[發明專利]一種三維精密壓電傳感裝置

有效

• 申請號: 201810361373.X
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108593154B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 閆鵬;張志名;魯帥帥
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 任歡

本發明公開了一種三維精密壓電傳感裝置，它解決了現有技術中傳感裝置檢測精度差的問題，具有實現三自由度檢測、靈敏度高的有益效果，其方案如下：一種三維精密壓電傳感裝置，包括基體，基體內設置凹槽形成中心框體；第一平面內傳感單元，包括圍繞中心框體設置的力作用帶，中心框體的各個角分別通過導向機構與基體相連，中心框體的輸出端與第一力放大機構連接，對中心框體的作用力經第一力放大機構放大后傳遞給相應側的壓電晶塊。

技術領域

本發明涉及精密力傳感與精密控制工程領域，特別是涉及一種三維精密壓電傳感裝置。

背景技術

精密力傳感技術在精密工程應用中發揮著越來越重要的作用，特別是超精密機床，原子力顯微鏡，航空航天等領域。同時，隨著這些領域的深入研究，對力或能轉換為力的非電物理量的檢測提出了越來越高的要求，對能實現高靈敏度、多自由度、耦合小的精密傳感裝置需求越來越旺盛。目前的力傳感技術主要存在以下不足：

1.由于傳感器本身的靈敏度是一定的，傳統的力傳感裝置對微小變化量的檢測不敏感，靈敏度相對較低；

2.現有的力傳感裝置多存在零點漂移現象，如應變片的絕緣電阻過低或通過電流而發熱時，在不受力的條件下其應變值也會隨時間發生變化；

3.現有的力傳感裝置多集中在單軸檢測，或多軸檢測時存在較嚴重的耦合現象，影響檢測精度。

因此，設計一種能夠進行多自由度、高靈敏度且耦合小的力檢測裝置，是本領域技術人員亟需解決的。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種三維精密壓電傳感裝置，該裝置具有三自由度檢測、靈敏度高、結構解耦等優點。

一種三維精密壓電傳感裝置的具體方案如下：

一種三維精密壓電傳感裝置，包括：

基體，基體內設有凹槽，凹槽內設置中心框體；

第一平面內傳感單元，包括力作用帶，第一平面內四條作用帶構成中心框體，同一方向兩力作用帶的四端分別通過導向機構與基體各自連接，中心框體的輸出端與第一力放大機構連接，對中心框體的作用力經第一力放大機構放大后傳遞給相應側的壓電晶塊。

上述壓電傳感裝置，忽略力傳遞過程中的能量損失，根據F₁x₁＝F₂x₂，X、Y向可實現7.1倍的被測力放大；Z向可實現3.74倍的被測力放大。通過力放大機構的設置，有效提高了測量系統整體的靈敏度。同時，基于壓電晶塊材料的正壓電效應，能實現寬頻帶、高靈敏度的力檢測。

進一步地，所述第一平面內傳感單元包括：

X向傳感單元，包括設于中心框體對稱兩側的X正向作用帶和X反向作用帶，兩作用帶的四端分別設置X導向機構，X導向機構一端與基體連接，另一端與中心框體連接，中心框體的輸出端與同基體連接的X向第一力放大機構連接，經X向第一力放大機構放大后的被測力最終經X輸出鉸鏈傳遞到X向壓電晶塊，

Y向傳感單元，與X向傳感單元方向在同一平面內，與X向傳感單元相互垂直，且結構相同，這樣Y向傳感單元同樣包括Y正向作用帶和Y反向作用帶，這樣中心框體的四側分別為這四條力作用帶，中心框體突出于基體表面設置。

其中，X向第一力放大機構與Y向第一力放大機構均為杠桿力放大機構，杠桿力放大機構一端內側設置連接桿，另一端內側設置X向壓電晶塊，X向壓電晶塊設于中心框體的一側，且X向杠桿力放大機構通過X向連接桿與X反向力作用帶的中部連接。

進一步地，傳感裝置還包括Z向傳感單元，Z向傳感單元的被測力方向與第一平面垂直，第一平面為水平平面，X方向與Y方向垂直，Z向與水平面垂直。