[发明专利]一种三维精密压电传感装置

说明书

本发明公开了一种三维精密压电传感装置，它解决了现有技术中传感装置检测精度差的问题，具有实现三自由度检测、灵敏度高的有益效果，其方案如下：一种三维精密压电传感装置，包括基体，基体内设置凹槽形成中心框体；第一平面内传感单元，包括围绕中心框体设置的力作用带，中心框体的各个角分别通过导向机构与基体相连，中心框体的输出端与第一力放大机构连接，对中心框体的作用力经第一力放大机构放大后传递给相应侧的压电晶块。

技术领域

本发明涉及精密力传感与精密控制工程领域，特别是涉及一种三维精密压电传感装置。

背景技术

精密力传感技术在精密工程应用中发挥着越来越重要的作用，特别是超精密机床，原子力显微镜，航空航天等领域。同时，随着这些领域的深入研究，对力或能转换为力的非电物理量的检测提出了越来越高的要求，对能实现高灵敏度、多自由度、耦合小的精密传感装置需求越来越旺盛。目前的力传感技术主要存在以下不足：

1.由于传感器本身的灵敏度是一定的，传统的力传感装置对微小变化量的检测不敏感，灵敏度相对较低；

2.现有的力传感装置多存在零点漂移现象，如应变片的绝缘电阻过低或通过电流而发热时，在不受力的条件下其应变值也会随时间发生变化；

3.现有的力传感装置多集中在单轴检测，或多轴检测时存在较严重的耦合现象，影响检测精度。

因此，设计一种能够进行多自由度、高灵敏度且耦合小的力检测装置，是本领域技术人员亟需解决的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种三维精密压电传感装置，该装置具有三自由度检测、灵敏度高、结构解耦等优点。

一种三维精密压电传感装置的具体方案如下：

一种三维精密压电传感装置，包括：

基体，基体内设有凹槽，凹槽内设置中心框体；

第一平面内传感单元，包括力作用带，第一平面内四条作用带构成中心框体，同一方向两力作用带的四端分别通过导向机构与基体各自连接，中心框体的输出端与第一力放大机构连接，对中心框体的作用力经第一力放大机构放大后传递给相应侧的压电晶块。

上述压电传感装置，忽略力传递过程中的能量损失，根据F₁x₁＝F₂x₂，X、Y向可实现7.1倍的被测力放大；Z向可实现3.74倍的被测力放大。通过力放大机构的设置，有效提高了测量系统整体的灵敏度。同时，基于压电晶块材料的正压电效应，能实现宽频带、高灵敏度的力检测。

进一步地，所述第一平面内传感单元包括：

X向传感单元，包括设于中心框体对称两侧的X正向作用带和X反向作用带，两作用带的四端分别设置X导向机构，X导向机构一端与基体连接，另一端与中心框体连接，中心框体的输出端与同基体连接的X向第一力放大机构连接，经X向第一力放大机构放大后的被测力最终经X输出铰链传递到X向压电晶块，

Y向传感单元，与X向传感单元方向在同一平面内，与X向传感单元相互垂直，且结构相同，这样Y向传感单元同样包括Y正向作用带和Y反向作用带，这样中心框体的四侧分别为这四条力作用带，中心框体突出于基体表面设置。

其中，X向第一力放大机构与Y向第一力放大机构均为杠杆力放大机构，杠杆力放大机构一端内侧设置连接杆，另一端内侧设置X向压电晶块，X向压电晶块设于中心框体的一侧，且X向杠杆力放大机构通过X向连接杆与X反向力作用带的中部连接。

进一步地，传感装置还包括Z向传感单元，Z向传感单元的被测力方向与第一平面垂直，第一平面为水平平面，X方向与Y方向垂直，Z向与水平面垂直。