本发明专利技术请求保护一种压电式六维力传感器，包括传感器基座、盖子和通过传力预紧架固定于基座内的两个工作平面相对的压电四维测力计。以传感器的安装平面建立右手笛卡儿坐标系，测力计的Ｙ０↑［０］和Ｘ０↑［０］切型压电石英晶片的安装位置满足：晶片均为偶数片，均匀分布在两个同心圆上，Ｘ０↑［０］切型压电石英晶片的敏感轴方向相同且平行于Ｙ轴；在过每个测力计中心的水平方向和垂直方向上分别布置两片敏感轴方向相同且分别平行于Ｘ轴和Ｚ轴的Ｙ０↑［０］切型压电石英晶片，余下晶片的敏感轴沿所在圆周的切线方向布置，且其敏感轴方向沿同一时针方向布置。本传感器具有结构简单紧凑，体积小，不存在极间干扰，无需对传感器的输出信号进行解耦运算就可以得到输出结果等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于压电传感器
，具体涉及一种测量空间六维力的传感器。
技术介绍
目前，公知的六维力传感器广泛采用的是在复杂的弹性体上粘贴应变片的方式，通过对应变片的输出信号进行解耦运算得到六维力信号。加工这类多维力传感器需要高精度的加工设备，加工难度大，难以实现传感器的小型化。同时，由于各方向上存在耦合现象，需要对输出信号进行复杂的解耦运算才能得到输出结果。除了采用在弹性体上直接贴应变片的方式外，中国专利CN00119096.2公开了一种利用厚膜技术，在膜片上烧结厚膜力敏电阻，通过解耦的方式实现对六维力信号的测量方法，这种方法虽然克服了传统六维力传感器粘贴应变片方式的绝大部分缺点，但各方向上仍然存在耦合现象，仍然需要对力敏电阻的输出信号进行进一步的解耦运算才能得到输出结果。现也有压电式的三维力传感器，采用石英晶片作为敏感元件，不需要解耦运算，能直接得到输出结果。但这种压电式三维力传感器不能实现对空间六维力的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种结构简单、无需解耦运算的直接输出型压电式六维力传感器。本专利技术的技术解决方案如下本专利技术提出的压电式六维力传感器包括传感器基座、传感器盖子和固定安装于传感器基座内的压电测力计等部件。其中，压电测力计采用压电四维测力计，该压电四维测力计由Y00和X00切型压电石英晶片、绝缘定位架、信号引出插座和测力计盒构成。Y00和X00切型压电石英晶片安装在绝缘定位架同一平面上的定位孔中，绝缘定位架固定在测力计盒中。以传感器的安装平面建立右手笛卡儿坐标系，其中Z轴垂直于传感器安装平面向上，Y轴向右，Y00和X00切型压电石英晶片的安装位置应满足以下条件Y00切型压电石英晶片和X00切型压电石英晶片均采用偶数片，分别均匀分布在两个同心圆上；X00切型压电石英晶片的敏感轴方向相同且平行于Y轴；Y00切型压电石英晶片在圆周上的布置应满足在过每个测力计中心的水平方向和垂直方向上要分别布置两片敏感轴方向相同且分别平行于X轴和Z轴的Y00切型压电石英晶片，余下的Y00切型压电石英晶片的敏感轴沿所在圆周的切线方向布置，且其敏感轴方向沿同一时针，即顺时针或逆时针方向布置。上述这样的压电四维测力计共有两个，对称地安装在传感器基座内的传力预紧架的两端，两个压电四维测力计的工作平面应相对，每个压电四维测力计各由四个信号引出插座将信号引出，敏感轴方向相同的Y00和X00切型压电石英晶片的信号输出电极分别并联后各自连接到信号引出插座，信号引出插座从传感器盖子上露出，向外输出测量信号。传力预紧架中心设有施力装置连接螺孔，通过螺杆与将传感器与施力平台连接，以获得外力。本专利技术中，也可采用压电陶瓷晶片替代压电石英晶片，它们的对应关系为X00切型压电石英晶片可替换为Z00切型(即晶片厚度沿Z轴方向)压电陶瓷晶片，Y00切型压电石英晶片可替换为Y00或X00切型压电陶瓷晶片，达到的技术效果相同。本专利技术提出的压电六维力传感器结构简单紧凑，体积小，不存在极间干扰，无需对传感器的输出信号进行解耦运算就可以得到输出结果。附图说明图1是本压电六维力传感器中的测力计的剖面结构示意图；图2是测力计中安装有压电石英晶片的绝缘定位架的平面结构示意图；图3是图2的侧视图；图4是本压电六维力传感器内的Y00、X00切型压电石英晶片布局展开图； 图5是本压电六维力传感器中的传力架的结构示意图；图6是本压电六维力传感器装配图的主视图；图7是本压电六维力传感器装配图的俯视图；图8是本压电六维力传感器信号处理框图。图中1、2、3——Y00切型压电石英晶片，4——X00切型压电石英晶片，5——绝缘定位架，6——测力计盒，7——信号引出插座，8——预紧定位套筒，9——预紧连接垫块，10——预紧连接垫块连接螺孔，11——预紧螺杆，12——传力预紧架，13——施力装置连接螺孔，14——传感器盖子，15——传感器安装螺孔，16——传感器盖子螺钉，17——预紧连接垫块连接螺钉，18——传感器基座。具体实施例方式参见图6和图7，本六维力传感器主要由传感器基座18、传感器盖子14、固定安装于传感器基座内的两个压电四维测力计、两个预紧连接垫块9和一个传力预紧架12等部件组成。两个压电四维测力计对称安装在传感器基座内的传力预紧架12的两端，每个压电四维测力计有四个信号引出插座7，从传感器盖子14上露出，向外输出测量信号。参见图5，传力预紧架12的中心设置有施力装置连接螺孔13，通过螺杆与传感器外的施力平台连接，压电四维测力计的一种具体实现结构参见图1，以压电石英晶片为例子，测力计由八片Y00切型压电晶1、2、3和八片X00切型压电石英晶片4、绝缘定位架5、信号引出插座7和测力计盒6构成。参见图2和图3，先在聚四氟乙烯绝缘定位架5的两个同心圆周上加工十六个与压电石英晶片尺寸相当的定位孔，再将Y00、X00切型压电石英晶片1-4按图2的要求在绝缘定位架5内布局后装入测力计盒6内。图4是本压电六维力传感器内的Y00、X00切型压电石英晶片布局展开图，其中，箭头方向表示压电石英晶片敏感轴的方向，以传感器的安装平面建立右手笛卡儿坐标系，其中Z轴垂直于传感器安装平面向上，Y轴向右，Y00和X00切型压电石英晶片1、2、3和4分别分布在两个同心圆上，X00切型压电石英晶片4有八片，在圆周上均匀布置，其敏感轴方向相同且平行于Y轴。Y00切型压电石英晶片也有八片，均匀分布在另一圆周上，其中在过每个测力计中心的水平方向和垂直方向上分别布置有两片敏感轴轴向相同且分别平行于X轴和Z轴的Y00切型压电石英晶片1和2，另四片Y00切型压电石英晶片3的敏感轴沿所在圆周的切线方向布置，且其敏感轴方向沿同一时针(图示为逆时针)方向布置。本六维力传感器的组装方式是先按以上要求组装好压电四维测力计，然后在预紧定位套筒8的定位作用下，依次将预紧连接垫块9、压电四维测力计和传力预紧架12的一端通过预紧螺杆11用一定的预紧力连接在一起，传力预紧架12的另一端按同样的结构连接，然后将连接有两个预紧连接垫块9和压电四维测力计的传力预紧架12装入传感器基座18内，用预紧连接垫块连接螺钉17将两个预紧连接垫块9与传感器基座18固定连接，再通过传感器盖子螺钉16与传感器盖子14固定连接，最后将加工的施力平台通过螺杆和施力装置连接螺孔13与传力预紧架12连接。参见图8，当外力作用于本六维力传感器上时，将八个信号引出插座7分别与对应的电荷放大器I1-I4、II1-II4连接，通过八路信号采集卡将八路电荷放大器输出信号传输到微处理器(或计算机)，在微处理器(或计算机)内进行简单的运算后就可以通过六维力显示模块直观地得到六维力信息。以下就本六维力传感器的工作原理做一说明当FX作用在传感器上时，压电石英晶片I1和II1(I，II分别表示测力计的编号，下标表示测力计中压电石英晶片的编号)上会产生大小、方向均相同的电荷量，即QI1-QII1=0;]]>当MZ作用在传感器上时，压电石英晶片I1和II1上会产生大小相等，方向相反的电荷量，即QI1+QII1=0;]]>当MX作用在传感器上时，压电石英晶片I2和II2上会产生大小、方向均相同的电荷量，即QI2-QII2=0;]]&本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种压电式六维力传感器，包括传感器基座（１８）、传感器盖子（１４）和固定安装于传感器基座（１８）内的压电测力计，其特征在于：所述压电测力计采用压电四维测力计，所述的压电四维测力计由Ｙ０↑［０］和Ｘ０↑［０］切型压电石英晶片（１、２、 ３和４）、绝缘定位架（５）、信号引出插座（７）和测力计盒（６）构成；Ｙ０↑［０］和Ｘ０↑［０］切型压电石英晶片安装在绝缘定位架（５）同一平面上的定位孔中，绝缘定位架（５）固定在测力计盒（６）中，Ｙ０↑［０］和Ｘ０↑［０］切型压电石英晶片的信号输出电极分别与测力计盒外部的信号引出插座（７）对应联结；以传感器的安装平面建立右手笛卡儿坐标系，其中Ｚ轴垂直于传感器安装平面向上，Ｙ轴向右，Ｙ０↑［０］和Ｘ０↑［０］切型压电石英晶片（１、２、３和４）的安装位置满足以下条件：Ｙ０↑［０］切型压电石英晶片（１、２、３）和Ｘ０↑［０］切型压电石英晶片（４）均采用偶数片，分别均匀分布在两个同心圆上；Ｘ０↑［０］切型压电石英晶片（４）的敏感轴方向相同且平行于Ｙ轴；Ｙ０↑［０］切型压电石英晶片在圆周上的布置应满足：在过每个测力计中心的水平方向和垂直方向上要分别布置两片敏感轴方向相同且分别平行于Ｘ轴和Ｚ轴的Ｙ０↑［０］切型压电石英晶片（１和２），余下的Ｙ０↑［０］切型压电石英晶片（３）的敏感轴沿所在圆周的切线方向布置，且其敏感轴方向沿顺时针或逆时针方向布置。所述的 压电四维测力计共两个，以工作平面相对的方式对称地安装在传感器基座内的传力预紧架（１２）两端，信号引出插座（７）从传感器盖子（１４）上露出，传力预紧架（１２）中心有施力装置连接螺孔（１３），通过螺杆将传感器与施力平台连接。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，秦岚，刘京诚，李敏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]
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