[发明专利]一种压电式六维力传感器

说明书

技术领域

本发明属于压电传感器，具体涉及六维力的压电式传感器。

背景技术

六维力传感器是测量空间三维力和三维力矩的传感器，公知的六维力传感器主要可以分为三大类：第一类是采用在弹性体上安装传感元件(应变计、厚膜力敏电阻、光电位移传感器等)的结构，通过传感元件检测弹性体的形变来反映被测六维力信息，这类六维力传感器因为弹性体的存在，导致该结构存在：弹性体结构复杂程度与解耦之间的矛盾、高固有频率与高灵敏度之间的矛盾、弹性体质量与解耦难易程度的矛盾等三大瓶颈矛盾。第二类是基于Stewart平台工作原理的并联式结构，将应变元件安装在平台的支撑杆上或弹性移动副上(或将压电元件装在支撑杆上)，这类传感器对各个测量单元的一致性要求很高，空间结构复杂，尺寸大，难以微小化。第三类是在刚体传力机构上安装八个或两个多维压电式力传感器(例如：中国专利ZL2007100781415《差动式压电六维力传感器》，ZL2007100786847《一种压电式六维力传感器》)，外力信息通过刚体传力机构直接施加在各个传感器上，由于该结构传感器不存在用于测量外力的弹性体，因此可以很好的克服因弹性体的存在带来的瓶颈矛盾，但这类六维力传感器对各个传感器的安装精度要求高，对同型号传感器的一致性要求高，由于刚体传力机构质量的存在，该类传感器应用在加速度场中时其测量精度也会受到加速度的影响。中国专利ZL2008100697208《一种平板式压电六维力传感器》所提供的技术方案，克服了刚体传力机构对第三类传感器性能的影响，该方案还特别有利于六维力传感器的微型化，也即可以使用MEMS工艺方案来实现，但由于该技术方案需要安装十六片压电石英晶片，对其定位精度的要求也比较高，这就对这种平板式压电六维力传感器的微型化带来了比较大的困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种仍然能保持无维间耦合，无需解耦运算之优点，并且又具有结构简单、加工工艺要求低、尤其适用于MEMS工艺加工、以使其微型化的压电式六维力传感器。

解决所述技术问题的方案，是这样一种压电式六维力传感器。它与现有技术相同的方面是，该传感器包括其内部带有安装盘、其外部带有插座的基座，被上下两片绝缘电极板夹住而安装在该基座内安装盘上的测力测矩计，紧压在上片绝缘电极板上的盖子，把绝缘电极板的电极与插座连接起来的信号引线以及固定且绝缘隔离该信号引线的绝缘填充材料。其中，测力测矩计由若干石英晶片构成。其改进之处是，构成测力测矩计的石英晶片只有八片，这八片石英晶片在该传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上。在该参考圆与X、Y轴的交点处，安置的是四片Y0°切型石英晶片，其余为四片X0°切型石英晶片——这四片Y0°切型石英晶片各自自身的局部坐标系中的Y轴，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴平行且方向相反或相同，其X轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针分布，其Z轴均根据左手定则或均根据右手定则确定；这四片X0°切型石英晶片各自自身的局部坐标系的X轴，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴平行且方向相反或相同，其Y轴沿所述参考圆的圆周逆时针或顺时针分布，其Z轴均根据左手定则或均根据右手定则确定。在两片绝缘电极板上有与这八片石英晶片一一对应且呈镜像对称的八对电极，这八对电极分别构成八个信号输出端、并分别通过信号引线与对应插座连接。与在Y轴上的Y0°切型石英晶片对应的信号输出端的输出值，通过减法运算为X向的力值；与在X轴上的Y0°切型石英晶片对应的信号输出端的输出值，通过减法运算为Y向的力值；与四片X0°切型石英晶片对应的信号输出端的输出值，通过加法运算为Z向的力值；与在X轴正向和Y轴负向的角平分线上、在X轴负向和Y轴负向的角平分线上的两片X0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值之和与另外两片X0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值之和，通过减法运算为X向的力矩值；与在X轴正向和Y轴正向的角平分线上、在X轴正向和Y轴负向的角平分线上的两片X0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值之和与另外两片X0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值之和，通过减法运算为Y向的力矩值；与四片Y0°切型石英晶片所对应的信号输出端的输出值，通过加法运算为Z向的力矩值。