一种石英压电式六维力检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种石英压电式六维力检测装置，包括长方体外壳和长方体外壳内的多个力传感器，力传感器包括基座、基座顶部的固定卡座、安装在基座内的力敏元件、与力敏元件连接并用于输出力敏元件力及力矩信号的电极引线、安装在固定卡座内的传力杆；共设有4个三维力传感器对称安装在长方体外壳内的四个底角；所述力敏元件为石英晶片，并设有3个石英晶片组由上到下安装在基座内，最上层的石英晶片组的上方设有置于基座内的上固定膜片，最下层的石英晶片组的下方设有置于基座内的下固定膜片；传力杆与上固定膜片连接。本实用新型具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高、性能稳定、几乎不存在滞后现象等优点。
【专利说明】—种石英压电式六维力检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种力检测装置。
【背景技术】
[0002]六维力检测装置是一种能够同时测量X方向，y方向，Z方向上的三个力分量和三个力矩分量的传感器。它是多维力传感器中形式最完整，使用最广泛的一种。近年来，在飞机起落架落地冲力测试、火箭推力测试、航天器对接、风洞测力试验等应用领域，大量程大测力范围高精度六维力检测装置成为急需的高科技产品之一，其研制已成为当前热点，并受到越来越多国内外学者的重视。
[0003]传统的多维力传感器主要还是从设计不同的弹性体结构和改变电阻应变片的贴片位置两方面入手，但由于贴片工艺和弹性体加工精度等因素的影响，设计制造出来的多维力传感器几乎都存在结构复杂、加工制造困难、体积大、动态响应特性差等缺点。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种石英压电式六维力检测装置，结构简单，工作可靠，灵敏度高，性能稳定。
[0005]本实用新型的技术方案为，一种石英压电式六维力检测装置，包括长方体外壳和长方体外壳内的多个力传感器，所述力传感器包括基座、基座顶部的固定卡座、安装在基座内的力敏元件、与力敏元件连接并用于输出力敏元件力及力矩信号的电极引线、安装在固定卡座内的传力杆；共设有4个三维力传感器对称安装在长方体外壳内的四个底角；所述力敏元件为石英晶片，并设有3个石英晶片组由上到下安装在基座内，最上层的石英晶片组的上方设有置于基座内的上固定膜片，最下层的石英晶片组的下方设有置于基座内的下固定膜片；所述传力杆与上固定膜片连接。
[0006]设置上、下固定膜片，避免预紧时产生扭矩，且可防止晶族滑移、脱落；与上固定膜片相连的是传力杆，保证所受的力顺利作用在石英晶组上。
[0007]所述下固定膜片底部与基座之间设有弹簧片。
[0008]每个石英晶片组由两个同极相对放置的石英晶片并联组成。
[0009]所述电极引线夹在每个石英晶片组的两个石英晶片之间，用于输出X，y, z的力及力矩，使晶片结合更牢固、防止电荷遗失。
[0010]所述每个石英晶片组的两个石英晶片由黏结剂粘合在一起。
[0011]所述上固定膜片和下固定膜片均为云母片。
[0012]所述上固定膜片和下固定膜片的厚度均为2mm-3mm。
[0013]所述石英晶片为圆形,且圆形石英晶片的半径为厚度为lmm-2mm。
[0014]其中，所述三维力传感器的石英晶片组直接放入基座中，靠固定膜片提供预紧压力，然后用电子束封焊夹紧。为了保护石英晶片在施加预紧力时不被压裂，在石英晶片的表面垫一个膜片；为了使施加预紧力时不产生扭矩，提高测量的精度，我们将预紧力通过预紧卡座施加在石英晶片上；预紧螺母的作用是施加预紧力，以实现传感器对拉、压力的测量，提高传感器的线性度。
[0015]可将石英压电式六维力检测装置固定安装于智能机器人、飞行器上，实现工作过程中不同方向、不同大小的力、力矩双参数的测量。
[0016]本发明提出的石英压电式六维力检测装置，所述石英晶片组由6个同样尺寸的圆形晶片构成，可根据实际测量要求设计调整晶片个数及尺寸，以满足不同的测量精度要求，在测量过程中，通过信号采集装置对输出信号进行实时采集，获得石英晶组的输出信号(电荷)与所受力之间的关系，实现多维力、力矩的测量。这样，本发明的石英压电式六维力检测装置减小了以往主要存在的结构复杂、加工制造困难、体积大、动态响应特性差等影响，实现了多维力高精度、高灵敏度、稳定可靠的实时测量。
[0017]所述石英晶片组固定设置于下固定膜片上，经上固定膜片连接至传力杆，当外力作用在传力杆上时，各压电石英晶组产生与所受力大小成一定比例的电荷，高灵敏度电荷放大器将其分别转化为模拟电压信号，对电荷放大器进行“归一化”处理，使输出电压信号的数字与所施加力大小相同，高精度的数据采集卡进行A/D转换，通过计算机的软件对采集的信号进行存储、处理，以数字或波形的方式实时显示原始信号，并最终直观地显示解耦后的六维力的数值。
[0018]本发明中六维力检测装置由4个三维力传感器构成。当有外力作用在测力传感器上时，根据以下原则进行分析:
[0019](I)压电石英力检测装置视为刚体，四个三维力测量单元为弹性体，刚度相同、灵敏度相等，呈对称均布配置。
[0020](2)当施加垂直于三维力测量单元布局平面的力(K)时，该力在各单元间按杠杆平衡原则进行分配。
[0021](3)当施加与三维力测量单元布局平面平行的各分力(Ay、/g时，相关的两个三向力测量单元连线与该力垂直时，该力按杠杆平衡原则进行分配；相关的两个三向力测量单元与该力线平行或重合时，则该力平均分配。
[0022](4)当施加与三维力测量单元上表面垂直的力矩氣时，该力矩平均转化到每个三维力测量单元上，并转化为各向分力；而且该力矩将使y、z方向分力同时产生变化。
[0023](5)当施加与三维力测量单元上表面垂直的力矩氧、My时，该力矩将使三维力测量单元z向力产生变化。
[0024](6)外力A可以沿力作用线移动，其值不变，但力作用点不能随意改动，故平行移动时，要符合力加力矩规则。外力向每个三维力测量单元上转化。
[0025]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0026]I)本实用新型采用成熟的工艺技术和材料，克服了以往贴片工艺和弹性体加工精度等因素的影响，具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高、性能稳定、几乎不存在滞后现象等优点；
[0027]2)本实用新型采用多传感器组合的方式，通过数据融合，实现多维力、力矩的高精度测量；
[0028]3)本实用新型采用晶片加工、电子束焊接技术等微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和传感器工作的可靠性水平，并可实现石英压电式多维力传感器的批量生产，有效降低制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本实用新型所述检测装置的外部结构示意图；
[0030]图2为本实用新型所述传感器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0031]如图1、图2所示，一种石英压电式六维力检测装置，包括长方体外壳10和长方体外壳10内的多个力传感器，所述力传感器包括基座9、基座9顶部的固定卡座1、固定卡座I内的上盖2、基座9 一侧的引出插头5、安装在基座9内的力敏元件、与力敏元件连接并用于输出力敏元件力及力矩信号的电极引线8、安装在固定卡座I内的传力杆7 ;共设有4个三维力传感器对称安装在长方体外壳10内的四个底角；所述力敏元件为石英晶片3，并设有3个石英晶片组由上到下安装在基座内，最上层的石英晶片组的上方设有置于基座内的上固定膜片6，最下层的石英晶片组的下方设有置于基座内的下固定膜片11 ;所述传力杆7与上固定膜片6连接；下固定膜片11底部与基座9之间设有弹簧片4。
[0032]每个石英晶片组由两个同极相对放置的石英晶片3并联组成，电极引线8夹在每个石英晶片组的两个石英晶片3之间,每个石英晶片组的两个石英晶片3由黏结剂粘合在一起。
[0033]上固定膜片6和下固定膜片11均为云母片，上固定膜片6和下固定膜片11的厚度均为2mm-3mm。
[0034]石英晶片3为圆形,且圆形石英晶片3的半径为厚度为lmm-2mm。
[0035]传力杆7的材料为铍青铜,长度30mnT40mm。
【权利要求】
1.一种石英压电式六维力检测装置,包括长方体外壳(10)和长方体外壳(10)内的多个力传感器，所述力传感器包括基座(9 )、基座9顶部的固定卡座(I)、安装在基座(9 )内的力敏元件、与力敏元件连接并用于输出力敏元件力及力矩信号的电极引线(8)、安装在固定卡座(I)内的传力杆(7);其特征是，共设有4个三维力传感器对称安装在长方体外壳(10)内的四个底角；所述力敏元件为石英晶片(3)，并设有3个石英晶片组由上到下安装在基座内，最上层的石英晶片组的上方设有置于基座内的上固定膜片(6)，最下层的石英晶片组的下方设有置于基座内的下固定膜片(11);所述传力杆(7)与上固定膜片(6)连接。
2.根据权利要求1所述石英压电式六维力检测装置，其特征是，所述下固定膜片(11)底部与基座(9)之间设有弹簧片(4)。
3.根据权利要求1或2所述石英压电式六维力检测装置，其特征是，每个石英晶片组由两个同极相对放置的石英晶片(3)并联组成。
4.根据权利要求3所述石英压电式六维力检测装置，其特征是，所述电极引线(8)夹在每个石英晶片组的两个石英晶片(3)之间。
5.根据权利要求3所述石英压电式六维力检测装置，其特征是，所述每个石英晶片组的两个石英晶片(3)由黏结剂粘合在一起。
6.根据权利要求1或2所述石英压电式六维力检测装置，其特征是，所述上固定膜片(6)和下固定膜片(11)均为云母片。
7.根据权利要求1或2所述石英压电式六维力检测装置，其特征是，所述上固定膜片(6)和下固定膜片(11)的厚度均为2mm-3mm。
8.根据权利要求3所述石英压电式六维力检测装置，其特征是，所述石英晶片(3)为圆形，且圆形石英晶片(3)的半径为厚度为lmm-2mm。
【文档编号】G01L5/16GK203519229SQ201320562893
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】陈伟, 雷凯, 王玉明, 何峰, 金忠, 曹勇飞, 彭光明, 林永 申请人:中国电子科技集团公司第四十八研究所