一種石英壓電式六維力檢測裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種石英壓電式六維力檢測裝置，包括長方體外殼和長方體外殼內(nèi)的多個力傳感器，力傳感器包括基座、基座頂部的固定卡座、安裝在基座內(nèi)的力敏元件、與力敏元件連接并用于輸出力敏元件力及力矩信號的電極引線、安裝在固定卡座內(nèi)的傳力桿；共設(shè)有4個三維力傳感器對稱安裝在長方體外殼內(nèi)的四個底角；所述力敏元件為石英晶片，并設(shè)有3個石英晶片組由上到下安裝在基座內(nèi)，最上層的石英晶片組的上方設(shè)有置于基座內(nèi)的上固定膜片，最下層的石英晶片組的下方設(shè)有置于基座內(nèi)的下固定膜片；傳力桿與上固定膜片連接。本實(shí)用新型具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高、性能穩(wěn)定、幾乎不存在滯后現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】—種石英壓電式六維力檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種力檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]六維力檢測裝置是一種能夠同時測量X方向，y方向，Z方向上的三個力分量和三個力矩分量的傳感器。它是多維力傳感器中形式最完整，使用最廣泛的一種。近年來，在飛機(jī)起落架落地沖力測試、火箭推力測試、航天器對接、風(fēng)洞測力試驗(yàn)等應(yīng)用領(lǐng)域，大量程大測力范圍高精度六維力檢測裝置成為急需的高科技產(chǎn)品之一，其研制已成為當(dāng)前熱點(diǎn)，并受到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的重視。
[0003]傳統(tǒng)的多維力傳感器主要還是從設(shè)計不同的彈性體結(jié)構(gòu)和改變電阻應(yīng)變片的貼片位置兩方面入手，但由于貼片工藝和彈性體加工精度等因素的影響，設(shè)計制造出來的多維力傳感器幾乎都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難、體積大、動態(tài)響應(yīng)特性差等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種石英壓電式六維力檢測裝置，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，靈敏度高，性能穩(wěn)定。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)方案為，一種石英壓電式六維力檢測裝置，包括長方體外殼和長方體外殼內(nèi)的多個力傳感器，所述力傳感器包括基座、基座頂部的固定卡座、安裝在基座內(nèi)的力敏元件、與力敏元件連接并用于輸出力敏元件力及力矩信號的電極引線、安裝在固定卡座內(nèi)的傳力桿；共設(shè)有4個三維力傳感器對稱安裝在長方體外殼內(nèi)的四個底角；所述力敏元件為石英晶片，并設(shè)有3個石英晶片組由上到下安裝在基座內(nèi)，最上層的石英晶片組的上方設(shè)有置于基座內(nèi)的上固定膜片，最下層的石英晶片組的下方設(shè)有置于基座內(nèi)的下固定膜片；所述傳力桿與上固定膜片連接。
[0006]設(shè)置上、下固定膜片，避免預(yù)緊時產(chǎn)生扭矩，且可防止晶族滑移、脫落；與上固定膜片相連的是傳力桿，保證所受的力順利作用在石英晶組上。
[0007]所述下固定膜片底部與基座之間設(shè)有彈簧片。
[0008]每個石英晶片組由兩個同極相對放置的石英晶片并聯(lián)組成。
[0009]所述電極引線夾在每個石英晶片組的兩個石英晶片之間，用于輸出X，y, z的力及力矩，使晶片結(jié)合更牢固、防止電荷遺失。
[0010]所述每個石英晶片組的兩個石英晶片由黏結(jié)劑粘合在一起。
[0011]所述上固定膜片和下固定膜片均為云母片。
[0012]所述上固定膜片和下固定膜片的厚度均為2mm-3mm。
[0013]所述石英晶片為圓形,且圓形石英晶片的半徑為厚度為lmm-2mm。
[0014]其中，所述三維力傳感器的石英晶片組直接放入基座中，靠固定膜片提供預(yù)緊壓力，然后用電子束封焊夾緊。為了保護(hù)石英晶片在施加預(yù)緊力時不被壓裂，在石英晶片的表面墊一個膜片；為了使施加預(yù)緊力時不產(chǎn)生扭矩，提高測量的精度，我們將預(yù)緊力通過預(yù)緊卡座施加在石英晶片上；預(yù)緊螺母的作用是施加預(yù)緊力，以實(shí)現(xiàn)傳感器對拉、壓力的測量，提高傳感器的線性度。
[0015]可將石英壓電式六維力檢測裝置固定安裝于智能機(jī)器人、飛行器上，實(shí)現(xiàn)工作過程中不同方向、不同大小的力、力矩雙參數(shù)的測量。
[0016]本發(fā)明提出的石英壓電式六維力檢測裝置，所述石英晶片組由6個同樣尺寸的圓形晶片構(gòu)成，可根據(jù)實(shí)際測量要求設(shè)計調(diào)整晶片個數(shù)及尺寸，以滿足不同的測量精度要求，在測量過程中，通過信號采集裝置對輸出信號進(jìn)行實(shí)時采集，獲得石英晶組的輸出信號(電荷)與所受力之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多維力、力矩的測量。這樣，本發(fā)明的石英壓電式六維力檢測裝置減小了以往主要存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難、體積大、動態(tài)響應(yīng)特性差等影響，實(shí)現(xiàn)了多維力高精度、高靈敏度、穩(wěn)定可靠的實(shí)時測量。
[0017]所述石英晶片組固定設(shè)置于下固定膜片上，經(jīng)上固定膜片連接至傳力桿，當(dāng)外力作用在傳力桿上時，各壓電石英晶組產(chǎn)生與所受力大小成一定比例的電荷，高靈敏度電荷放大器將其分別轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，對電荷放大器進(jìn)行“歸一化”處理，使輸出電壓信號的數(shù)字與所施加力大小相同，高精度的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過計算機(jī)的軟件對采集的信號進(jìn)行存儲、處理，以數(shù)字或波形的方式實(shí)時顯示原始信號，并最終直觀地顯示解耦后的六維力的數(shù)值。
[0018]本發(fā)明中六維力檢測裝置由4個三維力傳感器構(gòu)成。當(dāng)有外力作用在測力傳感器上時，根據(jù)以下原則進(jìn)行分析:
[0019](I)壓電石英力檢測裝置視為剛體，四個三維力測量單元為彈性體，剛度相同、靈敏度相等，呈對稱均布配置。
[0020](2)當(dāng)施加垂直于三維力測量單元布局平面的力(K)時，該力在各單元間按杠桿平衡原則進(jìn)行分配。
[0021](3)當(dāng)施加與三維力測量單元布局平面平行的各分力(Ay、/g時，相關(guān)的兩個三向力測量單元連線與該力垂直時，該力按杠桿平衡原則進(jìn)行分配；相關(guān)的兩個三向力測量單元與該力線平行或重合時，則該力平均分配。
[0022](4)當(dāng)施加與三維力測量單元上表面垂直的力矩氣時，該力矩平均轉(zhuǎn)化到每個三維力測量單元上，并轉(zhuǎn)化為各向分力；而且該力矩將使y、z方向分力同時產(chǎn)生變化。
[0023](5)當(dāng)施加與三維力測量單元上表面垂直的力矩氧、My時，該力矩將使三維力測量單元z向力產(chǎn)生變化。
[0024](6)外力A可以沿力作用線移動，其值不變，但力作用點(diǎn)不能隨意改動，故平行移動時，要符合力加力矩規(guī)則。外力向每個三維力測量單元上轉(zhuǎn)化。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0026]I)本實(shí)用新型采用成熟的工藝技術(shù)和材料，克服了以往貼片工藝和彈性體加工精度等因素的影響，具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高、性能穩(wěn)定、幾乎不存在滯后現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)；
[0027]2)本實(shí)用新型采用多傳感器組合的方式，通過數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)多維力、力矩的高精度測量；
[0028]3)本實(shí)用新型采用晶片加工、電子束焊接技術(shù)等微機(jī)械加工技術(shù)，有利于提高加工工藝的一致性和傳感器工作的可靠性水平，并可實(shí)現(xiàn)石英壓電式多維力傳感器的批量生產(chǎn)，有效降低制造成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本實(shí)用新型所述檢測裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本實(shí)用新型所述傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]如圖1、圖2所示，一種石英壓電式六維力檢測裝置，包括長方體外殼10和長方體外殼10內(nèi)的多個力傳感器，所述力傳感器包括基座9、基座9頂部的固定卡座1、固定卡座I內(nèi)的上蓋2、基座9 一側(cè)的引出插頭5、安裝在基座9內(nèi)的力敏元件、與力敏元件連接并用于輸出力敏元件力及力矩信號的電極引線8、安裝在固定卡座I內(nèi)的傳力桿7 ;共設(shè)有4個三維力傳感器對稱安裝在長方體外殼10內(nèi)的四個底角；所述力敏元件為石英晶片3，并設(shè)有3個石英晶片組由上到下安裝在基座內(nèi)，最上層的石英晶片組的上方設(shè)有置于基座內(nèi)的上固定膜片6，最下層的石英晶片組的下方設(shè)有置于基座內(nèi)的下固定膜片11 ;所述傳力桿7與上固定膜片6連接；下固定膜片11底部與基座9之間設(shè)有彈簧片4。
[0032]每個石英晶片組由兩個同極相對放置的石英晶片3并聯(lián)組成，電極引線8夾在每個石英晶片組的兩個石英晶片3之間,每個石英晶片組的兩個石英晶片3由黏結(jié)劑粘合在一起。
[0033]上固定膜片6和下固定膜片11均為云母片，上固定膜片6和下固定膜片11的厚度均為2mm-3mm。
[0034]石英晶片3為圓形,且圓形石英晶片3的半徑為厚度為lmm-2mm。
[0035]傳力桿7的材料為鈹青銅,長度30mnT40mm。
【權(quán)利要求】
1.一種石英壓電式六維力檢測裝置,包括長方體外殼(10)和長方體外殼(10)內(nèi)的多個力傳感器，所述力傳感器包括基座(9 )、基座9頂部的固定卡座(I)、安裝在基座(9 )內(nèi)的力敏元件、與力敏元件連接并用于輸出力敏元件力及力矩信號的電極引線(8)、安裝在固定卡座(I)內(nèi)的傳力桿(7);其特征是，共設(shè)有4個三維力傳感器對稱安裝在長方體外殼(10)內(nèi)的四個底角；所述力敏元件為石英晶片(3)，并設(shè)有3個石英晶片組由上到下安裝在基座內(nèi)，最上層的石英晶片組的上方設(shè)有置于基座內(nèi)的上固定膜片(6)，最下層的石英晶片組的下方設(shè)有置于基座內(nèi)的下固定膜片(11);所述傳力桿(7)與上固定膜片(6)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述石英壓電式六維力檢測裝置，其特征是，所述下固定膜片(11)底部與基座(9)之間設(shè)有彈簧片(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述石英壓電式六維力檢測裝置，其特征是，每個石英晶片組由兩個同極相對放置的石英晶片(3)并聯(lián)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述石英壓電式六維力檢測裝置，其特征是，所述電極引線(8)夾在每個石英晶片組的兩個石英晶片(3)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述石英壓電式六維力檢測裝置，其特征是，所述每個石英晶片組的兩個石英晶片(3)由黏結(jié)劑粘合在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述石英壓電式六維力檢測裝置，其特征是，所述上固定膜片(6)和下固定膜片(11)均為云母片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述石英壓電式六維力檢測裝置，其特征是，所述上固定膜片(6)和下固定膜片(11)的厚度均為2mm-3mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述石英壓電式六維力檢測裝置，其特征是，所述石英晶片(3)為圓形，且圓形石英晶片(3)的半徑為厚度為lmm-2mm。
【文檔編號】G01L5/16GK203519229SQ201320562893
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】陳偉, 雷凱, 王玉明, 何峰, 金忠, 曹勇飛, 彭光明, 林永 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所