出应力σ_j的变化，进而得到F_x、F_y、F_z(x，y，z轴)空间三维力的大小和方向。通过提高压电式三维力传感器的加工精度、选用不同种类的压电元件、选用不同受力块(7)的外部形状、外敷了绝缘隔离材料(2)的五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)和受力块(7)的连接方式以及外敷了绝缘隔离材料(2)的五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)和基座(13)的配合方式，可以制造出一系列不同精度、不同形状、不同量程的压电式三维力传感器，同时，通过不同的安装调节方式还可适应多种空间三维力的测量。

根据本方案提供的实施例，在本压电式三维力传感器的基础上稍作改进还可以实现空间六维力的测量。

本实用新型与现有三维力传感器相比，它具有结构简单、加工制造容易、安装调节方便灵活、体积小、易于小型化、集成化、测量精度高、动态响应特性好等显著优点。它既适合于一般场合的空间三维力的测量，又适合于对机器人触觉系统等高新技术领域的接触式外力的测量。

Claims (2)

1.一种压电式三维力传感器，它由五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)、基座(13)、受力块(7)、电极(3)、预紧装置等构成，其特征在于，五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)垂直对称地分布于基座(13)内，每个压电元件的一端与受力块(7)连接，每个压电元件的另一端则分别与一过渡块(5)采用固定或不固定的方式连接，五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)与基座(13)、盖子(14)上的导向孔(15)之间分别为间隙配合。

2.根据权利要求1所述的压电式三维力传感器，其特征在于，所述的预紧装置由调节元件(4)、弹性元件(1)构成，受力块(7)与五个特性完全相同的压电元件(8、9、10、11、12)之间采用固定或不固定的方式连接，预紧装置采用单向调节与补偿调节或双向调节等多种方式进行调节，受力块(7)、基座(13)、盖子(14)的外部形状均为矩形。

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