一種壓電式十二維傳感器的製作方法

2023-11-11 11:39:12

專利名稱：一種壓電式十二維傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感器技術領域，特別涉及一種能測量三維力、三維力矩、三維線加速度和 三維角加速度的十二維的傳感器。
背景技術：
從同時檢測空間全力(三維力、三維力矩、三維線加速度和三維角加速度)信息的角度看， 現有的各種三維、六維傳感器均不能滿足需要，因此，近年來對能夠同時檢測空間全力信息 的十二維傳感器的研究受到了國內外有關科研機構的關注。但由於這種傳感器結構複雜，標 定困難，國際上目前仍然只有為數不多的科研機構在投資開發研究。現有的十二維傳感器採 用了雙Stewart平臺作為彈性體的結構形式，在12個彈性支柱上粘貼了應變片，形成了十 二個全橋電路，通過解耦十二路信號得到三維力、三維力矩、三維線加速度和三維角加速度， 這種十二維傳感器的測量原理實質上是通過傳感元件(應變片)檢測彈性體的形變來間接檢 測空間全力信息的。因此，它存在著傳感器特性受彈性體影響，傳感器結構和加工工藝複雜、 加工製作難度大、成本高、維間耦合嚴重的問題。
從消除維間耦合的角度來看，申請號為200810069839. 5、名稱為《一種壓電式六維加速 度傳感器》的技術方案解決得較好。然而，該技術方案卻不能同時測量三維力和三維力矩。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種結構簡單、加工成本低、無維間耦合的 壓電式十二維傳感器。
為實現所述發明目的，提供這樣一種壓電式十二維傳感器。它與現有技術相同的方面是， 該傳感器包括帶有導線孔和與該導線孔相通的外插座的基座、蓋在該基座上的蓋子、通過預 緊螺釘壓住而從下往上安裝在該基座內的六維加速度檢測計和慣性質量塊。該預緊螺釘的軸 線和該六維加速度檢測計的軸線，均與該傳感器的工作三維直角坐標系的Z軸同軸。
該六維加速度檢測計由十六片石英晶片和夾持這十六片石英晶片的兩片完全相同的環 形的絕緣電極板構成。這十六片石英晶片在一個與所述Z軸同軸的三維直角坐標系的X、 Y 平面中，均勻布置於一個Z軸通過其圓心的一個參考圓的圓周上。其中，在該參考圓與X、 Y軸的角平分線交點處，安置的是四片X0°切型石英晶片，其餘的十二片石英晶片為Y0°切 型石英晶片。這四片XO。切型石英晶片的敏感軸垂直於該參考圓且其敏感軸的方向一致，這 四片XO。切型石英晶片的Y軸的延長線與傳感器的工作三維直角坐標系的Z軸正交，且該Y 軸的正向均沿該參考圓離心或向心分布。每一 X0°切型石英晶片兩側緊鄰的Y0°切型石英 晶片的敏感軸與該參考圓相切且其敏感軸的方向均按順時針或者均按逆時針排列；在該參考 圓與X、 Y軸交點處的四片YO。切型石英晶片的敏感軸對應重疊在所在的X軸或Y軸上、且 這四片Y0°切型石英晶片的敏感軸的方向均與所對應的X軸或Y軸同向或者反向。
兩片絕緣電極板的內側上均有與這十六片石英晶片一一對應的十六個電極。其中，與同 在X軸上的兩片YO。切型石英晶片所對應的電極連通、構成X向的線加速度值的信號輸出端； 與同在Y軸上的兩片YO。切型石英晶片所對應的電極連通、構成Y向的線加速度值的信號輸 出端；與每一片XO。切型石英晶片兩側緊鄰的Y0°切型石英晶片所對應的電極以靠近X軸 負向一側的兩片電極為首尾、依次串連構成Z向的角加速度值的信號輸出端。與四片XO。切 型石英晶片所對應的四個電極各自為一個加速度待算信號輸出端，這四個加速度待算信號輸 出端的輸出值通過加法運算，為Z向的線加速度值；位於Y軸負向一側兩個加速度待算信號 輸出端的輸出值之和，減去另兩個加速度待算信號輸出端的輸出值，為X向的角加速度值； 位於X軸正向一側兩個加速度待算信號輸出端的輸出值之和，減去另兩個加速度待算信號輸 出端的輸出值，為Y向的角加速度值。兩片絕緣電極板內側上相同的信號輸出端分別通過穿 過導線孔的絕緣屏蔽信號引線與各自對應的外插座連接。
其改進之處是，本發明的基座有一個外殼體，在該基座的外殼體之內有兩個與所述Z軸 同軸的圓筒型凸臺。
在內的這一圓筒型凸臺是加速度檢測計安裝凸臺，該加速度檢測計安裝凸臺呈無底的圓 筒狀，其中間的圓孔為螺紋孔。所述六維加速度檢測計及其上方的慣性質量塊安裝在該加速 度檢測計安裝凸臺的檯面上，預緊螺釘通過其螺杆前端的螺紋擰在該加速度檢測計安裝凸臺 的螺紋孔上半部分。該預緊螺釘的軸心有一貫通的圓孔；有一個通過其下端的外螺紋擰緊在 該加速度檢測計安裝凸臺的螺紋孔下半部分的封裝螺紋筒，以間隙配合狀態向上穿過該預緊 螺釘軸心的圓孔。
在外的這一圓筒型凸臺是一個其臺面不低於預緊螺釘上端面的六維力檢測計安裝凸臺。 在該六維力檢測計安裝凸臺的檯面上安裝有一個同時空套在該封裝螺紋筒上部的六維力檢 測計；所述蓋子以對該六維力檢測計施以預緊力且同時緊套著該封裝螺紋筒上端部的狀態， 固定地蓋在基座的外殼體上。該六維力檢測計安裝凸臺與六維加速度檢測計對應的腰間部
分，也有讓該六維加速度檢測計所連接的絕緣屏蔽信號引線穿過的導線孔。其中，六維力檢 測計由十六片石英晶片和其輪廓與該六維力檢測計安裝凸臺的臺面相同的絕緣電極板構成。 這十六片石英晶片在一個與所述Z軸同軸的三維直角坐標系的X、 Y平面中，均勻布置於一 個Z軸通過其圓心的另一個參考圓的圓周上，該參考圓的直徑等於該六維力檢測計凸臺臺面 的中心環直徑。在該參考圓與X、 Y軸的角平分線交點處，安置的是四片XO。切型石英晶片， 其餘的十二片石英晶片為Y0°切型石英晶片；四片X0°切型石英晶片的敏感軸垂直於該參
考圓且其敏感軸的方向一致。每一 X0°切型石英晶片兩側緊鄰的Y0°切型石英晶片的敏感 軸與該參考圓相切且其敏感軸的方向均按順時針或者均按逆時針排列；在該參考圓與X、 Y 軸交點處的四片Y0°切型石英晶片的敏感軸對應重疊在所在的X軸或Y軸上、且這四 片Y0°切型石英晶片的敏感軸的方向均與所對應的X軸或Y軸同向或者反向。所述絕緣電極 板上有與這十六片石英晶片一一對應的十六個電極。其中，與同在X軸上的兩片YO。切型石 英晶片所對應的電極連通、構成X向的力值的信號輸出端；與同在Y軸上的兩片Y(T切型石 英晶片所對應的電極連通、構成Y向的力值的信號輸出端；與每一片X(T切型石英晶片兩側 緊鄰的Y0°切型石英晶片所對應的電極以靠近X軸負向一側的兩片電極為首尾、依次串連構 成Z向的力矩值的信號輸出端。與四片XO。切型石英晶片所對應的四個電極各自為一個力/ 力矩待算信號輸出端，這四個力/力矩待算信號輸出端的輸出值通過加法運算，為Z向的力 值；位於Y軸負向一側兩個力/力矩待算信號輸出端的輸出值之和，減去另兩個力/力矩待算 信號輸出端的輸出值，為X向的力矩值；位於X軸正向一側兩個力/力矩待算信號輸出端的 輸出值之和，減去另兩個力/力矩待算信號輸出端的輸出值，為Y向的力矩值。在基座的外 殼體與六維力檢測計安裝凸臺之間有引線間隙，上述這些信號輸出端分別通過穿過引線間隙 的絕緣屏蔽信號引線與各自對應的與該引線間隙相通的外插座連接。
從本發明的方案可以看出，本發明實際上是在申請號為200810069839.5的《一種壓電 式六維加速度傳感器》基礎上的進一步改進，或者說是把壓電式六維加速度傳感器與壓電式 六維力/力矩傳感器，通過創造性的組合方式而結合為一體了。因此，本發明克服了現有的 壓電式六維加速度傳感器的不足，滿足了同時檢測空間全力信息的需要。與現有的十二維傳 感器相比較，由於本發明沒有了須通過傳感元件(應變片)來檢測其形變的彈性體，也即，力 /力矩的信息直接由六維力檢測計測量，線加速度/角加速度的信息直接由六維加速度檢測計 測量，因此，其傳感器性能也就不受彈性體的影響，也就大大簡化了傳感器結構、降低了加 工成本；加之由於本傳感器採用平面布置石英晶片的方式分布石英晶片，進一步提高了傳感 器的剛度，因此本傳感器具有好的動態特性；另外，從本傳感器的線加速度/角加速度的關
系表達式和力/力矩的關係表達式(因涉及附圖標記與代碼，這兩個表達式將在具體實施方式
中介紹)可以看出，本傳感器無維間耦合。因此，本傳感器可應用到機器人、航空航天、民 用製造業中的力/加速度的測量以及其它需要同時檢測六維力/力矩和六維線加速度/角加速 度的場合。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。


圖l一一本發明的結構(全剖)示意圖
圖2—_圖1的俯視圖
圖3—一圖1中的六維加速度檢測計的結構示意圖
圖4一_圖3的俯視圖
圖5—一圖3中I區域的局部放大圖
圖6—_圖1中的六維力檢測計的結構示意圖
圖7—一圖6的俯視圖
圖8—一圖6中II區域的局部放大圖
圖9—一六維加速度檢測計中的石英晶片布局圖(投影方向與比例與圖4對應)
圖10—一六維力檢測計中的石英晶片布局圖(投影方向與比例與圖7對應)
圖11———六維加速度檢測計中的絕緣電極板及其電極布局圖(投影方向與比例與圖4對
應)
圖12—一六維力檢測計中的絕緣電極板及其電極布局圖(投影方向與比例與圖7對應)
圖13——加速度信號處理原理框圖
圖14-——力/力矩信號處理原理框圖
具體實施例方式
一種壓電式十二維傳感器(參考圖1、 2)。該傳感器包括帶有導線孔23和與該導線孔23 相通的外插座C的基座2、蓋在該基座2上的蓋子1、通過預緊螺釘7壓住而從下往上安裝 在該基座2內的六維加速度檢測計5和慣性質量塊4;該預緊螺釘7的軸線和該六維加速度 檢測計5的軸線，均與該傳感器的工作三維直角坐標系的Z軸同軸(圖1中的標記C泛指外
插座，圖2中帶下標的q C,4代表各個不同的外插座，圖13和圖14中的"插座1" "插 座14"與該C, C^一一對應)。
上述六維加速度檢測計5由十六片石英晶片(jxl jxl6)和夾持這十六片石英晶片 (jxl jxl6)的兩片完全相同的環形的絕緣電極板51構成(參考圖3、 4、 5)。這十六片石英 晶片(jxl jxl6)在一個與所述Z軸同軸的三維直角坐標系的X、 Y平面中，均勻布置於一個 Z軸通過其圓心的一個參考圓50的圓周上(參考圖9)。其中，在該參考圓50與X、 Y軸的角 平分線交點處，安置的是四片X(T切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)，其餘的十二片石 英晶片為YO。切型石英晶片(jxl、 jx2、 jx4、 jx5、 jx6、 jx8、 jx9、 jx10、 jxl2、 jxl3、 jxl4、 jxl6)。這四片XO。切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)的敏感軸垂直於參考圓50且其敏 感軸的方向一致，這四片XO。切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)的Y軸的延長線與傳感 器的工作三維直角坐標系的Z軸正交，且該Y軸的正向均沿該參考圓50離心或向心分布。 每一XO。切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)兩側緊鄰的Y0。切型石英晶片(jx2、 jx4、 jx6、 jx8、 jx10、 jxl2、 jxl4、 jxl6)的敏感軸與該參考圓50相切且其敏感軸的方向均按 順時針或者均按逆時針排列。在該參考圓50與X、Y軸交點處的四片Y0。切型石英晶片(jxl、 jx5、 jx9、 jxl3)的敏感軸對應重疊在所在的X軸或Y軸上、且這四片Y0°切型石英晶片(jxl、 jx9與jx5、 jxl3)的敏感軸的方向均與所對應的X軸或Y軸同向或者反向。
兩片絕緣電極板51的內側上均有與這十六片石英晶片(jxl jx16)—一對應的十六個電 極(參考圖3、 4、 5、 9、 11、 13——在圖5中，標記jx和標記dx泛指這十六片石英晶片和 它們對應的十六個電極，圖9中標記jxl jxl6指向各不同位置的石英晶片，圖11中標記 dxl dxl6指向各不同位置的電極)。其中，與同在X軸上的兩片YO。切型石英晶片(jxl、
jx9)所對應的電極(dxl、 dx9)連通、構成X向的線加速度ax值的信號輸出端Q,;與同在Y 軸上的兩片YO。切型石英晶片(jx5、 jxl3)所對應的電極(dx5、 dxl3)連通、構成Y向的線加
速度aY值的信號輸出端Q3;與每一片X0。切型石英晶片(jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)兩側緊 鄰的YO。切型石英晶片(jx2、 jx4、 jx6、 jx8、 jx10、 jxl2、 jxl4、 jxl6)所對應的電極(dx2、 dx4、 dx6、 dx8、 dx10、 dxl2、 dxl4、 dxl6)以靠近X軸負向一側的兩片電極(dx2、 dxl6)為
首尾、依次串連構成Z向的角加速度a見值的信號輸出端Q2。與四片X0°切型石英晶片 (jx3、 jx7、 jxll、 jxl5)所對應的四個電極(dx3、 dx7、 dxll、 dxl5)各自為一個加速度待算 信號輸出端(Q4 Q7)，這四個加速度待算信號輸出端(Q4 Q7)的輸出值通過加法運算，
為Z向的線加速度az值；位於Y軸負向一側兩個加速度待算信號輸出端(Q。 Q"的輸出
值之和，減去另兩個加速度待算信號輸出端(Q4 、 Q5)的輸出值，為X向的角加速度a欣值;
位於X軸正向一側兩個加速度待算信號輸出端(Q。 Qs)的輸出值之和，減去另兩個加速度
待算信號輸出端(Q4、 Q"的輸出值，為Y向的角加速度a外值。兩片絕緣電極板51內側
上相同的信號輸出端分別通過穿過導線孔23的絕緣屏蔽信號引線8與各自對應的外插座
(q c"連接。
在本發明中，所述基座2有一個外殼體20，在該基座2的外殼體20之內有兩個與其Z 軸同軸的圓筒型凸臺(參考圖1、 2)。
在內的這一圓筒型凸臺是上述加速度檢測計安裝凸臺21，該加速度檢測計安裝凸臺21 呈無底的圓筒狀，其中間的圓孔為螺紋孔。六維加速度檢測計5及其上方的慣性質量塊4安 裝在該加速度檢測計安裝凸臺21的檯面上，預緊螺釘7通過其螺杆前端的螺紋擰在該加速 度檢測計安裝凸臺21的螺紋孔上半部分。該預緊螺釘7的軸心有一貫通的圓孔，有一個通 過其下端的外螺紋擰緊在該加速度檢測計安裝凸臺21的螺紋孔下半部分的封裝螺紋筒6，以 間隙配合狀態向上穿過該預緊螺釘7軸心的圓孔。
在外的這一圓筒型凸臺是一個其臺面不低於預緊螺釘7上端面的六維力檢測計安裝凸臺 22，在該六維力檢測計安裝凸臺22的檯面上安裝有一個同時空套在該封裝螺紋筒6上部的 六維力檢測計9。本發明的蓋子1以對該六維力檢測計9施以預緊力且同時緊套著所述封裝 螺紋筒6上端部的狀態，固定地蓋在基座2的外殼體20上。該六維力檢測計安裝凸臺22與 六維加速度檢測計5對應的腰間部分，也有讓該六維加速度檢測計5所連接的絕緣屏蔽信號 引線8穿過的導線孔23(也就是說，六維加速度檢測計5所連接的絕緣屏蔽信號引線8要穿 過六維力檢測計安裝凸臺22腰間和外殼體20兩處的導線孔23)。其中，六維力檢測計9由 十六片石英晶片(jdl jdl6)和其輪廓與該六維力檢測計安裝凸臺22的臺面相同的絕緣電極 板91構成(參考圖6、 7、 8、 10——在圖8中，標記jd泛指十六片石英晶片，圖10中標記 jdl jdl6指向各不同位置的石英晶片)。這十六片石英晶片(jdl jdl6)在一個與所述Z軸 同軸的三維直角坐標系的X、 Y平面中，均勻布置於一個Z軸通過其圓心的另一個參考圓90 的圓周上，該參考圓90的直徑等於該六維力檢測計凸臺22臺面的中心環線直徑。在該參考 圓90與X、 Y軸的角平分線交點處，安置的是四片X0。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)， 其餘的十二片石英晶片為Y0。切型石英晶片(jdl、 jd2、 jd4、 jd5、 jd6、 jd8、 jd9、 jd10、 jdl2、 jdl3、 jdl4、 jdl6)。這四片X0。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)的敏感軸垂 直於該參考圓90且其敏感軸的方向一致；每一XO。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5) 兩側緊鄰的Y0。切型石英晶片(jd2、 jd4、 jd6、 jd8、 jd10、 jdl2、 jdl4、 jdl6)的敏感軸
與參考圓90相切且其敏感軸的方向均按順時針或者均按逆時針排列；在參考圓90與X、 Y 軸交點處的四片YO。切型石英晶片(jdl、 jd5、 jd9、 jdl3)的敏感軸對應重疊在所在的X軸 或Y軸上、且這四片YO。切型石英晶片(jdl、 jd9與jd5、 jdl3)的敏感軸的方向均與所對應 的X軸或Y軸同向或者反向。絕緣電極板91上有與這十六片石英晶片(jdl jd16) —一對應 的十六個電極(參考圖8、 12、 14——在圖8中，標記dd泛指十六個電極，圖12中標記ddl ddl6指向各不同位置的電極)。其中，與同在X軸上的兩片YO。切型石英晶片(jdl、 jd9)所
對應的電極(ddl、 dd9)連通、構成X向的力Fx值的信號輸出端Q8;與同在Y軸上的 兩片YO。切型石英晶片(jd5、 jdl3)所對應的電極(dd5、 ddl3)連通、構成Y向的力Fy值的
信號輸出端Q,。；與每一片XO。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)兩側緊鄰的Y0。切型
石英晶片(jd2、 jd4、 jd6、 jd8、 jd10、 jdl2、 jdl4、 jdl6)所對應的電極(dd2、 dd4、 dd6、 dd8、 dd10、 ddl2、 ddl4、 ddl6)以靠近X軸負向一側的兩片電極(dd2、 ddl6)為首尾、依次
串連構成Z向的力矩Mz值的信號輸出端Q9。與四片XO。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、
jdl5)所對應的四個電極(dd3、 dd7、 ddll、 ddl5)各自為一個力/力矩待算信號輸出端(Q，,
Q14)，這四個力/力矩待算信號輸出端(Qu Q,4)的輸出值通過加法運算，為Z向的力Fz
值；位於Y軸負向一側兩個力/力矩待算信號輸出端(Q,3、 Qw)的輸出值之和，減去另兩個
力/力矩待算信號輸出端(Qn、 Q,2)的輸出值，為X向的力矩Mx值；位於X軸正向一側兩
個力/力矩待算信號輸出端(Qn、 QJ的輸出值之和，減去另兩個力/力矩待算信號輸出端
(Qu、 Q,4)的輸出值，為Y向的力矩My值。在基座2的外殼體20與六維力檢測計安裝 凸臺22之間有引線間隙23'，上述這些信號輸出端分別通過穿過引線間隙23'的絕緣屏蔽 信號引線8與各自對應的與該引線間隙23'相通的外插座((38 (:14)連接。
本領域的技術人員清楚，除用絕緣屏蔽信號引線8分別把六維加速度檢測計5和六維力 檢測計9的絕緣電極板(51、91)上引出的各個信號輸出端(Q， QJ與十四個插座(C, C,4)
對應連接之外，由於輸出信號為電荷信號的原因，在各個插座(C, Cj之外，還應當與對 應的電荷放大器(電荷放大器1 電荷放大器14)連接，以將電荷信號轉換為電壓信號。顯然， 在與四個加速度待算信號輸出端(Q4 Q7)對應的電荷放大器(電荷放大器4 電荷放大器 7)之後，還應當根據本發明提出的運算規則連接相應的加法器、乃至減法器(參考圖13);在 與四個力/力矩待算信號輸出端(Qu QM)對應的電荷放大器(電荷放大器11 電荷放大器 14)之後，也應當根據本發明提出的運算規則連接相應的加法器、乃至減法器(參考圖14)。
為使披露更加清楚，現把本發明中的三維線加速度(ax 、 aY、 az)和三維角加速度 (a欣、aw、 a俊)與各個信號輸出端((^ Q7)測得電荷信號的對應關係(參考圖13)。再 用數學式描述如下
ax oc Qi aY oc Q3
azoc(Q4+Q5+Q6+Q7)
、戰cc[(Q7+QJ-(Q4+Q5)]
awoc[(Q5+Q6)-(Q4+Q7)] affi oc Q2
本發明中的三維力(Fx 、 FY 、 Fz)和三維力矩(Mx 、 MY 、 Mz)與各個信號輸出端(Qs QM)測得電荷信號的對應關係(參考圖14)。也用數學式描述如下-
complex formula see original document page 13披露至此、並結合對本發明優越性的了解，本領域技術人員已經能夠結合常規的製造與 加工手段來實現本發明了。因此，以上具體實施方式
也是以下各例的總述，在以下各例中與 本總述相同的內容不贅述。
實施例l(參考圖1、 2、 6、 7、 8):
本例是在總述部分的基礎上，主要為三維力(Fx 、 FY 、 Fz)和三維力矩(Mx 、 MY 、 Mz)
的電荷信號的可靠測得所作出的優化舉例。在本例中，構成六維力檢測計9的絕緣電極板91 為夾住的十六片石英晶片(jdl jdl6)對稱的兩塊，這兩塊絕緣電極板91各自的十六個電極 (ddl ddl6)呈鏡像對稱地分別設置在這兩塊絕緣電極板91的內側。這兩塊絕緣電極板91 上相同電極及其相同電極組合所構成的各個信號輸出端分別通過絕緣屏蔽信號引線8來與各
自對應的外插座(Cs CM)連接。其中，四片X0。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)
的Y軸的延長線與傳感器的工作三維直角坐標系的Z軸正交，且其Y軸的正向均沿所述參考 圓離心或向心分布。 實施例2:
本例是在總述部分或實施例1的基礎上，針對其中六維力檢測計安裝凸臺22的臺面高 出(即不低於)預緊螺釘7上端面具體數值的說明與舉例。該數值通常取1咖 3 ，在本例 中，六維力檢測計安裝凸臺22的臺面高出預緊螺釘7上端面2mm。從各相應附圖中可以看
出，設置此數值的目的實際上是確保六維力檢測計9能夠正常工作和產品結構緊湊(圖1中， 僅清晰地繪製出了這種性質的高度差，並不表明相應數值或比例)。 實施例3(參考圖1、 2):
本例是在總述部分、實施例1或實施例2的基礎上，針對本發明中蓋子的舉例。為確保 本壓電式十二維傳感器的外殼體20之內的元器件的潔淨，進一步確保其檢測精確性和可靠 性，在本例中，其蓋子1是通過該蓋子1上的一圈與基座2的外殼體20的口沿相接觸的外 焊接環13和一圈套住封裝螺紋筒6上端部的內焊接環14來與該基座2和該封裝螺紋筒6焊 接在一起的。該蓋子1有一個其下端面與六維力檢測計安裝凸臺22的臺面相對且兩者輪廓 相同的、對該六維力檢測計9施以預緊力的預緊環10。在該預緊環10與外焊接環13之間有 一圈外彈性膜12，在該預緊環10與內焊接環14之間有一圈內彈性膜11;這兩圈彈性膜(ll、 12)的下端面在同一平面上、且均高於該預緊環10的下端面2mm 5mm(本例取3mm)，兩個 彈性膜(ll、 12)的厚度相等、且均為0.1mm 0.2mm(本例取0.15iMi)。為確保外力/力矩信 息能很好地傳遞到六維力檢測計上，該蓋子l最好選用高彈性模量材料(如鎳鉻鋼、合金鋼) 加工製作。
顯然，結合對本發明優越性的了解，本領域的技術人員己經清楚本例在蓋子l上設置 內外彈性膜(ll、 12)、選用高彈性模量材料的目的，均是從工藝及其確保產品質量方面考慮 的，與現有技術中須測量其形變的"彈性體"有本質區別。
在本例中，為便於焊接，把該蓋子1設計成塞入式地蓋在基座2的外殼體20 口沿之內 的形式(參考圖1)。
進一步講，在上述具體實施方式
的總述及其各實施例中，六維加速度檢測計5中的十六 片石英晶片(jxl jxl6)與六維力檢測計9中的十六片石英晶片(jdl jdl6)均為各自直徑相 等的圓形。兩者(jx與jd)之間的直徑可以相等，也可以不相等——這要根據本發明傳感器 的測量範圍確定(鑑於本領域的技術人員已經完全能夠根據常規的計算或試驗來確定兩者的直徑差別了，故不詳述)。
各個電極(dxl dx16和ddl ddl6)也均為圓形，它們的直徑分別與各自對應的石英晶 片(jxl jxl6和jdl jdl6)相等。
更進一步講，在上述具體實施方式
的總述及其各實施例中，六維加速度檢測計5中絕緣 電極板51和六維力檢測計9中絕緣電極板91，均可以是由聚四氟乙烯製成的圓環板；從確 保檢測準確和安裝工藝等角度考慮，這兩種尺寸的聚四氟乙烯圓環板的輪廓，分別與各自對 應的加速度檢測計安裝凸臺21的臺面和六維力檢測計凸臺22的臺面相等。兩種絕緣電極板 (51、 91)所對應的電極(dxl dx16和ddl ddl6)分別在鍍在兩者的聚四氟乙烯圓環板的中 心環線上的對應位置上。
顯然，為結構緊湊，外殼體20和六維力檢測計凸臺22上的導線孔23、外殼體20與六 維力檢測計安裝凸臺22之間有引線間隙23'，均不宜過大，以既能夠引導絕緣屏蔽信號引
線8、又不影響加工為度。從便於安裝各個外插座(C, Cw)角度考慮，外殼體20的外壁面
應當設計加工成矩形體的平面；外殼體20的內壁面，根據工藝條件與加工方法，既可以是 圓柱面、也可以矩形體的平面。
權利要求
1、一種壓電式十二維傳感器，該傳感器包括帶有導線孔(23)和與該導線孔(23)相通的外插座(C)的基座(2)、蓋在該基座(2)上的蓋子(1)、通過預緊螺釘(7)壓住而從下往上安裝在該基座(2)內的六維加速度檢測計(5)和慣性質量塊(4)；該預緊螺釘(7)的軸線和該六維加速度檢測計(5)的軸線，均與該傳感器的工作三維直角坐標系的Z軸同軸；該六維加速度檢測計(5)由十六片石英晶片(jx1～jx16)和夾持這十六片石英晶片(jx1～jx16)的兩片完全相同的環形的絕緣電極板(51)構成；這十六片石英晶片(jx1～jx16)在一個與所述Z軸同軸的三維直角坐標系的X、Y平面中，均勻布置於一個Z軸通過其圓心的一個參考圓(50)的圓周上；其中，在該參考圓(50)與X、Y軸的角平分線交點處，安置的是四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)，其餘的十二片石英晶片為Y0°切型石英晶片(jx1、jx2、jx4、jx5、jx6、jx8、jx9、jx10、jx12、jx13、jx14、jx16)；這四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)的敏感軸垂直於參考圓(50)且其敏感軸的方向一致，這四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)的Y軸的延長線與傳感器的工作三維直角坐標系的Z軸正交，且該Y軸的正向均沿該參考圓(50)離心或向心分布；每一X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)兩側緊鄰的Y0°切型石英晶片(jx2、jx4、jx6、jx8、jx10、jx12、jx14、jx16)的敏感軸與該參考圓(50)相切且其敏感軸的方向均按順時針或者均按逆時針排列；在該參考圓(50)與X、Y軸交點處的四片Y0°切型石英晶片(jx1、jx5、jx9、jx13)的敏感軸對應重疊在所在的X軸或Y軸上、且這四片Y0°切型石英晶片(jx1、jx9與jx5、jx13)的敏感軸的方向均與所對應的X軸或Y軸同向或者反向；所述的兩片絕緣電極板(51)的內側上均有與這十六片石英晶片(jx1～jx16)一一對應的十六個電極(dx1～dx16)；其中，與同在X軸上的兩片Y0°切型石英晶片(jx1、jx9)所對應的電極(dx1、dx9)連通、構成X向的線加速度(aX)值的信號輸出端(Q1)，與同在Y軸上的兩片Y0°切型石英晶片(jx5、jx13)所對應的電極(dx5、dx13)連通、構成Y向的線加速度(aY)值的信號輸出端(Q3)，與每一片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)兩側緊鄰的Y0°切型石英晶片(jx2、jx4、jx6、jx8、jx10、jx12、jx14、jx16)所對應的電極(dx2、dx4、dx6、dx8、dx10、dx12、dx14、dx16)以靠近X軸負向一側的兩片電極(dx2、dx16)為首尾、依次串連構成Z向的角加速度(aθZ)值的信號輸出端(Q2)；與四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)所對應的四個電極(dx3、dx7、dx11、dx15)各自為一個加速度待算信號輸出端(Q4～Q7)，這四個加速度待算信號輸出端(Q4～Q7)的輸出值通過加法運算，為Z向的線加速度(aZ)值；位於Y軸負向一側兩個加速度待算信號輸出端(Q6、Q7)的輸出值之和，減去另兩個加速度待算信號輸出端(Q4、Q5)的輸出值，為X向的角加速度(aθX)值；位於X軸正向一側兩個加速度待算信號輸出端(Q6、Q5)的輸出值之和，減去另兩個加速度待算信號輸出端(Q4、Q7)的輸出值，為Y向的角加速度(aθY)值；兩片絕緣電極板(51)內側上相同的信號輸出端分別通過穿過所述導線孔(23)的絕緣屏蔽信號引線(8)與各自對應的外插座(C1～C7)連接；其特徵在於，所述基座(2)有一個外殼體(20)，在該基座(2)的外殼體(20)之內有兩個與所述Z軸同軸的圓筒型凸臺；在內的這一圓筒型凸臺是加速度檢測計安裝凸臺(21)，該加速度檢測計安裝凸臺(21)呈無底的圓筒狀，其中間的圓孔為螺紋孔；所述六維加速度檢測計(5)及其上方的慣性質量塊(4)安裝在該加速度檢測計安裝凸臺(21)的檯面上，所述預緊螺釘(7)通過其螺杆前端的螺紋擰在該加速度檢測計安裝凸臺(21)的螺紋孔上半部分；該預緊螺釘(7)的軸心有一貫通的圓孔，有一個通過其下端的外螺紋擰緊在該加速度檢測計安裝凸臺(21)的螺紋孔下半部分的封裝螺紋筒(6)，以間隙配合狀態向上穿過該預緊螺釘(7)軸心的圓孔；在外的這一圓筒型凸臺是一個其臺面不低於所述預緊螺釘(7)上端面的六維力檢測計安裝凸臺(22)；在該六維力檢測計安裝凸臺(22)的檯面上安裝有一個同時空套在該封裝螺紋筒(6)上部的六維力檢測計(9)；所述蓋子(1)以對該六維力檢測計(9)施以預緊力且同時緊套著該封裝螺紋筒(6)上端部的狀態，固定地蓋在所述基座(2)的外殼體(20)上；該六維力檢測計安裝凸臺(22)與所述六維加速度檢測計(5)對應的腰間部分，也有讓該六維加速度檢測計(5)所連接的絕緣屏蔽信號引線(8)穿過的導線孔(23)；其中，所述六維力檢測計(9)由十六片石英晶片(jd1～jd16)和其輪廓與該六維力檢測計安裝凸臺(22)的臺面相同的絕緣電極板(91)構成，這十六片石英晶片(jd1～jd16)在一個與所述Z軸同軸的三維直角坐標系的X、Y平面中，均勻布置於一個Z軸通過其圓心的另一個參考圓(90)的圓周上，該參考圓(90)的直徑等於該六維力檢測計凸臺(22)臺面的中心環直徑；在該參考圓(90)與X、Y軸的角平分線交點處，安置的是四片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)，其餘的十二片石英晶片為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)的敏感軸垂直於該參考圓(90)且其敏感軸的方向一致；每一X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)兩側緊鄰的Y0°切型石英晶片(jd2、jd4、jd6、jd8、jd10、jd12、jd14、jd16)的敏感軸與參考圓(90)相切且其敏感軸的方向均按順時針或者均按逆時針排列；在參考圓(90)與X、Y軸交點處的四片Y0°切型石英晶片(jd1、jd5、jd9、jd13)的敏感軸對應重疊在所在的X軸或Y軸上、且這四片Y0°切型石英晶片(jd1、jd9與jd5、jd13)的敏感軸的方向均與所對應的X軸或Y軸同向或者反向；所述絕緣電極板(91)上有與這十六片石英晶片(jd1～jd16)一一對應的十六個電極(dd1～dd16)；其中，與同在X軸上的兩片Y0°切型石英晶片(jd1、jd9)所對應的電極(dd1、dd9)連通、構成X向的力(FX)值的信號輸出端(Q8)，與同在Y軸上的兩片Y0°切型石英晶片(jd5、jd13)所對應的電極(dd5、dd13)連通、構成Y向的力(FY)值的信號輸出端(Q10)，與每一片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)兩側緊鄰的Y0°切型石英晶片(jd2、jd4、jd6、jd8、jd10、jd12、jd14、jd16)所對應的電極(dd2、dd4、dd6、dd8、dd10、dd12、dd14、dd16)以靠近X軸負向一側的兩片電極(dd2、dd16)為首尾、依次串連構成Z向的力矩(MZ)值的信號輸出端(Q9)；與四片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)所對應的四個電極(dd3、dd7、dd11、dd15)各自為一個力/力矩待算信號輸出端(Q11～Q14)，這四個力/力矩待算信號輸出端(Q11～Q14)的輸出值通過加法運算，為Z向的力(FZ)值；位於Y軸負向一側兩個力/力矩待算信號輸出端(Q13、Q14)的輸出值之和，減去另兩個力/力矩待算信號輸出端(Q11、Q12)的輸出值，為X向的力矩(MX)值；位於X軸正向一側兩個力/力矩待算信號輸出端(Q13、Q12)的輸出值之和，減去另兩個力/力矩待算信號輸出端(Q11、Q14)的輸出值，為Y向的力矩(MY)值；在所述基座(2)的外殼體(20)與六維力檢測計安裝凸臺(22)之間有引線間隙(23′)，上述這些信號輸出端分別通過穿過引線間隙(23′)的絕緣屏蔽信號引線(8)與各自對應的與該引線間隙(23′)相通的外插座(C8～C14)連接。
2、 根據權利要求1所述的壓電式十二維傳感器，其特徵在於，構成所述六維力檢測計 (9)的絕緣電極板(91)為夾住所述的十六片石英晶片(jdl jdl6)對稱的兩塊，這兩塊絕緣電 極板91各自的十六個電極(ddl dd16)呈鏡像對稱地分別設置在這兩塊絕緣電極板(91)的內 側；這兩塊絕緣電極板(91)上相同電極及其相同電極組合所構成的各個信號輸出端分別通過絕緣屏蔽信號引線(8)來與各自對應的外插座(<38 014)連接；所述的四片XO。切型石英晶片(jd3、 jd7、 jdll、 jdl5)的Y軸的延長線與傳感器的工作三維直角坐標系的Z軸正交，且 其Y軸的正向均沿所述參考圓離心或向心分布。
3、 根據權利要求1或2所述的壓電式十二維傳感器，其特徵在於，所述六維力檢測計 安裝凸臺(22)的臺面高出所述預緊螺釘(7)上端面1 3 mm。
4、 根據權利要求1或2所述的壓電式十二維傳感器，其特徵在於，所述蓋子(l)是通過 該蓋子(1)上的一圈與所述基座(2)的外殼體(20)的口沿相接觸的外焊接環(13)和一圈套住 所述封裝螺紋筒(6)上端部的內焊接環(14)來與該基座(2)和該封裝螺紋筒(6)焊接在一起 的；該蓋子(1)有一個其下端面與所述六維力檢測計安裝凸臺(22)的臺面相對且兩者輪廓相 同的、對該六維力檢測計(9)施以預緊力的預緊環(10);在該預緊環(10)與外焊接環(13)之 間有一圈外彈性膜(12)，在該預緊環(10)與內悍接環(14)之間有一圈內彈性膜(11);這兩圈 彈性膜(ll、 12)的下端面在同一平面上、且均高於該預緊環(10)的下端面2mm 5mm,兩個 彈性膜(ll、 12)的厚度相等、且均為0. 1 ran 0. 2 mm。
5、 根據權利要求1或2所述的壓電式十二維傳感器，其特徵在於，所述的六維加速度 檢測計(5)中的十六片石英晶片(jxl jxl6)與六維力檢測計(9)中的十六片石英晶片(jd1 jdl6)均為各自直徑相等的圓形。
6、 根據權利要求3所述的壓電式十二維傳感器，其特徵在於，所述蓋子(l)是通過該蓋 子(1)上的一圈與所述基座(2)的外殼體(20)的口沿相接觸的外焊接環(13)和一圈套住所述 封裝螺紋筒(6)上端部的內焊接環(14)來與該基座(2)和該封裝螺紋筒(6)焊接在一起的；該 蓋子(1)有一個其下端面與所述六維力檢測計安裝凸臺(22)的臺面相對且兩者輪廓相同的、 對該六維力檢測計(9)施以預緊力的預緊環(10);在該預緊環(10)與外焊接環(13)之間有一 圈外彈性膜(12)，在該預緊環(10)與內焊接環(14)之間有一圈內彈性膜(11);這兩圈彈性膜 (11、 12)的下端面在同一平面上、且均高於該預緊環(10)的下端面2ran 5mm，兩個彈性膜 (11、 12)的厚度相等、且均為0. 1 mm 0. 2 mm。
7、 根據權利要求3所述的壓電式十二維傳感器，其特徵在於，所述的六維加速度檢測 計(5)中的十六片石英晶片(jxl jxl6)與六維力檢測計(9)中的十六片石英晶片(jdl jd16)均為各自直徑相等的圓形。
8、 根據權利要求4所述的壓電式十二維傳感器，其特徵在於，所述的六維加速度檢測 計(5)中的十六片石英晶片(jxl jxl6)與六維力檢測計(9)中的十六片石英晶片(jdl jd16)均為各自直徑相等的圓形。
全文摘要
一種壓電式十二維傳感器。該傳感器包括基座、蓋在該基座上的蓋子、安裝在基座內的六維加速度檢測計和六維力檢測計。六維加速度檢測計通過壓在它之上的慣性質量塊和預緊螺釘安裝在基座內的一個圓筒型凸臺上，六維力檢測計安裝在基座內的另一個同軸的圓筒型凸臺上、並由蓋子上的預緊環壓住。在該預緊環的內外，各有一圈內彈性膜和外彈性膜。與現有的十二維傳感器相比較，本發明簡化了結構、降低了成本；具有動態特性好、剛度相對較高，無維間耦合等優點。因此，本傳感器可應用到機器人、航空航天、民用製造業中的力/加速度的測量以及其它需要同時檢測六維力/力矩和六維線加速度/角加速度的場合。
文檔編號G01L3/00GK101344446SQ200810070130
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月18日 優先權日2008年8月18日
發明者俊 劉, 劉京誠, 敏 李, 嵐 秦 申請人:重慶大學