一种压电应变组合式微振动测量装置的制造方法
【专利摘要】一种压电应变组合式微振动测量装置，涉及用于宽频测量的力传感器领域；由底盘、四个压电应变组合式力传感器、台面；底盘与台面通过压电应变组合式力传感器连接；压电应变组合式力传感器由基座、压紧螺钉、壳体、压电片保护片、压电片组、立柱、应力集中孔以及压电片。壳体固定在基座上，横截面为中空四边形，每边内壁上放置一片压电片保护片，压电片保护片内侧放置压电片组。每个压电片组均包含若干拉压式压电片和若干剪切式压电片；立柱圆截面部分贴有应变片，应变片关于立柱轴线轴对称；通过应变片和压电片，可感应台面受到的六维力；本发明能精确测量微小扰动源的振动力和振动力矩，测量的频率范围宽，测量可靠性高。
【专利说明】
一种压电应变组合式微振动测量装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于宽频测量的力传感器领域，特别是一种压电应变组合式微振动测量装置。【背景技术】
[0002]六维力传感器是一类常用的力学测量设备，用于测量连接界面或活动部件对支撑结构的反作用力和力矩。航天器上活动部件运动引起的扰动力通常也采用六维力传感器进行测量。
[0003]航天器上所采用的活动部件种类繁多，扰动特性各异，对测量设备也提出了不同的需求。对于太阳翼驱动机构、天线驱动机构等柔性附件驱动机构，其扰动力中，不仅包含驱动电机自身产生的宽频扰动，还包含柔性附件振动引起的低频扰动。此类活动部件扰动特性的测量对传感器提出了较高的要求，不仅需覆盖5?1000Hz的频带，还要求在0?5Hz内也具有较高的测量精度。传统的六维力传感器一般采用压电式原理或应变式原理。压电式传感器测量频带宽，刚度高，但其低频特性欠佳，一般在5Hz以下，其测量精度显著降低。应变式传感器均由良好的低频特性，但其高频响应受到应变片粘贴工艺及传感器局部特性的影响，信号质量不高。
[0004]目前的航天器大多都属于大型柔性展开式机构，且带有大量的光学元件，它们对指向精度和稳定度均提出了很高的要求。另外，在现代航天器姿态控制系统中，反作用轮、 单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等是其控制系统中的重要元件，它们在提供必要的控制动力的同时，也会引起一些有害振动(为简单起见，下面将上述三种系统统称为扰动源)。这些扰动主要由飞轮不平衡、轴承扰动、电机扰动、电机驱动误差等引起的，其中飞轮不平衡是导致单框架力矩陀螺振动的最主要原因，这些扰动力和扰动力矩会降低太空中精密性仪器的性能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰动的动态特性，对于分析并消除扰动从而提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计有着非常重要的工程意义。
[0005]由于航天器扰动源的扰动很小，个别有效载荷如动量轮在空间三个方向只能产生几十毫牛顿甚至几毫牛顿的微弱扰动，要想在具有相对强烈干扰背景噪音的地面实验室中测量此类扰动十分困难，而其对应传感器的精度要求非常高。本发明能精确测量微小扰动源的振动力和振动力矩，测量的频率范围精确，测量可靠性高。
[0006]目前，国内外尚未见有关此类超低频微小振动测量系统的文献报导。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种压电应变组合式微振动测量装置，在低频段和高频段均可获得较高的测量精度。可测量航天器运行过程中，扰动源在空间六个自由度产生的扰动力，克服了压电式力传感器在低频区域精确度较低的不足，为提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计提供可靠的测试数据。
[0008]本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的:
[0009]—种压电应变组合式微振动测量装置，包括底盘、压电应变组合式力传感器和台面;其中底盘位于底部;压电应变组合式力传感器固定安装在底盘的上表面;台面固定安装在压电应变组合式力传感器的上表面;所述台面上部分为板状形状，板状形状的下部为十字方柱，所述十字方柱对称的将台面的下部空间分成四个相等区域;在台面与底盘之间固定安装4个压电应变组合式力传感器;4个压电应变组合式力传感器对称分布在所述的四个相等区域中。
[0010]在上述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:所述压电应变组合式力传感器包括基座、壳体、压电片保护片、压电片组和立柱;其中，基座位于底部;壳体固定安装在基座的上表面，壳体为中空长方体，四个边每边内壁的侧面竖直固定安装有压电片保护片;每个压电片保护片的内侧表面竖直固定安装压电片组;立柱竖直固定安装在基座的上表面，且位于壳体的中心位置;所述基座固定安装在底盘的上表面;所述立柱上表面与台面的下表面接触。
[0011]在上述的压电应变组合式微振动测量装置，压电片组均包含n个拉压式压电片和m 个剪切式压电片;其中n为正整数;m为正整数;且壳体每边内壁的侧面安装的压电片组中， 拉压式压电片个数相同，剪切式压电片个数相同。
[0012]在上述的压电应变组合式微振动测量装置，所述立柱分为上下两部分，其中上部分为圆柱体结构，下部分为正方体结构。[〇〇13] 在上述的压电应变组合式微振动测量装置，4个压电片组包围在立柱下部分正方体结构的周围，且紧贴接触立柱下部分正方体结构的四个外壁。
[0014]在上述的压电应变组合式微振动测量装置，所述立柱上部分的圆柱体结构上设置有应力集中孔和应变片;立柱沿轴向方向分上、中、下三层布置，每层均在圆柱体结构周向外壁粘贴4片应变片，每层应变片位于立柱同一平面内，共粘贴12片应变片;每个应变片旁均开有一个应力集中孔。
[0015]在上述的压电应变组合式微振动测量装置，所述应力集中孔为长方形孔，且靠近应变片的部位设置有尖角。
[0016]在上述的压电应变组合式微振动测量装置，所述每层的应变片分布位置相同，且均匀分布在圆柱体结构周向外壁的同一平面内；上层和下层的应变片组成两个全桥电路； 中层的应变片中，每相对的两个应变片组成一个半桥电路，共两个半桥电路。
[0017]在上述的压电应变组合式微振动测量装置，所述的全桥电路包括4片应变片，分别为应变片R1、应变片R2、应变片R3、应变片R4;其中应变片R1与应变片R2相邻布置，应变片R2 与应变片R3相邻布置，应变片R3与应变片R4相邻布置，应变片R4与应变片R1相邻布置;应变片R1末端与应变片R2首端连接，应变片R2末端与应变片R4首端连接，应变片R4末端与应变片R3首端连接，应变片R3末端与应变片R1首端连接;在R1的首端和R4的首端分别连接电源的正极和负极，在R2的首端和R3的首端连接输出信号的正极和负极。
[0018]在上述的压电应变组合式微振动测量装置，所述的半桥电路包括2片应变片和2片外接电阻;两片应变片分别为应变片R1、应变片R2;两片外接电阻记为电阻R3、电阻R4;其中应变片R1末端与应变片R2首端连接，应变片R2末端与电阻R4首端连接，电阻R4末端与电阻 R3首端连接，电阻R3末端与应变片R1首端连接;应变片R1的首端和电阻R4的首端分别连接电源的正极和负极，应变片R2的首端和R3的首端连接输出信号的正极和负极。
[0019]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0020] (1)本发明同时采用应变敏感元件和压电敏感元件测量，在全频段均具有较高的灵敏度，解决了单一类型敏感器测量频段覆盖不全面的问题。在中高频段，两种测量元件的数据互为补充、互相校验，提高测量结果的可靠度；
[0021] (2)本发明中的测量装置和被测量试件分离，不需要在被测量试件上安装附加设备和传感器，不影响被测试件的动态特性，不损伤被测试件结构，试验完毕后试件还可以正常使用；[〇〇22] (3)本发明结构尺寸可以在允许的范围内变化，不需要针对每种被测件单独设计压电应变组合式微振动测量系统，只需要设计安装夹具即可；[〇〇23] (4)本发明中应力集中孔为长方形孔，且靠近应变片的部位设置有尖角，实现了在保证测量装置整体刚度的前提下，提高应变片的灵敏度，可实现对微小扰动力的测量；
[0024] (5)本发明在立柱上部分的圆柱体结构沿轴向方向分上、中、下三层布置，每层均在圆柱周向粘贴4片应变片，上层和下层的应变片组成两个全桥电路；中层的应变片中，每相对的两个应变片组成一个半桥电路，共两个半桥电路;实现了在紧凑的结构内实现对空间6自由度的扰动力和力矩同时测量，集成度高、测量信息丰富。【附图说明】
[0025]图1为本发明压电应变组合式微振动测量装置结构示意图；
[0026]图2为本发明压电应变组合式微振动测量装置组成示意图；[〇〇27]图3为本发明压电应变组合式力传感器组成示意图；
[0028]图4为本发明压电应变组合式力传感器压电片布置示意图；[〇〇29]图5a为本发明实施例全桥电路接线方式示意图；[〇〇3〇]图5b为本发明实施例半桥电路接线方式示意图。【具体实施方式】[〇〇31]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0032]本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是:一种压电应变组合式微振动测量装置，其测量频率可覆盖〇?1000Hz。
[0033]如图1所示为压电应变组合式微振动测量装置结构示意图，由图可知，一种压电应变组合式微振动测量装置，包括底盘1、压电应变组合式力传感器2和台面3;其中底盘1位于底部;压电应变组合式力传感器2固定安装在底盘1的上表面；台面3固定安装在压电应变组合式力传感器2的上表面；
[0034]如图2所示为压电应变组合式微振动测量装置组成示意图，由图可知，所述台面3 上部分为板状形状，可以为长方体或其它板状形状，板状形状的下部为十字方柱，所述十字方柱对称的将台面3的下部空间分成四个相等区域;在台面3与底盘1之间固定安装4个压电应变组合式力传感器2;4个压电应变组合式力传感器对称分布在所述的四个相等区域中。 [〇〇35] 如图3所示为压电应变组合式力传感器组成示意图，由图可知，压电应变组合式力传感器2包括基座2-1、压紧螺钉2-2、壳体2-3、压电片保护片2-4、压电片组2-5和立柱2-6; 其中，基座2-1位于底部;壳体2-3固定安装在基座2-1的上表面，壳体2-3为中空长方体，四个边每边内壁的侧面竖直固定安装有压电片保护片2-4;压紧螺钉2-2通过螺纹孔从壳体2-3外旋入，与压电片保护片2-4接触，通过拧紧压紧螺钉2-2,将压电片保护片2-4和压电片组 2-5压紧在立柱2-6上;所述立柱2-6上部分的圆柱体结构上设置有应力集中孔2-7和应变片 2-8;立柱2-6沿轴向方向分上、中、下三层布置，每层均在圆柱体结构周向外壁粘贴4片应变片2-8，每层应变片2-8位于立柱2-6同一平面内，共粘贴12片应变片2-8;每个应变片2-8旁均开有一个应力集中孔2-7;所述应力集中孔2-7为长方形孔，且靠近应变片2-8的部位设置有尖角。
[0036]如图4所示为压电应变组合式力传感器压电片布置示意图，由图可知，每个压电片保护片2-4的内侧表面竖直固定安装压电片组2-5;立柱2-6竖直固定安装在基座2-1的上表面，且位于壳体2-3的中心位置;所述基座2-1固定安装在底盘1的上表面;所述立柱2-6上表面与台面3的下表面接触；[〇〇37]其中，压电片组2-5均包含n个拉压式压电片和m个剪切式压电片;其中n为正整数； m为正整数;且壳体2-3每边内壁的侧面安装的压电片组2-5中，拉压式压电片个数相同，剪切式压电片个数相同。
[0038]立柱2-6分为上下两部分，其中上部分为圆柱体结构，下部分为正方体结构;4个压电片组2-5包围在立柱2-6下部分正方体结构的周围，且紧贴接触立柱2-6下部分正方体结构的四个外壁。
[0039]每层的应变片(2-8)分布位置相同，且均勾分布在圆柱体结构周向外壁的同一平面内；上层和下层的应变片组成两个全桥电路；中层的应变片中，每相对的两个应变片组成一个半桥电路，共两个半桥电路。
[0040]如图5a所示为实施例全桥电路接线方式示意图，有图可知，所述的全桥电路包括4 片应变片，分别为应变片R1、应变片R2、应变片R3、应变片R4;其中应变片R1与应变片R2相邻布置，应变片R2与应变片R3相邻布置，应变片R3与应变片R4相邻布置，应变片R4与应变片R1 相邻布置;应变片R1末端与应变片R2首端连接，应变片R2末端与应变片R4首端连接，应变片 R4末端与应变片R3首端连接，应变片R3末端与应变片R1首端连接;在R1的首端和R4的首端分别连接电源的正极和负极，在R2的首端和R3的首端连接输出信号的正极和负极。[0041 ]接入全桥电路的四个应变片的电阻均为R，接入全桥电路的输入电压为U，全桥电路的输出电压为A U;其中U由动态应变仪提供，A U是由于应变片变形产生，并接入动态应变仪;本发明中的上层和下层的8应变片，可以组成2个全桥电路；当扰动源产生振动时，由于应变式力传感器发生变形而导致粘贴在其上的应变片发生变形，从而2个全桥电路均产生输出电压A U;动态应变仪采集到2个A U并通过信号线传输到数据采集和处理系统。 [〇〇42]如图5b所示为实施例半桥电路接线方式示意图，由图可知，所述的半桥电路包括2 片应变片和2片外接电阻;两片应变片分别为应变片R1、应变片R2;两片外接电阻记为电阻 R3、电阻R4;其中应变片R1末端与应变片R2首端连接，应变片R2末端与电阻R4首端连接，电阻R4末端与电阻R3首端连接，电阻R3末端与应变片R1首端连接;应变片R1的首端和电阻R4 的首端分别连接电源的正极和负极，应变片R2的首端和R3的首端连接输出信号的正极和负极。
[0043]接入半桥电路的两个应变片的电阻和两个固定电阻均为R，接入半桥电路的输入电压为U，半桥电路的输出电压为AU;其中U由动态应变仪提供，A U是由于应变片变形产生，并接入动态应变仪;本发明中的中层的4片应变片和4个固定电阻可以组成2个半桥电路；当扰动源产生振动时，由于应变式力传感器发生变形而导致粘贴在其上的应变片发生变形，从而2个半桥电路均产生输出电压A U;动态应变仪采集到2个A U并通过信号线传输到数据采集和处理系统。[〇〇44]当立柱2-6与基座2-1之间存在作用力时，若作用力为X向或Y向，4组压电片组中， 有两组拉压压电片表面产生感应电压，另外两组剪切压电片表面产生感应电压，若作用力为Z向，4组压电片组中的剪切压电片表面产生感应电压。通过分别测量4组压电片内剪切压电片的感应电压和拉压压电片的感应电压，可获取立柱2-6与基座2-1之间X、Y、Z三个方向的作用力。[〇〇45]对于应变测量部分，当立柱2-6与基座2-1之间存在作用力时，不同方向的作用力引起各应变片的电阻变化均不相同，通过在立柱上施加X向、Y向、Z向的标准作用力，可获取 12片应变片阻值变化量与个方向作用力大小的对应关系，进而获取传感器的标定矩阵，实现立柱2-6与基座2-1之间X、Y、Z三个方向的作用力的测量。[〇〇46]把底盘1固定，当有力或力矩作用在台面3上时，4个压电应变组合式力传感器2产生测量信号，通过测量4个支撑点X、Y、Z三个方向的作用力，可以解算得到台面3所受到的六维力分量。
[0047]将压电应变组合式微振动测量系统安装在地基上，将微小扰动源试件安装在台面 1上，检查应变片和压电片的信号是否正常，之后运行微小扰动源，使其产生振动，从而使压电应变组合式力传感器2上粘贴的应变片组成的全、半桥电路和压电片产生电压信号，该电压信号通过数据采集和处理系统转化为三个微小振动力信号和三个微小振动力矩信号，以此为基础可以准确分析出微小扰动源的振动特性。
[0048]总之，本发明测量系统可以精确测量微小扰动源的振动力，测量的频率范围可以精确到〇Hz，并且测量的可靠性高。
[0049]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:包括底盘(1)、压电应变组合式 力传感器(2)和台面(3);其中底盘(1)位于底部;压电应变组合式力传感器(2)固定安装在 底盘(1)的上表面；台面(3)固定安装在压电应变组合式力传感器(2)的上表面;所述台面 (3)上部分为板状形状，板状形状的下部为十字方柱，所述十字方柱对称的将台面(3)的下 部空间分成四个相等区域;在台面(3)与底盘(1)之间固定安装4个压电应变组合式力传感 器(2) ;4个压电应变组合式力传感器对称分布在所述的四个相等区域中。2.根据权利要求1所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:所述压电应变 组合式力传感器(2)包括基座(2-1)、壳体(2-3)、压电片保护片(2-4)、压电片组(2-5)和立 柱(2-6);其中，基座(2-1)位于底部;壳体(2-3)固定安装在基座(2-1)的上表面，壳体(2-3) 为中空长方体，四个边每边内壁的侧面竖直固定安装有压电片保护片(2-4);每个压电片保 护片(2-4)的内侧表面竖直固定安装压电片组(2-5);立柱(2-6)竖直固定安装在基座(2-1) 的上表面，且位于壳体(2-3)的中心位置;所述基座(2-1)固定安装在底盘(1)的上表面;所 述立柱(2-6)上表面与台面(3)的下表面接触。3.根据权利要求2所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:压电片组(2-5)均包含n个拉压式压电片和m个剪切式压电片;其中n为正整数;m为正整数;且壳体(2-3) 每边内壁的侧面安装的压电片组(2-5)中，拉压式压电片个数相同，剪切式压电片个数相 同。4.根据权利要求2所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:所述立柱(2-6)分为上下两部分，其中上部分为圆柱体结构，下部分为正方体结构。5.根据权利要求4所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:4个压电片组 (2-5)包围在立柱(2-6)下部分正方体结构的周围，且紧贴接触立柱(2-6)下部分正方体结 构的四个外壁。6.根据权利要求4所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:所述立柱(2-6)上部分的圆柱体结构上设置有应力集中孔(2-7)和应变片(2-8);立柱(2-6)沿轴向方向 分上、中、下三层布置，每层均在圆柱体结构周向外壁粘贴4片应变片(2-8 )，每层应变片(2-8)位于立柱(2-6)同一平面内，共粘贴12片应变片(2-8);每个应变片(2-8)旁均开有一个应 力集中孔(2-7)。7.根据权利要求6所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:所述应力集中 孔(2-7)为长方形孔，且靠近应变片(2-8)的部位设置有尖角。8.根据权利要求6所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:所述每层的应 变片(2-8)分布位置相同，且均匀分布在圆柱体结构周向外壁的同一平面内；上层和下层的 应变片组成两个全桥电路；中层的应变片中，每相对的两个应变片组成一个半桥电路，共两 个半桥电路。9.根据权利要求8所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:所述的全桥电 路包括4片应变片，分别为应变片R1、应变片R2、应变片R3、应变片R4;其中应变片R1与应变 片R2相邻布置，应变片R2与应变片R3相邻布置，应变片R3与应变片R4相邻布置，应变片R4与 应变片R1相邻布置;应变片R1末端与应变片R2首端连接，应变片R2末端与应变片R4首端连 接，应变片R4末端与应变片R3首端连接，应变片R3末端与应变片R1首端连接;在R1的首端和 R4的首端分别连接电源的正极和负极，在R2的首端和R3的首端连接输出信号的正极和负极。10.根据权利要求8所述的压电应变组合式微振动测量装置，其特征在于:所述的半桥 电路包括2片应变片和2片外接电阻;两片应变片分别为应变片R1、应变片R2;两片外接电阻 记为电阻R3、电阻R4;其中应变片R1末端与应变片R2首端连接，应变片R2末端与电阻R4首端 连接，电阻R4末端与电阻R3首端连接，电阻R3末端与应变片R1首端连接;应变片R1的首端和 电阻R4的首端分别连接电源的正极和负极，应变片R2的首端和R3的首端连接输出信号的正 极和负极。
【文档编号】G01H11/08GK105973455SQ201610479578
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】王光远, 郝刚刚, 吴蓓蓓, 管帅, 赵煜, 金涛
【申请人】北京空间飞行器总体设计部