[發(fā)明專利]可分載的壓電式多維力測(cè)量裝置及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210552229.7
• 申請(qǐng)日: 2012-12-18
• 公開（公告）號(hào): CN103175636A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任宗金;賈振元;高翼飛;尚永艷;高勝南
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/16
• 分類號(hào): G01L1/16
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于壓電式傳感器領(lǐng)域，特別涉及需要進(jìn)行三個(gè)方向的力測(cè)量且三個(gè)方向的力在量程上相近，量值在萬牛級(jí)別的測(cè)試裝置。

背景技術(shù)

在一般的、傳統(tǒng)的多維力測(cè)量領(lǐng)域中，三個(gè)方向（笛卡爾坐標(biāo)系）的力的量程一般在千牛級(jí)別及以下，常用的測(cè)量方法有以下幾種：

A.基于應(yīng)變片的應(yīng)變式多維力測(cè)量裝置

應(yīng)變式傳感器是利用特定材料在變形過程中所發(fā)生的物性變化如電阻等為基礎(chǔ)制成的，具有質(zhì)量輕、響應(yīng)快、體積較小等優(yōu)勢(shì)。由于應(yīng)變片具有結(jié)構(gòu)簡單、布片靈活、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，基于應(yīng)變片的各類傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。而且對(duì)于不同量程的測(cè)量來說，通常是改變彈性環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，增大或減小彈性環(huán)節(jié)的剛度，來匹配所測(cè)量程的需要。由于它必須具有一定的形變，通常是幾十到兩萬微應(yīng)變，敏感材料才能產(chǎn)生物性效應(yīng)，所以應(yīng)變式傳感器一般剛度較低，一般用于模型的靜態(tài)測(cè)力。

B.基于壓電效應(yīng)的多維壓電式測(cè)試系統(tǒng)

壓電式六維力測(cè)試裝置通常以三組或四組壓電式三分力傳感器采取一定空間布置的方法來實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是：高剛度、高固有頻率、高靈敏度、穩(wěn)定性優(yōu)良。目前已在軌/姿控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖推力矢量測(cè)量和高頻脈沖推力測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用。由于這類測(cè)量領(lǐng)域法向的拉壓力量程較大為千牛級(jí)別，而切向的兩個(gè)方向力的量程較小為幾十牛，所以對(duì)三向力傳感器不需做任何分載，即可滿足測(cè)量要求。伴隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，在高頻動(dòng)態(tài)力測(cè)量領(lǐng)域又出現(xiàn)了新的測(cè)量要求，即三個(gè)方向需要測(cè)量的力的量程均達(dá)到了萬牛級(jí)別。此時(shí)傳統(tǒng)直接使用三向力傳感器的方法已不能采用，而是采用分載的方法。因?yàn)槿驂弘娛搅鞲衅髟谇邢虻膬蓚€(gè)方向的測(cè)量是以法向的預(yù)緊力和摩擦系數(shù)來匹配的，預(yù)緊力通常在2萬牛，摩擦系數(shù)在0.1左右，這樣造成了切向力的測(cè)量量程在2千牛，不能滿足此類測(cè)量場(chǎng)合的使用要求。實(shí)際測(cè)量中最常用的分載方法是采用并聯(lián)分載原理，將三個(gè)方向的力全部分載，客觀上減小了不需分載的法向力的滿量程測(cè)量值，從而也降低了法向力的測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是改變傳統(tǒng)的壓電式多維力測(cè)量中切向兩個(gè)方向量程不能達(dá)到萬牛級(jí)別，而導(dǎo)致某些場(chǎng)合無法應(yīng)用的難題，發(fā)明一種可分載的壓電式多維力裝置及其制作方法。本制作方法利用在壓電式三向力傳感器周圍合理位置布置多點(diǎn)膨脹柱銷的方法，通過設(shè)計(jì)膨脹柱銷的不同直徑來實(shí)現(xiàn)不同的分載比，從而達(dá)到所測(cè)力僅為實(shí)際作用力的一部分的目的。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，分載比可調(diào)，對(duì)法向力幾乎不分載，從而提高法向力的測(cè)量精度的同時(shí)，滿足兩個(gè)切向力的測(cè)量要求。該裝置極大拓寬了壓電式多維力測(cè)試裝置的應(yīng)用范圍，可應(yīng)用于需要多維力動(dòng)態(tài)測(cè)量且量程相對(duì)較大的場(chǎng)合，在機(jī)械加工、航空航天等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種可分載的壓電式多維力測(cè)量裝置的制作方法,其特征是,采用壓電式三向力傳感器，并利用在壓電式三向力傳感器周圍合理布置多點(diǎn)膨脹柱銷的方法，通過設(shè)計(jì)膨脹柱銷的不同直徑來實(shí)現(xiàn)不同的分載比；采用均勻分布的四個(gè)膨脹柱銷4在四個(gè)錐銷6的作用下膨脹而實(shí)現(xiàn)底座1與上蓋板3的切向剛性連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)作用于上蓋板3的力的分載；使分載比可調(diào)，而對(duì)法向力幾乎不分載；具體制作方法步驟如下：

1）先以底座1中心上的帶有凸臺(tái)的表面A為基準(zhǔn)，將壓電式三向力傳感器2的下表面B與之貼合，使壓電式三向力傳感器2的中心孔C與底座1的中心孔D的軸線一致，并以壓電式三向力傳感器2的中心孔D的軸線為旋轉(zhuǎn)軸，調(diào)整其受力方向和測(cè)量方向一致；

2）上蓋板3的中心帶有凸臺(tái)的表面E與壓電式三向力傳感器2的上表面F貼合，旋轉(zhuǎn)上蓋板3使上蓋板3的四個(gè)柱型銷孔G與底座1的四個(gè)柱形銷孔H的軸線一致；

3）將四個(gè)膨脹柱銷4分別插入上蓋板3的四個(gè)柱型銷孔G和底座1的四個(gè)柱形銷孔H中；四個(gè)錐銷6分別插入四個(gè)膨脹柱銷4的中心錐孔J中；

4）將四個(gè)緊定螺釘5分別旋入四個(gè)膨脹柱銷4的螺紋K中；預(yù)緊螺釘7穿過底座1的中心孔D和壓電式三向力傳感器2的中心孔C，與上蓋板3的中心螺紋孔N螺紋配合，完成制作。

一種可分載的壓電式多維力測(cè)量裝置的制作方法，其特征是,?采用該制作方法制作的測(cè)量裝置由底座1、壓電式三向力傳感器2、上蓋板3、四個(gè)膨脹柱銷4、四個(gè)緊定螺釘5、四個(gè)錐銷6和預(yù)緊螺釘7組成；壓電式三向力傳感器2安裝在底座1的中心凸臺(tái)上，預(yù)緊螺釘7穿過上蓋板3的中心螺紋孔N將底座1、壓電式三向力傳感器2和上蓋板3固定在一起；對(duì)壓電式三向力傳感器（2）實(shí)施預(yù)緊；在膨脹柱銷4的端面L上，向下垂直方向開十字形細(xì)切口，寬度0.2mm，不貫穿。