[发明专利]一种压电式十二维传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种能测量三维力、三维力矩、三维线加速度和三维角加速度的十二维的传感器。

背景技术

从同时检测空间全力(三维力、三维力矩、三维线加速度和三维角加速度)信息的角度看，现有的各种三维、六维传感器均不能满足需要，因此，近年来对能够同时检测空间全力信息的十二维传感器的研究受到了国内外有关科研机构的关注。但由于这种传感器结构复杂，标定困难，国际上目前仍然只有为数不多的科研机构在投资开发研究。现有的十二维传感器采用了双Stewart平台作为弹性体的结构形式，在12个弹性支柱上粘贴了应变片，形成了十二个全桥电路，通过解耦十二路信号得到三维力、三维力矩、三维线加速度和三维角加速度，这种十二维传感器的测量原理实质上是通过传感元件(应变片)检测弹性体的形变来间接检测空间全力信息的。因此，它存在着传感器特性受弹性体影响，传感器结构和加工工艺复杂、加工制作难度大、成本高、维间耦合严重的问题。

从消除维间耦合的角度来看，申请号为200810069839.5、名称为《一种压电式六维加速度传感器》的技术方案解决得较好。然而，该技术方案却不能同时测量三维力和三维力矩。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、加工成本低、无维间耦合的压电式十二维传感器。

为实现所述发明目的，提供这样一种压电式十二维传感器。它与现有技术相同的方面是，该传感器包括带有导线孔和与该导线孔相通的外插座的基座、盖在该基座上的盖子、通过预紧螺钉压住而从下往上安装在该基座内的六维加速度检测计和惯性质量块。该预紧螺钉的轴线和该六维加速度检测计的轴线，均与该传感器的工作三维直角坐标系的Z轴同轴。

该六维加速度检测计由共有十六片石英晶片的第一晶片组和夹持这第一晶片组的十六片石英晶片的两块镜像对称的环形的第一绝缘电极板构成。这第一晶片组的十六片石英晶片在一个与所述Z轴同轴的三维直角坐标系的X、Y平面中，均匀布置于一个Z轴通过其圆心的一个第一参考圆的圆周上。其中，在该第一参考圆与X、Y轴所成夹角的角平分线交点处，安置的是第一晶片组中的四片X0°切型石英晶片，该第一晶片组中的其余十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片。这第一晶片组中的四片X0°切型石英晶片的敏感轴垂直于该第一参考圆且其敏感轴的方向一致，这四片X0°切型石英晶片的Y轴的延长线与传感器的工作三维直角坐标系的Z轴正交，且该Y轴的正向均沿该第一参考圆离心或向心分布；每一X0°切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英晶片的敏感轴与该第一参考圆相切且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列。在该第一参考圆与X、Y轴交点处的该第一晶片组中的四片Y0°切型石英晶片的敏感轴对应重叠在所在的X轴或Y轴上、且这四片Y0°切型石英晶片的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向。

两块第一绝缘电极板的内侧上均有与这第一晶片组的十六片石英晶片一一对应的十六个电极。其中，与同在X轴上的两片Y0°切型石英晶片所对应的电极连通、构成X向的线加速度值的信号输出端；与同在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片所对应的电极连通、构成Y向的线加速度值的信号输出端；与每一片X0°切型石英晶片两侧紧邻的Y0°切型石英晶片所对应的电极以靠近X轴负向一侧的两片电极为首尾、依次串连构成Z向的角加速度值的信号输出端。与四片X0°切型石英晶片所对应的四个电极各自为一个加速度待算信号输出端，这四个加速度待算信号输出端的输出值通过加法运算，为Z向的线加速度值；位于Y轴负向一侧两个加速度待算信号输出端的输出值之和，减去另两个加速度待算信号输出端的输出值，为X向的角加速度值；位于X轴正向一侧两个加速度待算信号输出端的输出值之和，减去另两个加速度待算信号输出端的输出值，为Y向的角加速度值。两块第一绝缘电极板内侧上相同的信号输出端分别通过穿过导线孔的绝缘屏蔽信号引线与各自对应的外插座连接。

其改进之处是，本发明的基座有一个外壳体，在该基座的外壳体之内有两个与所述Z轴同轴的圆筒型凸台。

在内的这一圆筒型凸台是加速度检测计安装凸台，该加速度检测计安装凸台呈无底的圆筒状，其中间的圆孔为螺纹孔。所述六维加速度检测计及其上方的惯性质量块安装在该加速度检测计安装凸台的台面上，预紧螺钉通过其螺杆前端的螺纹拧在该加速度检测计安装凸台的螺纹孔上半部分。该预紧螺钉的轴心有一贯通的圆孔；有一个通过其下端的外螺纹拧紧在该加速度检测计安装凸台的螺纹孔下半部分的封装螺纹筒，以间隙配合状态向上穿过该预紧螺钉轴心的圆孔。