专利名称：一种压电式十二维传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种能测量三维力、三维力矩、三维线加速度和 三维角加速度的十二维的传感器。
背景技术：
从同时检测空间全力(三维力、三维力矩、三维线加速度和三维角加速度)信息的角度看， 现有的各种三维、六维传感器均不能满足需要，因此，近年来对能够同时检测空间全力信息 的十二维传感器的研究受到了国内外有关科研机构的关注。但由于这种传感器结构复杂，标 定困难，国际上目前仍然只有为数不多的科研机构在投资开发研究。现有的十二维传感器采 用了双Stewart平台作为弹性体的结构形式，在12个弹性支柱上粘贴了应变片，形成了十 二个全桥电路，通过解耦十二路信号得到三维力、三维力矩、三维线加速度和三维角加速度， 这种十二维传感器的测量原理实质上是通过传感元件(应变片)检测弹性体的形变来间接检 测空间全力信息的。因此，它存在着传感器特性受弹性体影响，传感器结构和加工工艺复杂、 加工制作难度大、成本高、维间耦合严重的问题。
从消除维间耦合的角度来看，申请号为200810069839. 5、名称为《一种压电式六维加速 度传感器》的技术方案解决得较好。然而，该技术方案却不能同时测量三维力和三维力矩。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、加工成本低、无维间耦合的 压电式十二维传感器。
为实现所述发明目的，提供这样一种压电式十二维传感器。它与现有技术相同的方面是， 该传感器包括带有导线孔和与该导线孔相通的外插座的基座、盖在该基座上的盖子、通过预 紧螺钉压住而从下往上安装在该基座内的六维加速度检测计和惯性质量块。该预紧螺钉的轴 线和该六维加速度检测计的轴线，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴同轴。
该六维加速度检测计由十六片石英晶片和夹持这十六片石英晶片的两片完全相同的环 形的绝缘电极板构成。这十六片石英晶片在一个与所述Z轴同轴的三维直角坐标系的X、 Y 平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的一个参考圆的圆周上。其中，在该参考圆与X、 Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片，其余的十二片石英晶片为Y0°切 型石英晶片。这四片XO。切型石英晶片的敏感轴垂直于该参考圆且其敏感轴的方向一致，这 四片XO。切型石英晶片的Y轴的延长线与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴正交，且该Y 轴的正向均沿该参考圆离心或向心分布。每一 X0°切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英 晶片的敏感轴与该参考圆相切且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在该参考 圆与X、 Y轴交点处的四片YO。切型石英晶片的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且 这四片Y0°切型石英晶片的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向。
两片绝缘电极板的内侧上均有与这十六片石英晶片一一对应的十六个电极。其中，与同 在X轴上的两片YO。切型石英晶片所对应的电极连通、构成X向的线加速度值的信号输出端； 与同在Y轴上的两片YO。切型石英晶片所对应的电极连通、构成Y向的线加速度值的信号输 出端；与每一片XO。切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英晶片所对应的电极以靠近X轴 负向一侧的两片电极为首尾、依次串连构成Z向的角加速度值的信号输出端。与四片XO。切 型石英晶片所对应的四个电极各自为一个加速度待算信号输出端，这四个加速度待算信号输 出端的输出值通过加法运算，为Z向的线加速度值；位于Y轴负向一侧两个加速度待算信号 输出端的输出值之和，减去另两个加速度待算信号输出端的输出值，为X向的角加速度值； 位于X轴正向一侧两个加速度待算信号输出端的输出值之和，减去另两个加速度待算信号输 出端的输出值，为Y向的角加速度值。两片绝缘电极板内侧上相同的信号输出端分别通过穿 过导线孔的绝缘屏蔽信号引线与各自对应的外插座连接。
其改进之处是，本发明的基座有一个外壳体，在该基座的外壳体之内有两个与所述Z轴 同轴的圆筒型凸台。
在内的这一圆筒型凸台是加速度检测计安装凸台，该加速度检测计安装凸台呈无底的圆 筒状，其中间的圆孔为螺纹孔。所述六维加速度检测计及其上方的惯性质量块安装在该加速 度检测计安装凸台的台面上，预紧螺钉通过其螺杆前端的螺纹拧在该加速度检测计安装凸台 的螺纹孔上半部分。该预紧螺钉的轴心有一贯通的圆孔；有一个通过其下端的外螺纹拧紧在 该加速度检测计安装凸台的螺纹孔下半部分的封装螺纹筒，以间隙配合状态向上穿过该预紧 螺钉轴心的圆孔。
在外的这一圆筒型凸台是一个其台面不低于预紧螺钉上端面的六维力检测计安装凸台。 在该六维力检测计安装凸台的台面上安装有一个同时空套在该封装螺纹筒上部的六维力检 测计；所述盖子以对该六维力检测计施以预紧力且同时紧套着该封装螺纹筒上端部的状态， 固定地盖在基座的外壳体上。该六维力检测计安装凸台与六维加速度检测计对应的腰间部
分，也有让该六维加速度检测计所连接的绝缘屏蔽信号引线穿过的导线孔。其中，六维力检 测计由十六片石英晶片和其轮廓与该六维力检测计安装凸台的台面相同的绝缘电极板构成。 这十六片石英晶片在一个与所述Z轴同轴的三维直角坐标系的X、 Y平面中，均匀布置于一 个Z轴通过其圆心的另一个参考圆的圆周上，该参考圆的直径等于该六维力检测计凸台台面 的中心环直径。在该参考圆与X、 Y轴的角平分线交点处，安置的是四片XO。切型石英晶片， 其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片；四片X0°切型石英晶片的敏感轴垂直于该参
考圆且其敏感轴的方向一致。每一 X0°切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英晶片的敏感 轴与该参考圆相切且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在该参考圆与X、 Y 轴交点处的四片Y0°切型石英晶片的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四 片Y0°切型石英晶片的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向。所述绝缘电极 板上有与这十六片石英晶片一一对应的十六个电极。其中，与同在X轴上的两片YO。切型石 英晶片所对应的电极连通、构成X向的力值的信号输出端；与同在Y轴上的两片Y(T切型石 英晶片所对应的电极连通、构成Y向的力值的信号输出端；与每一片X(T切型石英晶片两侧 紧邻的Y0°切型石英晶片所对应的电极以靠近X轴负向一侧的两片电极为首尾、依次串连构 成Z向的力矩值的信号输出端。与四片XO。切型石英晶片所对应的四个电极各自为一个力/ 力矩待算信号输出端，这四个力/力矩待算信号输出端的输出值通过加法运算，为Z向的力 值；位于Y轴负向一侧两个力/力矩待算信号输出端的输出值之和，减去另两个力/力矩待算 信号输出端的输出值，为X向的力矩值；位于X轴正向一侧两个力/力矩待算信号输出端的 输出值之和，减去另两个力/力矩待算信号输出端的输出值，为Y向的力矩值。在基座的外 壳体与六维力检测计安装凸台之间有引线间隙，上述这些信号输出端分别通过穿过引线间隙 的绝缘屏蔽信号引线与各自对应的与该引线间隙相通的外插座连接。
从本发明的方案可以看出，本发明实际上是在申请号为200810069839.5的《一种压电 式六维加速度传感器》基础上的进一步改进，或者说是把压电式六维加速度传感器与压电式 六维力/力矩传感器，通过创造性的组合方式而结合为一体了。因此，本发明克服了现有的 压电式六维加速度传感器的不足，满足了同时检测空间全力信息的需要。与现有的十二维传 感器相比较，由于本发明没有了须通过传感元件(应变片)来检测其形变的弹性体，也即，力 /力矩的信息直接由六维力检测计测量，线加速度/角加速度的信息直接由六维加速度检测计 测量，因此，其传感器性能也就不受弹性体的影响，也就大大简化了传感器结构、降低了加 工成本；加之由于本传感器采用平面布置石英晶片的方式分布石英晶片，进一步提高了传感 器的刚度，因此本传感器具有好的动态特性；另外，从本传感器的线加速度/角加速度的关
系表达式和力/力矩的关系表达式(因涉及附图标记与代码，这两个表达式将在具体实施方式
中介绍)可以看出，本传感器无维间耦合。因此，本传感器可应用到机器人、航空航天、民 用制造业中的力/加速度的测量以及其它需要同时检测六维力/力矩和六维线加速度/角加速 度的场合。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图l一一本发明的结构(全剖)示意图
图2—_图1的俯视图
图3—一图1中的六维加速度检测计的结构示意图
图4一_图3的俯视图
图5—一图3中I区域的局部放大图
图6—_图1中的六维力检测计的结构示意图
图7—一图6的俯视图
图8—一图6中II区域的局部放大图
图9—一六维加速度检测计中的石英晶片布局图(投影方向与比例与图4对应)
图10—一六维力检测计中的石英晶片布局图(投影方向与比例与图7对应)
图11———六维加速度检测计中的绝缘电极板及其电极布局图(投影方向与比例与图4对
应)
图12—一六维力检测计中的绝缘电极板及其电极布局图(投影方向与比例与图7对应)
图13——加速度信号处理原理框图
图14-——力/力矩信号处理原理框图
具体实施例方式
一种压电式十二维传感器(参考图1、 2)。该传感器包括带有导线孔23和与该导线孔23 相通的外插座C的基座2、盖在该基座2上的盖子1、通过预紧螺钉7压住而从下往上安装 在该基座2内的六维加速度检测计5和惯性质量块4;该预紧螺钉7的轴线和该六维加速度 检测计5的轴线，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴同轴(图1中的标记C泛指外
插座，图2中带下标的q C,4代表各个不同的外插座，图13和图14中的"插座1" "插 座14"与该C, C^一一对应)。
上述六维加速度检测计5由十六片石英晶片(jxl jxl6)和夹持这十六片石英晶片 (jxl jxl6)的两片完全相同的环形的绝缘电极板51构成(参考图3、 4、 5)。这十六片石英 晶片(jxl jxl6)在一个与所述Z轴同轴的三维直角坐标系的X、 Y平面中，均匀布置于一个 Z轴通过其圆心的一个参考圆50的圆周上(参考图9)。其中，在该参考圆50与X、 Y轴的角 平分线交点处，安置的是四片X(T切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)，其余的十二片石 英晶片为YO。切型石英晶片(jxl、 jx2、 jx4、 jx5、 jx6、 jx8、 jx9、 jx10、 jxl2、 jxl3、 jxl4、 jxl6)。这四片XO。切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)的敏感轴垂直于参考圆50且其敏 感轴的方向一致，这四片XO。切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)的Y轴的延长线与传感 器的工作三维直角坐标系的Z轴正交，且该Y轴的正向均沿该参考圆50离心或向心分布。 每一XO。切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)两侧紧邻的Y0。切型石英晶片(jx2、 jx4、 jx6、 jx8、 jx10、 jxl2、 jxl4、 jxl6)的敏感轴与该参考圆50相切且其敏感轴的方向均按 顺时针或者均按逆时针排列。在该参考圆50与X、Y轴交点处的四片Y0。切型石英晶片(jxl、 jx5、 jx9、 jxl3)的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四片Y0°切型石英晶片(jxl、 jx9与jx5、 jxl3)的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向。
两片绝缘电极板51的内侧上均有与这十六片石英晶片(jxl jx16)—一对应的十六个电 极(参考图3、 4、 5、 9、 11、 13——在图5中，标记jx和标记dx泛指这十六片石英晶片和 它们对应的十六个电极，图9中标记jxl jxl6指向各不同位置的石英晶片，图11中标记 dxl dxl6指向各不同位置的电极)。其中，与同在X轴上的两片YO。切型石英晶片(jxl、
jx9)所对应的电极(dxl、 dx9)连通、构成X向的线加速度ax值的信号输出端Q,;与同在Y 轴上的两片YO。切型石英晶片(jx5、 jxl3)所对应的电极(dx5、 dxl3)连通、构成Y向的线加
速度aY值的信号输出端Q3;与每一片X0。切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)两侧紧 邻的YO。切型石英晶片(jx2、 jx4、 jx6、 jx8、 jx10、 jxl2、 jxl4、 jxl6)所对应的电极(dx2、 dx4、 dx6、 dx8、 dx10、 dxl2、 dxl4、 dxl6)以靠近X轴负向一侧的两片电极(dx2、 dxl6)为
首尾、依次串连构成Z向的角加速度a见值的信号输出端Q2。与四片X0°切型石英晶片 (jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)所对应的四个电极(dx3、 dx7、 dxll、 dxl5)各自为一个加速度待算 信号输出端(Q4 Q7)，这四个加速度待算信号输出端(Q4 Q7)的输出值通过加法运算，
为Z向的线加速度az值；位于Y轴负向一侧两个加速度待算信号输出端(Q。 Q"的输出
值之和，减去另两个加速度待算信号输出端(Q4 、 Q5)的输出值，为X向的角加速度a欣值;
位于X轴正向一侧两个加速度待算信号输出端(Q。 Qs)的输出值之和，减去另两个加速度
待算信号输出端(Q4、 Q"的输出值，为Y向的角加速度a外值。两片绝缘电极板51内侧
上相同的信号输出端分别通过穿过导线孔23的绝缘屏蔽信号引线8与各自对应的外插座
(q c"连接。
在本发明中，所述基座2有一个外壳体20，在该基座2的外壳体20之内有两个与其Z 轴同轴的圆筒型凸台(参考图1、 2)。
在内的这一圆筒型凸台是上述加速度检测计安装凸台21，该加速度检测计安装凸台21 呈无底的圆筒状，其中间的圆孔为螺纹孔。六维加速度检测计5及其上方的惯性质量块4安 装在该加速度检测计安装凸台21的台面上，预紧螺钉7通过其螺杆前端的螺纹拧在该加速 度检测计安装凸台21的螺纹孔上半部分。该预紧螺钉7的轴心有一贯通的圆孔，有一个通 过其下端的外螺纹拧紧在该加速度检测计安装凸台21的螺纹孔下半部分的封装螺纹筒6，以 间隙配合状态向上穿过该预紧螺钉7轴心的圆孔。
在外的这一圆筒型凸台是一个其台面不低于预紧螺钉7上端面的六维力检测计安装凸台 22，在该六维力检测计安装凸台22的台面上安装有一个同时空套在该封装螺纹筒6上部的 六维力检测计9。本发明的盖子1以对该六维力检测计9施以预紧力且同时紧套着所述封装 螺纹筒6上端部的状态，固定地盖在基座2的外壳体20上。该六维力检测计安装凸台22与 六维加速度检测计5对应的腰间部分，也有让该六维加速度检测计5所连接的绝缘屏蔽信号 引线8穿过的导线孔23(也就是说，六维加速度检测计5所连接的绝缘屏蔽信号引线8要穿 过六维力检测计安装凸台22腰间和外壳体20两处的导线孔23)。其中，六维力检测计9由 十六片石英晶片(jdl jdl6)和其轮廓与该六维力检测计安装凸台22的台面相同的绝缘电极 板91构成(参考图6、 7、 8、 10——在图8中，标记jd泛指十六片石英晶片，图10中标记 jdl jdl6指向各不同位置的石英晶片)。这十六片石英晶片(jdl jdl6)在一个与所述Z轴 同轴的三维直角坐标系的X、 Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的另一个参考圆90 的圆周上，该参考圆90的直径等于该六维力检测计凸台22台面的中心环线直径。在该参考 圆90与X、 Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)， 其余的十二片石英晶片为Y0。切型石英晶片(jdl、 jd2、 jd4、 jd5、 jd6、 jd8、 jd9、 jd10、 jdl2、 jdl3、 jdl4、 jdl6)。这四片X0。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)的敏感轴垂 直于该参考圆90且其敏感轴的方向一致；每一XO。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5) 两侧紧邻的Y0。切型石英晶片(jd2、 jd4、 jd6、 jd8、 jd10、 jdl2、 jdl4、 jdl6)的敏感轴
与参考圆90相切且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在参考圆90与X、 Y 轴交点处的四片YO。切型石英晶片(jdl、 jd5、 jd9、 jdl3)的敏感轴对应重叠在所在的X轴 或Y轴上、且这四片YO。切型石英晶片(jdl、 jd9与jd5、 jdl3)的敏感轴的方向均与所对应 的X轴或Y轴同向或者反向。绝缘电极板91上有与这十六片石英晶片(jdl jd16) —一对应 的十六个电极(参考图8、 12、 14——在图8中，标记dd泛指十六个电极，图12中标记ddl ddl6指向各不同位置的电极)。其中，与同在X轴上的两片YO。切型石英晶片(jdl、 jd9)所
对应的电极(ddl、 dd9)连通、构成X向的力Fx值的信号输出端Q8;与同在Y轴上的 两片YO。切型石英晶片(jd5、 jdl3)所对应的电极(dd5、 ddl3)连通、构成Y向的力Fy值的
信号输出端Q,。；与每一片XO。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)两侧紧邻的Y0。切型
石英晶片(jd2、 jd4、 jd6、 jd8、 jd10、 jdl2、 jdl4、 jdl6)所对应的电极(dd2、 dd4、 dd6、 dd8、 dd10、 ddl2、 ddl4、 ddl6)以靠近X轴负向一侧的两片电极(dd2、 ddl6)为首尾、依次
串连构成Z向的力矩Mz值的信号输出端Q9。与四片XO。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、
jdl5)所对应的四个电极(dd3、 dd7、 ddll、 ddl5)各自为一个力/力矩待算信号输出端(Q，,
Q14)，这四个力/力矩待算信号输出端(Qu Q,4)的输出值通过加法运算，为Z向的力Fz
值；位于Y轴负向一侧两个力/力矩待算信号输出端(Q,3、 Qw)的输出值之和，减去另两个
力/力矩待算信号输出端(Qn、 Q,2)的输出值，为X向的力矩Mx值；位于X轴正向一侧两
个力/力矩待算信号输出端(Qn、 QJ的输出值之和，减去另两个力/力矩待算信号输出端
(Qu、 Q,4)的输出值，为Y向的力矩My值。在基座2的外壳体20与六维力检测计安装 凸台22之间有引线间隙23'，上述这些信号输出端分别通过穿过引线间隙23'的绝缘屏蔽 信号引线8与各自对应的与该引线间隙23'相通的外插座((38 (:14)连接。
本领域的技术人员清楚，除用绝缘屏蔽信号引线8分别把六维加速度检测计5和六维力 检测计9的绝缘电极板(51、91)上引出的各个信号输出端(Q， QJ与十四个插座(C, C,4)
对应连接之外，由于输出信号为电荷信号的原因，在各个插座(C, Cj之外，还应当与对 应的电荷放大器(电荷放大器1 电荷放大器14)连接，以将电荷信号转换为电压信号。显然， 在与四个加速度待算信号输出端(Q4 Q7)对应的电荷放大器(电荷放大器4 电荷放大器 7)之后，还应当根据本发明提出的运算规则连接相应的加法器、乃至减法器(参考图13);在 与四个力/力矩待算信号输出端(Qu QM)对应的电荷放大器(电荷放大器11 电荷放大器 14)之后，也应当根据本发明提出的运算规则连接相应的加法器、乃至减法器(参考图14)。
为使披露更加清楚，现把本发明中的三维线加速度(ax 、 aY、 az)和三维角加速度 (a欣、aw、 a俊)与各个信号输出端((^ Q7)测得电荷信号的对应关系(参考图13)。再 用数学式描述如下
ax oc Qi aY oc Q3
azoc(Q4+Q5+Q6+Q7)
、战cc[(Q7+QJ-(Q4+Q5)]
awoc[(Q5+Q6)-(Q4+Q7)] affi oc Q2
本发明中的三维力(Fx 、 FY 、 Fz)和三维力矩(Mx 、 MY 、 Mz)与各个信号输出端(Qs QM)测得电荷信号的对应关系(参考图14)。也用数学式描述如下-
<formula>complex formula see original document page 13</formula>披露至此、并结合对本发明优越性的了解，本领域技术人员已经能够结合常规的制造与 加工手段来实现本发明了。因此，以上具体实施方式
也是以下各例的总述，在以下各例中与 本总述相同的内容不赘述。
实施例l(参考图1、 2、 6、 7、 8):
本例是在总述部分的基础上，主要为三维力(Fx 、 FY 、 Fz)和三维力矩(Mx 、 MY 、 Mz)
的电荷信号的可靠测得所作出的优化举例。在本例中，构成六维力检测计9的绝缘电极板91 为夹住的十六片石英晶片(jdl jdl6)对称的两块，这两块绝缘电极板91各自的十六个电极 (ddl ddl6)呈镜像对称地分别设置在这两块绝缘电极板91的内侧。这两块绝缘电极板91 上相同电极及其相同电极组合所构成的各个信号输出端分别通过绝缘屏蔽信号引线8来与各
自对应的外插座(Cs CM)连接。其中，四片X0。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)
的Y轴的延长线与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴正交，且其Y轴的正向均沿所述参考 圆离心或向心分布。 实施例2:
本例是在总述部分或实施例1的基础上，针对其中六维力检测计安装凸台22的台面高 出(即不低于)预紧螺钉7上端面具体数值的说明与举例。该数值通常取1咖 3 ，在本例 中，六维力检测计安装凸台22的台面高出预紧螺钉7上端面2mm。从各相应附图中可以看
出，设置此数值的目的实际上是确保六维力检测计9能够正常工作和产品结构紧凑(图1中， 仅清晰地绘制出了这种性质的高度差，并不表明相应数值或比例)。 实施例3(参考图1、 2):
本例是在总述部分、实施例1或实施例2的基础上，针对本发明中盖子的举例。为确保 本压电式十二维传感器的外壳体20之内的元器件的洁净，进一步确保其检测精确性和可靠 性，在本例中，其盖子1是通过该盖子1上的一圈与基座2的外壳体20的口沿相接触的外 焊接环13和一圈套住封装螺纹筒6上端部的内焊接环14来与该基座2和该封装螺纹筒6焊 接在一起的。该盖子1有一个其下端面与六维力检测计安装凸台22的台面相对且两者轮廓 相同的、对该六维力检测计9施以预紧力的预紧环10。在该预紧环10与外焊接环13之间有 一圈外弹性膜12，在该预紧环10与内焊接环14之间有一圈内弹性膜11;这两圈弹性膜(ll、 12)的下端面在同一平面上、且均高于该预紧环10的下端面2mm 5mm(本例取3mm)，两个 弹性膜(ll、 12)的厚度相等、且均为0.1mm 0.2mm(本例取0.15iMi)。为确保外力/力矩信 息能很好地传递到六维力检测计上，该盖子l最好选用高弹性模量材料(如镍铬钢、合金钢) 加工制作。
显然，结合对本发明优越性的了解，本领域的技术人员己经清楚本例在盖子l上设置 内外弹性膜(ll、 12)、选用高弹性模量材料的目的，均是从工艺及其确保产品质量方面考虑 的，与现有技术中须测量其形变的"弹性体"有本质区别。
在本例中，为便于焊接，把该盖子1设计成塞入式地盖在基座2的外壳体20 口沿之内 的形式(参考图1)。
进一步讲，在上述具体实施方式
的总述及其各实施例中，六维加速度检测计5中的十六 片石英晶片(jxl jxl6)与六维力检测计9中的十六片石英晶片(jdl jdl6)均为各自直径相 等的圆形。两者(jx与jd)之间的直径可以相等，也可以不相等——这要根据本发明传感器 的测量范围确定(鉴于本领域的技术人员已经完全能够根据常规的计算或试验来确定两者的直径差别了，故不详述)。
各个电极(dxl dx16和ddl ddl6)也均为圆形，它们的直径分别与各自对应的石英晶 片(jxl jxl6和jdl jdl6)相等。
更进一步讲，在上述具体实施方式
的总述及其各实施例中，六维加速度检测计5中绝缘 电极板51和六维力检测计9中绝缘电极板91，均可以是由聚四氟乙烯制成的圆环板；从确 保检测准确和安装工艺等角度考虑，这两种尺寸的聚四氟乙烯圆环板的轮廓，分别与各自对 应的加速度检测计安装凸台21的台面和六维力检测计凸台22的台面相等。两种绝缘电极板 (51、 91)所对应的电极(dxl dx16和ddl ddl6)分别在镀在两者的聚四氟乙烯圆环板的中 心环线上的对应位置上。
显然，为结构紧凑，外壳体20和六维力检测计凸台22上的导线孔23、外壳体20与六 维力检测计安装凸台22之间有引线间隙23'，均不宜过大，以既能够引导绝缘屏蔽信号引
线8、又不影响加工为度。从便于安装各个外插座(C, Cw)角度考虑，外壳体20的外壁面
应当设计加工成矩形体的平面；外壳体20的内壁面，根据工艺条件与加工方法，既可以是 圆柱面、也可以矩形体的平面。
权利要求
1、一种压电式十二维传感器，该传感器包括带有导线孔(23)和与该导线孔(23)相通的外插座(C)的基座(2)、盖在该基座(2)上的盖子(1)、通过预紧螺钉(7)压住而从下往上安装在该基座(2)内的六维加速度检测计(5)和惯性质量块(4)；该预紧螺钉(7)的轴线和该六维加速度检测计(5)的轴线，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴同轴；该六维加速度检测计(5)由十六片石英晶片(jx1～jx16)和夹持这十六片石英晶片(jx1～jx16)的两片完全相同的环形的绝缘电极板(51)构成；这十六片石英晶片(jx1～jx16)在一个与所述Z轴同轴的三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的一个参考圆(50)的圆周上；其中，在该参考圆(50)与X、Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)，其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片(jx1、jx2、jx4、jx5、jx6、jx8、jx9、jx10、jx12、jx13、jx14、jx16)；这四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)的敏感轴垂直于参考圆(50)且其敏感轴的方向一致，这四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)的Y轴的延长线与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴正交，且该Y轴的正向均沿该参考圆(50)离心或向心分布；每一X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(jx2、jx4、jx6、jx8、jx10、jx12、jx14、jx16)的敏感轴与该参考圆(50)相切且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在该参考圆(50)与X、Y轴交点处的四片Y0°切型石英晶片(jx1、jx5、jx9、jx13)的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四片Y0°切型石英晶片(jx1、jx9与jx5、jx13)的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向；所述的两片绝缘电极板(51)的内侧上均有与这十六片石英晶片(jx1～jx16)一一对应的十六个电极(dx1～dx16)；其中，与同在X轴上的两片Y0°切型石英晶片(jx1、jx9)所对应的电极(dx1、dx9)连通、构成X向的线加速度(aX)值的信号输出端(Q1)，与同在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片(jx5、jx13)所对应的电极(dx5、dx13)连通、构成Y向的线加速度(aY)值的信号输出端(Q3)，与每一片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(jx2、jx4、jx6、jx8、jx10、jx12、jx14、jx16)所对应的电极(dx2、dx4、dx6、dx8、dx10、dx12、dx14、dx16)以靠近X轴负向一侧的两片电极(dx2、dx16)为首尾、依次串连构成Z向的角加速度(aθZ)值的信号输出端(Q2)；与四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)所对应的四个电极(dx3、dx7、dx11、dx15)各自为一个加速度待算信号输出端(Q4～Q7)，这四个加速度待算信号输出端(Q4～Q7)的输出值通过加法运算，为Z向的线加速度(aZ)值；位于Y轴负向一侧两个加速度待算信号输出端(Q6、Q7)的输出值之和，减去另两个加速度待算信号输出端(Q4、Q5)的输出值，为X向的角加速度(aθX)值；位于X轴正向一侧两个加速度待算信号输出端(Q6、Q5)的输出值之和，减去另两个加速度待算信号输出端(Q4、Q7)的输出值，为Y向的角加速度(aθY)值；两片绝缘电极板(51)内侧上相同的信号输出端分别通过穿过所述导线孔(23)的绝缘屏蔽信号引线(8)与各自对应的外插座(C1～C7)连接；其特征在于，所述基座(2)有一个外壳体(20)，在该基座(2)的外壳体(20)之内有两个与所述Z轴同轴的圆筒型凸台；在内的这一圆筒型凸台是加速度检测计安装凸台(21)，该加速度检测计安装凸台(21)呈无底的圆筒状，其中间的圆孔为螺纹孔；所述六维加速度检测计(5)及其上方的惯性质量块(4)安装在该加速度检测计安装凸台(21)的台面上，所述预紧螺钉(7)通过其螺杆前端的螺纹拧在该加速度检测计安装凸台(21)的螺纹孔上半部分；该预紧螺钉(7)的轴心有一贯通的圆孔，有一个通过其下端的外螺纹拧紧在该加速度检测计安装凸台(21)的螺纹孔下半部分的封装螺纹筒(6)，以间隙配合状态向上穿过该预紧螺钉(7)轴心的圆孔；在外的这一圆筒型凸台是一个其台面不低于所述预紧螺钉(7)上端面的六维力检测计安装凸台(22)；在该六维力检测计安装凸台(22)的台面上安装有一个同时空套在该封装螺纹筒(6)上部的六维力检测计(9)；所述盖子(1)以对该六维力检测计(9)施以预紧力且同时紧套着该封装螺纹筒(6)上端部的状态，固定地盖在所述基座(2)的外壳体(20)上；该六维力检测计安装凸台(22)与所述六维加速度检测计(5)对应的腰间部分，也有让该六维加速度检测计(5)所连接的绝缘屏蔽信号引线(8)穿过的导线孔(23)；其中，所述六维力检测计(9)由十六片石英晶片(jd1～jd16)和其轮廓与该六维力检测计安装凸台(22)的台面相同的绝缘电极板(91)构成，这十六片石英晶片(jd1～jd16)在一个与所述Z轴同轴的三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的另一个参考圆(90)的圆周上，该参考圆(90)的直径等于该六维力检测计凸台(22)台面的中心环直径；在该参考圆(90)与X、Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)，其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片(jd1、jd2、jd4、jd5、jd6、jd8、jd9、jd10、jd12、jd13、jd14、jd16)；四片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)的敏感轴垂直于该参考圆(90)且其敏感轴的方向一致；每一X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(jd2、jd4、jd6、jd8、jd10、jd12、jd14、jd16)的敏感轴与参考圆(90)相切且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在参考圆(90)与X、Y轴交点处的四片Y0°切型石英晶片(jd1、jd5、jd9、jd13)的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四片Y0°切型石英晶片(jd1、jd9与jd5、jd13)的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向；所述绝缘电极板(91)上有与这十六片石英晶片(jd1～jd16)一一对应的十六个电极(dd1～dd16)；其中，与同在X轴上的两片Y0°切型石英晶片(jd1、jd9)所对应的电极(dd1、dd9)连通、构成X向的力(FX)值的信号输出端(Q8)，与同在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片(jd5、jd13)所对应的电极(dd5、dd13)连通、构成Y向的力(FY)值的信号输出端(Q10)，与每一片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(jd2、jd4、jd6、jd8、jd10、jd12、jd14、jd16)所对应的电极(dd2、dd4、dd6、dd8、dd10、dd12、dd14、dd16)以靠近X轴负向一侧的两片电极(dd2、dd16)为首尾、依次串连构成Z向的力矩(MZ)值的信号输出端(Q9)；与四片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)所对应的四个电极(dd3、dd7、dd11、dd15)各自为一个力/力矩待算信号输出端(Q11～Q14)，这四个力/力矩待算信号输出端(Q11～Q14)的输出值通过加法运算，为Z向的力(FZ)值；位于Y轴负向一侧两个力/力矩待算信号输出端(Q13、Q14)的输出值之和，减去另两个力/力矩待算信号输出端(Q11、Q12)的输出值，为X向的力矩(MX)值；位于X轴正向一侧两个力/力矩待算信号输出端(Q13、Q12)的输出值之和，减去另两个力/力矩待算信号输出端(Q11、Q14)的输出值，为Y向的力矩(MY)值；在所述基座(2)的外壳体(20)与六维力检测计安装凸台(22)之间有引线间隙(23′)，上述这些信号输出端分别通过穿过引线间隙(23′)的绝缘屏蔽信号引线(8)与各自对应的与该引线间隙(23′)相通的外插座(C8～C14)连接。
2、 根据权利要求1所述的压电式十二维传感器，其特征在于，构成所述六维力检测计 (9)的绝缘电极板(91)为夹住所述的十六片石英晶片(jdl jdl6)对称的两块，这两块绝缘电 极板91各自的十六个电极(ddl dd16)呈镜像对称地分别设置在这两块绝缘电极板(91)的内 侧；这两块绝缘电极板(91)上相同电极及其相同电极组合所构成的各个信号输出端分别通过绝缘屏蔽信号引线(8)来与各自对应的外插座(<38 014)连接；所述的四片XO。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)的Y轴的延长线与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴正交，且 其Y轴的正向均沿所述参考圆离心或向心分布。
3、 根据权利要求1或2所述的压电式十二维传感器，其特征在于，所述六维力检测计 安装凸台(22)的台面高出所述预紧螺钉(7)上端面1 3 mm。
4、 根据权利要求1或2所述的压电式十二维传感器，其特征在于，所述盖子(l)是通过 该盖子(1)上的一圈与所述基座(2)的外壳体(20)的口沿相接触的外焊接环(13)和一圈套住 所述封装螺纹筒(6)上端部的内焊接环(14)来与该基座(2)和该封装螺纹筒(6)焊接在一起 的；该盖子(1)有一个其下端面与所述六维力检测计安装凸台(22)的台面相对且两者轮廓相 同的、对该六维力检测计(9)施以预紧力的预紧环(10);在该预紧环(10)与外焊接环(13)之 间有一圈外弹性膜(12)，在该预紧环(10)与内悍接环(14)之间有一圈内弹性膜(11);这两圈 弹性膜(ll、 12)的下端面在同一平面上、且均高于该预紧环(10)的下端面2mm 5mm,两个 弹性膜(ll、 12)的厚度相等、且均为0. 1 ran 0. 2 mm。
5、 根据权利要求1或2所述的压电式十二维传感器，其特征在于，所述的六维加速度 检测计(5)中的十六片石英晶片(jxl jxl6)与六维力检测计(9)中的十六片石英晶片(jd1 jdl6)均为各自直径相等的圆形。
6、 根据权利要求3所述的压电式十二维传感器，其特征在于，所述盖子(l)是通过该盖 子(1)上的一圈与所述基座(2)的外壳体(20)的口沿相接触的外焊接环(13)和一圈套住所述 封装螺纹筒(6)上端部的内焊接环(14)来与该基座(2)和该封装螺纹筒(6)焊接在一起的；该 盖子(1)有一个其下端面与所述六维力检测计安装凸台(22)的台面相对且两者轮廓相同的、 对该六维力检测计(9)施以预紧力的预紧环(10);在该预紧环(10)与外焊接环(13)之间有一 圈外弹性膜(12)，在该预紧环(10)与内焊接环(14)之间有一圈内弹性膜(11);这两圈弹性膜 (11、 12)的下端面在同一平面上、且均高于该预紧环(10)的下端面2ran 5mm，两个弹性膜 (11、 12)的厚度相等、且均为0. 1 mm 0. 2 mm。
7、 根据权利要求3所述的压电式十二维传感器，其特征在于，所述的六维加速度检测 计(5)中的十六片石英晶片(jxl jxl6)与六维力检测计(9)中的十六片石英晶片(jdl jd16)均为各自直径相等的圆形。
8、 根据权利要求4所述的压电式十二维传感器，其特征在于，所述的六维加速度检测 计(5)中的十六片石英晶片(jxl jxl6)与六维力检测计(9)中的十六片石英晶片(jdl jd16)均为各自直径相等的圆形。
全文摘要
一种压电式十二维传感器。该传感器包括基座、盖在该基座上的盖子、安装在基座内的六维加速度检测计和六维力检测计。六维加速度检测计通过压在它之上的惯性质量块和预紧螺钉安装在基座内的一个圆筒型凸台上，六维力检测计安装在基座内的另一个同轴的圆筒型凸台上、并由盖子上的预紧环压住。在该预紧环的内外，各有一圈内弹性膜和外弹性膜。与现有的十二维传感器相比较，本发明简化了结构、降低了成本；具有动态特性好、刚度相对较高，无维间耦合等优点。因此，本传感器可应用到机器人、航空航天、民用制造业中的力/加速度的测量以及其它需要同时检测六维力/力矩和六维线加速度/角加速度的场合。
文档编号G01L3/00GK101344446SQ200810070130
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月18日 优先权日2008年8月18日
发明者俊 刘, 刘京诚, 敏 李, 岚 秦 申请人:重庆大学