CN100480653C - 大力值压电石英多分量力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大力值压电石英多分量力传感器，属于传感器及其测控领域。它是由上盖、底座、力敏元件、预紧螺钉、空心螺钉和密封圈组成的传感器本体与两个开口套筒组成的。传感器本体中的力敏元件为石英晶片，四组石英晶组相对于坐标系呈正方形对称布置，安装于上盖与底座凹凸槽之间，靠过盈量预紧。传感器结构简单，性能好，成本低，具有高刚度、高灵敏度、高固有频率、线性好、耦合系数小、横向干扰小等优良特点，可及时而准确地测出六维静态力、动态力、瞬时力。本传感器，主要用于巨型重载设备轴上六维力的测量，也可用于其它轴上六维力的测量，用途广泛。
Description
技术领域
本发明属于传感器及其测控领域领域，特别涉及巨型重载设备的六维大力值测量。
背景技术
传统中的六维力传感器，如三垂直筋结构的六维力传感器、筒形的六维力传感器、双环形六维力传感器、四垂直筋结构六维力传感、非径向三梁结构六维力传感器、十字结构六维力传感器、Stewart结构六维力传感器等，都采用应变片作为力敏元件测量被测对象表面上承受的六维力，其中有的结构复杂、有的尺寸大、有的刚度低、有的应变灵敏度低、有的解耦困难，且多用于小力值测量，也不能满足动态测量的要求。传统中的大力值测力传感器，如附着式大力值传感器，具有结构轻巧，工作可靠，维护简单等优点，但只能用于测量单维大力。
巨型操作设备具有大惯量、多自由度、变刚度等特点，在空载和负载操作时其动力学特性迥异，容易发生参数失配，造成动态操作过程中的振荡。在制造过程中，操作装备通常是与加工装备协调操作的，操作装备的末端执行机构对制造过程中的工件变形所造成的位移需具有力顺应性和位置顺应性，以避免因约束造成的载荷剧增或夹持失效。实时六维力测量是实现顺应控制和多自由度协调控制的基础。重载条件下六维力的动态测量是重载操作装备控制系统设计中的关键技术。巨型重载操作装备工作在高温、重载、冲击条件下，故上述的传统六维力传感器和传统大力值传感器不能满足大力值六维力测量的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述装置的缺欠，设计一种技术性能好，工作可靠，易于制造、安装和维修，便于推广使用的耦合系数小、灵敏度高的大力值压电石英多分量力传感器。本发明的大力值压电石英多分量力传感器具有较高的静态和动态性能。由于结构简单，所以该传感器的成本大大降低，它具有较高的力—电转换效率，可以测量静态力、动态力和瞬态力。本发明的大力值压电石英多分量力传感器主要用于巨型重载操作机轴上六维力的测量，也可用于其他机构轴上力和变形的测量，也可用于平面上六维力的测量。
本发明的技术方案是大力值压电石英多分量力传感器，由传感器本体和上下开口套筒组成。传感器的本体由上盖1、力敏元件2、密封圈3、底座4、内六角螺钉5、空心螺钉8组成，上盖1下表面上开有圆环形凹槽f，底座4上表面上有圆环形凸槽g，凸槽g上表面上正交放置4组力敏元件2，上盖1与底座4通过凹槽f和凸槽g配合，力敏元件2的上表面与凹槽f表面接触，在上盖1的下表面上开有两个密封圆环槽h、i，其内各放置有密封圈3、3′，4个预紧螺钉5通过孔b将上盖1、力敏元件2、底座4、密封圈3、3′安装在一起，在上盖外圆柱表面上开有螺纹孔，用于安装空心螺钉8；力敏元件2由可测量Fx、Fy、Fz三个方向力和Mx、My、Mz三个方向扭矩值的三组石英晶组组成的，其中一组承受拉压效应的X0°切型，两组承受剪切效应的Y0°切型，每组石英晶片表面贴有电极9，石英晶片并联连接后，通过导线10经空心螺钉8引出体外。力敏元件2用密封胶密封。上开口套筒6为带有凹肩的空心圆柱体，在上外圆柱表面c上匀布有4个通孔a，通过螺栓11将上开口套筒6固定于中间轴13上，在上开口套筒6上开有缺口k，利用弹性将上开口套筒6与传感器本体固紧，上开口套筒6的表面d与上盖1的上表面接触。下开口套筒7为带有凹肩的空心圆柱体，在下外圆柱表面c′上匀布有4个通孔a′，通过螺栓12将下开口套筒7固定于中间轴13上，在下开口套筒7上开有缺口k，利用弹性将下开口套筒7与传感器本体固紧，下开口套筒7的表面d′与底座4的下表面接触，下开口套筒7的表面e′与底座4的内圆柱表面接触。
本发明的显著效果是，结构简单，刚性好，对称性好，工艺性好，稳定性好，制造容易，操作简单，使用方便，寿命长，成本较低，灵敏度高，易于解耦，且横向干扰小。可用来测量巨型重载操作装备上轴受到的静态力、动态力、瞬态力，也可以作为在线监测装置或自适应控制系统反馈元件。
附图说明
图1为发明结构示意图，图2为上、下开口套筒6、7的结构示意图。图中：1—上盖，2—力敏元件，3—密封圈，3′—密封圈，4—底座，5—内六角螺钉，6—上开口套筒，7—下开口套筒，8—空心螺钉，9—电极，10—电极引线，11—螺栓，12—螺栓，13—中间轴，a—通孔，b—螺纹孔，c—上开口套筒螺栓连接外表面，d—与传感器本体承载端面接触的上开口套筒轴肩面，e—与传感器本体内径接触的上开口套筒表面，c′—下开口套筒螺栓连接外表面，d′—与传感器本体底面接触的下开口套筒轴肩面，e′—与传感器本体内径接触的下开口套筒表面，k—开口套筒缺口。
图3为发明的立体效果图。
具体实施方式
结合附图详细说明本发明的实施，如图1所示，传感器本体材料为不锈钢，上开口套筒6和下开口套筒7材料为合金钢。弹性环节的几何参数选择应保证各相刚度相同。使用时，先将下开口套筒7安装于中间轴13上，用螺栓12固紧，然后将传感器本体套于中间轴13上，利用下开口套筒7的弹力将传感器本体固紧，再将上开口套筒6套在中间轴13上，利用弹力固紧传感器本体，然后用螺栓11将上开口套筒6固定于中间轴13上。当轴上受力时，由上开口套筒6、下开口套筒7作用到传感器本体上，通过传感器上的弹性环节作用在力敏元件2上，经力敏元件2的拉压效应、剪切效应、扭转效应将作用力自动分解为Fx、Fy、Fz三个方向力和Mx、My、Mz三个方向扭矩的输出，产生相对应的电荷量，经电荷放大器放大变成相应的电压信号后，分别以电压Ux1～Ux4，Uy1～Uy4，Uz1～Uz4，UMx1～UMx4，UMy1～UMy4，UMz1～UMz4输出，通过信号调理及A/D数据采集卡将模拟信号变成数字信号输入计算机，通过计算机相应软件处理得出空间矢量力各主要参数，最后，由终端显示、记录、打印等。其中力敏元件2装入传感器时的过盈量一般取为0.3～0.5mm，预紧力为8000～15000N。装配时为保证各向间横向干扰最小原则，对力敏元件2的位置要进行精确调试。本发明使用方便，精确可靠。
Claims (2)
1、一种大力值压电石英多分量力传感器，其特征在于它是由传感器本体和上下开口套筒组成的，其传感器的本体由上盖(1)、力敏元件(2)、密封圈(3)、底座(4)、内六角螺钉(5)、空心螺钉(8)组成，上盖(1)下表面上开有圆环形凹槽(f)，底座(4)上表面上有圆环形凸槽(g)，凸槽(g)上表面上正交放置4组力敏元件(2)，上盖(1)与底座(4)通过凹槽(f)和凸槽(g)配合，力敏元件(2)的上表面与凹槽(f)表面接触，在上盖(1)的下表面上开有两个密封圆环槽(h)(i)，其内各放置有密封圈(3)、(3′)，4个预紧螺钉(5)通过孔(b)将上盖(1)、力敏元件(2)、底座(4)、密封圈(3)、(3′)安装在一起，在上盖外圆柱表面上开有螺纹孔，用于安装空心螺钉(8)；上开口套筒(6)为带有凹肩的空心圆柱体，在上外圆柱表面(c)上匀布有4个通孔(a)，通过螺栓(11)将上开口套筒(6)固定于中间轴(13)上，在上开口套筒(6)上开有缺口(k)，利用弹性将上开口套筒(6)与传感器本体固紧，上开口套筒(6)的表面(d)与上盖(1)的上表面接触，下开口套筒(7)为带有凹肩的空心圆柱体，在下外圆柱表面(c′)上匀布有4个通孔(a′)，通过螺栓(12)将下开口套筒(7)固定于中间轴(13)上，在下开口套筒(7)上开有缺口(k)，利用弹性将下开口套筒(7)与传感器本体固紧，下开口套筒(7)的表面(d′)与底座(4)的下表面接触，下开口套筒(7)的表面(e′)与底座(4)的内圆柱表面接触。
2、根据权利要求1中所述的大力值压电石英多分量力传感器，其特征在于力敏元件(2)由可测量Fx、Fy、Fz三个方向的力和Mx、My、Mz三个方向的扭矩值的三组石英晶组组成的，其中一组承受拉压效应的X0°切型，两组承受剪切效应的Y0°切型，每组石英晶片表面贴有电极(9)，石英晶片并联连接后，通过导线(10)经空心螺钉(8)引出体外。力敏元件(2)用密封胶密封。
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