[发明专利]一种压电式十二维传感器

摘要

一种压电式十二维传感器。该传感器包括基座、盖在该基座上的盖子、安装在基座内的六维加速度检测计和六维力检测计。六维加速度检测计通过压在它之上的惯性质量块和预紧螺钉安装在基座内的一个圆筒型凸台上，六维力检测计安装在基座内的另一个同轴的圆筒型凸台上、并由盖子上的预紧环压住。在该预紧环的内外，各有一圈内弹性膜和外弹性膜。与现有的十二维传感器相比较，本发明简化了结构、降低了成本；具有动态特性好、刚度相对较高，无维间耦合等优点。因此，本传感器可应用到机器人、航空航天、民用制造业中的力/加速度的测量以及其它需要同时检测六维力/力矩和六维线加速度/角加速度的场合。

主权项

1、一种压电式十二维传感器，该传感器包括带有导线孔(23)和与该导线孔(23)相通的外插座(C)的基座(2)、盖在该基座(2)上的盖子(1)、通过预紧螺钉(7)压住而从下往上安装在该基座(2)内的六维加速度检测计(5)和惯性质量块(4)；该预紧螺钉(7)的轴线和该六维加速度检测计(5)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(5)由十六片石英晶片(jx1～jx16)和夹持这十六片石英晶片(jx1～jx16)的两片完全相同的环形的绝缘电极板(51)构成；这十六片石英晶片(jx1～jx16)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参考圆(50)的圆周上；其中，在该参考圆(50)与X、Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)，其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片(jx1、jx2、jx4、jx5、jx6、jx8、jx9、jx10、jx12、jx13、jx14、jx16)；这四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)的敏感轴垂直于参考圆(50)且其敏感轴的方向一致，这四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)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轴的正向均沿该参考圆(50)离心或向心分布；每一X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(jx2、jx4、jx6、jx8、jx10、jx12、jx14、jx16)的敏感轴与该参考圆(50)相切且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在该参考圆(50)与X、Y轴交点处的四片Y0°切型石英晶片(jx1、jx5、jx9、jx13)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(jx1、jx9与jx5、jx13)的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向；所述的两片绝缘电极板(51)的内侧上均有与这十六片石英晶片(jx1～jx16)一一对应的十六个电极(dx1～dx16)；其中，与同在X轴上的两片Y0°切型石英晶片(jx1、jx9)所对应的电极(dx1、dx9)连通、构成X向的线加速度(aX)值的信号输出端(Q1)，与同在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片(jx5、jx13)所对应的电极(dx5、dx13)连通、构成Y向的线加速度(aY)值的信号输出端(Q3)，与每一片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(jx2、jx4、jx6、jx8、jx10、jx12、jx14、jx16)所对应的电极(dx2、dx4、dx6、dx8、dx10、dx12、dx14、dx16)以靠近X轴负向一侧的两片电极(dx2、dx16)为首尾、依次串连构成Z向的角加速度(aθZ)值的信号输出端(Q2)；与四片X0°切型石英晶片(jx3、jx7、jx11、jx15)所对应的四个电极(dx3、dx7、dx11、dx15)各自为一个加速度待算信号输出端(Q4～Q7)，这四个加速度待算信号输出端(Q4～Q7)的输出值通过加法运算，为Z向的线加速度(aZ)值；位于Y轴负向一侧两个加速度待算信号输出端(Q6、Q7)的输出值之和，减去另两个加速度待算信号输出端(Q4、Q5)的输出值，为X向的角加速度(aθX)值；位于X轴正向一侧两个加速度待算信号输出端(Q6、Q5)的输出值之和，减去另两个加速度待算信号输出端(Q4、Q7)的输出值，为Y向的角加速度(aθY)值；两片绝缘电极板(51)内侧上相同的信号输出端分别通过穿过所述导线孔(23)的绝缘屏蔽信号引线(8)与各自对应的外插座(C1～C7)连接；其特征在于，所述基座(2)有一个外壳体(20)，在该基座(2)的外壳体(20)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(21)，该加速度检测计安装凸台(21)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(5)及其上方的惯性质量块(4)安装在该加速度检测计安装凸台(21)的台面上，所述预紧螺钉(7)通过其螺杆前端的螺纹拧在该加速度检测计安装凸台(21)的螺纹孔上半部分；该预紧螺钉(7)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(21)的螺纹孔下半部分的封装螺纹筒(6)，以间隙配合状态向上穿过该预紧螺钉(7)轴心的圆孔；在外的这一圆筒型凸台是一个其台面不低于所述预紧螺钉(7)上端面的六维力检测计安装凸台(22)；在该六维力检测计安装凸台(22)的台面上安装有一个同时空套在该封装螺纹筒(6)上部的六维力检测计(9)；所述盖子(1)以对该六维力检测计(9)施以预紧力且同时紧套着该封装螺纹筒(6)上端部的状态，固定地盖在所述基座(2)的外壳体(20)上；该六维力检测计安装凸台(22)与所述六维加速度检测计(5)对应的腰间部分，也有让该六维加速度检测计(5)所连接的绝缘屏蔽信号引线(8)穿过的导线孔(23)；其中，所述六维力检测计(9)由十六片石英晶片(jd1～jd16)和其轮廓与该六维力检测计安装凸台(22)的台面相同的绝缘电极板(91)构成，这十六片石英晶片(jd1～jd16)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轴通过其圆心的另一个参考圆(90)的圆周上，该参考圆(90)的直径等于该六维力检测计凸台(22)台面的中心环直径；在该参考圆(90)与X、Y轴的角平分线交点处，安置的是四片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)，其余的十二片石英晶片为Y0°切型石英晶片(jd1、jd2、jd4、jd5、jd6、jd8、jd9、jd10、jd12、jd13、jd14、jd16)；四片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)的敏感轴垂直于该参考圆(90)且其敏感轴的方向一致；每一X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(jd2、jd4、jd6、jd8、jd10、jd12、jd14、jd16)的敏感轴与参考圆(90)相切且其敏感轴的方向均按顺时针或者均按逆时针排列；在参考圆(90)与X、Y轴交点处的四片Y0°切型石英晶片(jd1、jd5、jd9、jd13)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(jd1、jd9与jd5、jd13)的敏感轴的方向均与所对应的X轴或Y轴同向或者反向；所述绝缘电极板(91)上有与这十六片石英晶片(jd1～jd16)一一对应的十六个电极(dd1～dd16)；其中，与同在X轴上的两片Y0°切型石英晶片(jd1、jd9)所对应的电极(dd1、dd9)连通、构成X向的力(FX)值的信号输出端(Q8)，与同在Y轴上的两片Y0°切型石英晶片(jd5、jd13)所对应的电极(dd5、dd13)连通、构成Y向的力(FY)值的信号输出端(Q10)，与每一片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)两侧紧邻的Y0°切型石英晶片(jd2、jd4、jd6、jd8、jd10、jd12、jd14、jd16)所对应的电极(dd2、dd4、dd6、dd8、dd10、dd12、dd14、dd16)以靠近X轴负向一侧的两片电极(dd2、dd16)为首尾、依次串连构成Z向的力矩(MZ)值的信号输出端(Q9)；与四片X0°切型石英晶片(jd3、jd7、jd11、jd15)所对应的四个电极(dd3、dd7、dd11、dd15)各自为一个力/力矩待算信号输出端(Q11～Q14)，这四个力/力矩待算信号输出端(Q11～Q14)的输出值通过加法运算，为Z向的力(FZ)值；位于Y轴负向一侧两个力/力矩待算信号输出端(Q13、Q14)的输出值之和，减去另两个力/力矩待算信号输出端(Q11、Q12)的输出值，为X向的力矩(MX)值；位于X轴正向一侧两个力/力矩待算信号输出端(Q13、Q12)的输出值之和，减去另两个力/力矩待算信号输出端(Q11、Q14)的输出值，为Y向的力矩(MY)值；在所述基座(2)的外壳体(20)与六维力检测计安装凸台(22)之间有引线间隙(23′)，上述这些信号输出端分别通过穿过引线间隙(23′)的绝缘屏蔽信号引线(8)与各自对应的与该引线间隙(23′)相通的外插座(C8～C14)连接。