專利名稱：一種輪輻式并聯壓電六維力傳感器及測量方法
技術領域：
本發明涉及本發明屬于傳感器及其測控領域，特別涉及一種輪輻式并聯壓電六維力傳感器及測量方法。
背景技術：
目前，壓電式六維力傳感器是一種利用智能壓電材料作為力敏元件的動態測力形式。壓電效應理論與應用基礎研究一直是壓電學科研究的核心問題。壓電傳感器的主要特點是其有很高的固有頻率，特別適合動態測量，壓電式測量是唯一滿足高固有頻率要求的測量技術。壓電式六維力傳感器一般需要多組石英晶組分別檢測六維廣義力，石英晶組的合理布置是傳感器設計的關鍵，而如何克服傳感器各向載荷間的相互干擾是提高壓電傳感器測量精度的有效途徑。中國專利CN1263259公開的整體預緊平臺式六維力傳感器，其結構是在傳統斯圖爾特平臺結構的上、下平臺之間，增設一個中間預緊支路，利用該預緊支路拉緊上、下平臺，對傳感器進行整體預緊，同時預緊各球副，消除間隙，提高傳感器的整體剛度，然而整個結構通過中間預緊支路預緊封閉，所需預緊力較大，且預緊支路結構較為復雜，很難保證其只承受沿軸線方向的作用力，使得測量精度受到影響。專利CN101013054 “差動式壓電六維力傳感器”和CN101750173A “一種壓電式六維力傳感器”中，在傳力機構上安裝八個或兩個多維壓電式力傳感器，外力信息通過傳力機構直接施加在各個傳感器上，避免了彈性體對傳感器的影響，無維間耦合，工藝簡單，但這類六維力傳感器對各個傳感器的安裝精度要求高，對同型號傳感器的一致性也要求較高。專利CN101149300中公開了一種壓電式六維大力傳感器，該結構傳感器可以實現大量程六維力動態測量，它采用斯圖爾特結構，存在解耦困難的問題，體積大，且對安裝要求精度很高。專利CN101149299中公開了一種三維力整體組裝式六維測力傳感器，該結構傳感器結構簡單、調整安裝方便，能測量空間六維大力，但是結構復雜，解耦困難。專利CNlOl 149301 “大力值壓電石英多分量力傳感器”、CN202153166U “一種并聯式壓電六維大力傳感器”和CN101793574A“可調分載比壓電式六維力傳感器及其測試方法”中，均是采用4組壓電石英晶片作為力敏元件，可以實現大量程載荷動態測量，但是力和力矩之間存在耦合，力敏元件既用來測力，也用來測力矩，雖然可以經過計算軟件進行解耦計算，但是不能夠實現對空間力進行直接解耦，尤其在測量大量程載荷時，體積和重量較大，加工成本也較高。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種輪輻式并聯壓電六維力傳感器，技術性能好，工作可靠，易于安裝和維修，便于推廣使用的耦合系數小、靈敏度高、強解耦、高剛性、大測量量程的輪輻式并聯壓電六維力傳感器。本發明采用如下技術手段實現發明目的:
一種輪輻式并聯壓電六維力傳感器，包括上蓋(I)和下蓋(3)，其特征是:所述上蓋(I)的上蓋下表面(a)上開有圓環形凹槽一(C)，所述上蓋下表面(a)上開有對稱的導線孔(14)，所述上蓋上同圓均布有八組輪輻一(12)，所述每個輪輻一(12)下表面上開有方形凹槽二(d)，所述下蓋(3)上同圓均布有八組輪輻二(13)，所述每個輪輻二(13)上表面上開有與所述凹槽二(d)對稱的凹槽三(d’)，所述每個凹槽三(d’)上表面都放置有力敏元件(2)，所述力敏元件(2)的上表面與凹槽二(d)表面接觸，所述每個導線孔(14)中都安裝有空心螺釘(4)，所述上蓋(I)和下蓋(3)分別對稱設置有4個同圓均布的螺釘孔一(8)，4個預緊螺釘(6)穿過螺釘孔一(8)將所述上蓋(I)、力敏元件(2)、下蓋(3)安裝在一起。作為對本技術方案的進一步限定，所述凹槽二(d)表面(e)上開有8個同圓均布螺釘孔二(10)，所述凹槽三(d')上表面(e')上開有8個同圓均布通孔(17)，用8個預緊螺釘(7 )通過孔(17 )將力敏元件(2 )施加預緊力。作為對本技術方案的進一步限定，所述上蓋(I)的上表面(b)上開有4個螺紋孔一
(9)，用于安裝固定被測件，所述下蓋(3)的下表面(b')上開有螺紋孔二(11)，用于安裝固定傳感器，所述上蓋(I)的內壁(g)和下蓋(3)的內壁(g')起到分載和保護作用，通過調節內壁(g)、(g')的厚度可實 現不同的分載比。作為對本技術方案的進一步限定,所述力敏元件包括SrSpSySySpSpSpS#組力敏元件，其中S(l、S2, s4, S6共4組力敏元件呈菱形布局位于坐標系一 Χ0Υ，用于測量空間三維力Fx、Fy、Fz，其中每組力敏元件由兩片承受拉壓效應的X0°切型晶片一(21)、四片承受剪切效應的Y0°切型晶片一(22)、墊片一(18)、電極片一(19)、電極片二(20)組成，其中電極片一(19)用于接地，電極片二(20)用于輸出相應電壓信號，Sp s3、s5、S7共4組力敏元件呈菱形布局位于坐標系二 Γ OY'，用于測量空間三維力矩Mx、My、Mz，其中每組力敏元件由四片承受拉壓效應的X0°切型晶片二(21')、兩片承受剪切效應的Y0°切型晶片二(22')、墊片二(18')和電極片三(19')和電極片四(20')組成，其中電極片三(19')用于接地，電極片四(20')用于輸出相應電壓信號組成，坐標系一XOY與坐標系二X' OY'共面且呈45°夾角。一種輪輻式并聯壓電六維力傳感器的測量方法，其特征在于，包括如下步驟:(I)當傳感器上蓋受力時，通過傳感器上蓋的彈性環節(內壁g和輪輻12)作用在8個力敏元件上；(2)菱形布局的四組力敏元件s。、S2, s4, S6經一組拉壓效應、兩組剪切效應將作用力自動分解并產生相對應的電荷量，經電荷放大器放大變成相應的電壓信號后，分別以電壓[vx0, Vx2, Vx4, Vx6]，[Vy0, Vy2, Vy4, Vy6]，[Vz0, Vz2, Vz4, Vz6]輸出；(3)菱形布局的四組力敏元件Sl、s3、s5, S7經兩組拉壓效應、一組剪切效應將作用力自動分解并產生相對應的電荷量，經電荷放大器放大變成相應的電壓信號后，分別以電壓[vxl，vx3，vx5，vj，[Vzl，Vx3，Vz5，Vj，[Vzl' ,Vz3/ ,NJ ,Vz/ ]輸出；(4)輸出信號通過信號調理及A/D數據采集卡將模擬信號變成數字信號輸入計算機，通過如下公式得到空間矢量力各主要參數，具體公式如下:
權利要求
1.一種輪輻式并聯壓電六維力傳感器，包括上蓋(I)和下蓋(3)，其特征是:所述上蓋(I)的上蓋下表面(a)上開有圓環形上蓋凹槽(C)，所述下蓋(3)的下蓋上表面(a’)上開有與所述上蓋凹槽(C)對稱的下蓋凹槽(c’)，所述上蓋下表面(a)上開有對稱的導線孔(14)，所述下蓋上表面(a’)上開有對稱的導線孔(15)，所述上蓋上同圓均布有八組輪輻一(12)，所述每個輪輻一(12)下表面上開有方形凹槽二(d)，所述下蓋(3)上同圓均布有八組輪輻二(13)，所述每個輪輻二(13)上表面上開有與所述凹槽二(d)對稱的凹槽三(d’)，所述每個凹槽三(d’)上表面都放置有力敏元件(2)，所述力敏元件(2)的上表面與凹槽二(d)表面接觸，所述每個導線孔(14)中都安裝有空心螺釘(4)，所述上蓋(I)和下蓋(3)分別對稱設置有4個同圓均布的螺釘孔一(8)，4個預緊螺釘一(6)穿過螺釘孔一(8)將所述上蓋(I)、力敏元件(2)、下蓋(3)安裝在一起。
2.根據權利要求1所述的輪輻式并聯壓電六維力傳感器，其特征是:所述凹槽二(d)的凹槽二表面(e)上開有8個同圓均布螺釘孔二(10)，所述凹槽三(d')的凹槽三上表面(e')上開有8個同圓均布通孔(17)，用8個預緊螺釘二(7)通過通孔(17)將力敏元件(2)施加預緊力。
3.根據權利要求1所述的輪輻式并聯壓電六維力傳感器，其特征是:所述上蓋(I)的上表面(b)上開有4個螺紋孔一(9)，用于安裝固定被測件，所述下蓋(3)的下表面(b')上開有螺紋孔二(11)，用于安裝固定傳感器，所述上蓋(I)的內壁(g)和下蓋(3)的內壁(g')起到分載和保護作用，通過調節內壁(g)、W )的厚度可實現不同的分載比。
4.根據權利要求 1所述的輪輻式并聯壓電六維力傳感器，其特征是:所述力敏元件(2)包括sQ、S1^ S2> s3、S4> s5、S6> s78組力敏元件,其中sQ、S2> S4> S6共4組力敏元件呈菱形布局位于坐標系一 XOY，用于測量空間三維力Fx、Fy、Fz，其中每組力敏元件由兩片承受拉壓效應的X0°切型晶片一(21)、四片承受剪切效應的Y0°切型晶片一(22)、墊片一(18)、電極片一(19)、電極片二(20)組成，其中電極片一(19)用于接地，電極片二(20)用于輸出相應的電壓信號，Sl、s3、s5、S7共4組力敏元件呈菱形布局位于坐標系二 X' OY'，用于測量空間三維力矩凡、1^、Mz，其中每組力敏元件由四片承受拉壓效應的X0°切型晶片二(21')、兩片承受剪切效應的Y0°切型晶片二(22')、墊片二(18')和電極片三(19')和電極片四(20')組成，其中電極片三(19')用于接地，電極片四(20')用于輸出相應的電壓信號，坐標系一 XOY與坐標系二 X' OY1共面且呈45°夾角。
5.一種輪輻式并聯壓電六維力傳感器的測量方法，其特征在于，包括如下步驟: Cl)當傳感器上蓋受力時，通過傳感器上蓋的彈性環節(內壁g和輪輻12)作用在8個力敏元件上； (2)菱形布局的四組力敏元件S(l、S2,s4, S6經一組拉壓效應、兩組剪切效應將作用力自動分解并產生相對應的電荷量，經電荷放大器放大變成相應的電壓信號后，分別以電壓[Vx0, Vx2, Vx4, Vx6]，[Vy0, Vy2, Vy4, Vy6]，[Vz0, Vz2, Vz4, Vz6]輸出； (3)菱形布局的四組力敏元件Sl、s3、s5,S7經兩組拉壓效應、一組剪切效應將作用力自動分解并產生相對應的電荷量，經電荷放大器放大變成相應的電壓信號后，分別以電壓[vxl, Vx3, vx5, VJ, [Vzl, vx3, vz5, VJ, [vz/，v，V，V ]輸出; (4)輸出信號通過信號調理及A/D數據采集卡將模擬信號變成數字信號輸入計算機，通過如下公式得到空間矢量力各主要參數，具體公式如下:
全文摘要
本發明公開了一種輪輻式并聯壓電六維力傳感器及測量方法，包括上蓋和下蓋，其特征是所述上蓋的上蓋下表面上開有圓環形凹槽一，所述上蓋下表面上開有對稱的導線孔，所述上蓋上同圓均布有八組輪輻一，所述每個輪輻一下表面上開有方形凹槽二，所述下蓋上同圓均布有八組輪輻二，所述每個輪輻二上表面上開有與所述凹槽二對稱的凹槽三，所述每個凹槽三上表面都放置有力敏元件，所述力敏元件的上表面與凹槽二表面接觸，所述每個導線孔中都安裝有空心螺釘，所述上蓋和下蓋分別對稱設置有4個同圓均布的螺釘孔一，4個預緊螺釘穿過螺釘孔一將所述上蓋、力敏元件、下蓋安裝在一起。本發明工藝性好、穩定性好、制造容易，壽命長，操作簡單、使用方便、成本低。
文檔編號G01L1/16GK103196594SQ20131012367
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月10日 優先權日2013年4月10日
發明者王桂從, 李映君, 門秀花, 李長春, 張輝, 王汝星, 張如劍 申請人:濟南大學