專利名稱：差動式壓電三維力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量空間三維力的傳感器。
背景技術：
目前，公知的壓電式三維力傳感器是由基座、蓋子、石英晶片、電極、絕緣定位件、信號引出插座等部件構成。如附圖1～圖5所示，該壓電式三維力傳感器是將三片石英晶片按最大靈敏度軸互成90°角的方式組合在一起后安裝在基座里面，然后將蓋子和基座焊接在一起。當有空間力作用在傳感器上時，通過檢測三片石英晶片的電荷輸出量來反映空間三維力的大小。但這種壓電式三維力傳感器不但在外力較小時輸出信號微弱，測量精度不高，同時還不能克服因環境(如溫度、濕度)的變化給測量帶來的誤差。
發明內容
本發明要解決的技術是，克服現有的壓電式三維力傳感器之不足，提出一種不但在外力較小時，輸出信號強、測量精度高，同時還能克服因環境(如溫度、濕度)的變化給測量帶來的誤差的壓電三維力傳感器。
解決本發明其技術問題所采用的技術方案是，一種差動式壓電三維力傳感器。它與現有技術相同的方面是，該傳感器包括由帶有信號輸出電極的石英晶片和固定該石英晶片的絕緣定位架所構成的測力計、封裝該測力計在其內腔里的帶有信號引出插座的基座、以及預壓在石英晶片上并封蓋住該基座的蓋子。其中帶有信號輸出電極的石英晶片即所謂的壓電元件。本發明的改進之處是，其中的絕緣定位架設置有八個定位孔，各定位孔的中心連線為正方形。四個定位孔在該正方形的四角，定位在四角定位孔中的石英晶片均為X0°切型石英晶體，這四個晶片的X軸均垂直于該正方形、且相鄰角晶片的軸向相反；另四個定位孔在該正方形四邊的中點，定位在四邊中點定位孔中的石英晶片均為Y0°切型石英晶體，這四個晶片的X軸均平行于各自對應的邊、且相對邊晶片的軸向相反。
當空間三維力作用在本發明的傳感器上時，定位在兩組對角定位孔中的兩對X0°切型石英晶體片的上表面上將分別產生正電荷和負電荷的電荷變化；定位在兩組對邊中點定位孔中的兩對Y0°切型石英晶體片的上表面上也將分別產生正電荷和負電荷的電荷變化。借助差動式電荷放大器就可以實現對空間三維力信號的差動式測量。
本發明的有益效果是，該差動式壓電三維力傳感器無力的耦合，結構簡單，易于加工制造，能實現對力信號的差動式測量；由于采用差動測量方式的原因，在外力較小時，輸出信號強、測量精度高；能克服因環境(如溫度、濕度)的變化給測量帶來的誤差，并適合于多種場合下對空間三維力的測量。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1是現有壓電式三維力傳感器的結構簡圖；圖2是圖1俯視圖；圖3、圖4和圖5分別是圖1中的最大靈敏度互成90°角的三片石英晶片；圖6是本發明中的測力計主視圖；圖7是圖6的俯視圖。
圖8是本發明的主視圖；圖9是圖8的俯視圖。
具體實施例方式
差動式壓電三維力傳感器(參考圖6、7、8、9)。與現有技術相同，該傳感器包括由帶有信號輸出電極的石英晶片和固定該石英晶片的絕緣定位架所構成的測力計、封裝該測力計在其內腔里的帶有信號引出插座的基座、以及預壓在石英晶片上并封蓋住該基座的蓋子。其中，石英晶片的信號輸出電極與基座上的信號引出插座12一一對應聯接，然后直接用市售的帶聚四氟乙烯連接頭的聯線與差動式電荷放大器聯接。本發明的特征是，其中的絕緣定位架設置有八個定位孔，各定位孔的中心連線為正方形。它們中的四個定位孔在該正方形的四角，定位在四角定位孔中的石英晶片(1、3、5、7)均為X0°切型石英晶體，這四個晶片(1、3、5、7)的X軸均垂直于該正方形、且相鄰角晶片的軸向相反——顯然，對角晶片(1、5和3、7)的軸向就是相同的了；另四個定位孔在該正方形四邊的中點，定位在四邊中點定位孔中的石英晶片(2、4、6、8)均為Y0°切型石英晶體，這四個晶片(2、4、6、8)的X軸均平行于各自對應的邊、且相對邊晶片的軸向相反。也就是說，8片石英晶片的中心在整個方形環的中心環線上；定位在正方形對邊中點定位孔中的石英晶片(2、4、6、8)各自的最大靈敏度軸與定位在正方形四角定位孔中的石英晶片(1、3、5、7)的最大靈敏度軸在測量空間互成90°角。其中，一組對邊中點定位孔中的石英晶片(2、6)測X(或Y)方向的力、另一組對邊中點定位孔中的石英晶片(4、8)測Y(或X)方向的力、四角定位孔中的石英晶片(1、3、5、7)測Z方向的力。與差動式電荷放大器聯接時，將一組定位在正方形對邊中點定位孔中的石英晶片(2、6)的輸出電荷信號接入差動式電荷放大器的兩個輸入端，就可以得到X(或Y，因為X、Y方向式可以互換的)軸向力的大小；將另一組定位在正方形對邊中點定位孔中的石英晶片(4、8)的輸出電荷信號接入差動式電荷放大器的兩個輸入端，就可以得到Y(或X)軸向力的大小；將定位在正方形一組對角定位孔中的石英晶片(1、5)并聯后的輸出電荷信號接入差動式電荷放大器的一個輸入端后，將定位在正方形另一組對角定位孔中的石英晶片(3、7)并聯后的輸出電荷信號接入差動式電荷放大器的另一個輸入端，就可以得到Z軸向力的大小。
為了確保各個晶片的X軸能夠按照各自的方向準確定位。進一步特征是(參考圖6、7)，八個定位孔及其在定位孔中的石英晶片(1、2、3、4、5、6、7、8)均為大小相等的正方形，這八個定位孔的正方形邊均與其中心連線的正方形的各對應邊平行。
為了進一步確保本發明的組裝質量。更進一步特征是(參考圖7)，絕緣定位架9為正方形環架，該框架的內、外正方形的中心與上述中心連線的正方形的中心重合，三個正方形的對應邊均相互平行。
再進一步特征是(參考圖8、9)，基座11制造成為一個正方形盒，蓋子10制造成為大小兩個中心線重合的、且各對應邊相互平行的正方形塊所構成的塞式蓋。該基座11的內腔與封裝在其內的絕緣定位架的正方形外型及其蓋子10的大正方形塊的四邊匹配，該基座11內腔的中部有與其蓋子10的小正方形塊的四邊匹配、且小于絕緣定位架的正方形孔的凹槽。該基座11與蓋子10還有同時穿透它們的與正方形塊的中心線重合的一個傳感器的裝夾孔13。
本發明最佳效果的產品制造過程簡述如下首先在正方形絕緣材料的中心，加工一個正方形孔；然后，在得到的正方形環架上加工8個與石英晶片(1、2、3、4、5、6、7、8)相配合的正方形孔，就得到傳感器的絕緣定位架，接著，將8個不同切型或不同敏感軸向的石英晶片(1、2、3、4、5、6、7、8)安裝在絕緣定位架內，就構成了本差動式壓電三維力傳感器的測力計。再接著，在正方形基座11上加工一個安放測力計的內腔(該內腔要比測力計略寬一點)，根據其內腔的形狀，配做蓋子10。最后，將測力計垂直對稱地安裝在基座11內，蓋上蓋子10，然后采用電子束焊接技術將基座11和蓋子10焊接在一起，便構成了本差動式壓電三維力傳感器。
權利要求
1.差動式壓電三維力傳感器，該傳感器包括由帶有信號輸出電極的石英晶片和固定該石英晶片的絕緣定位架所構成的測力計、封裝該測力計在其內腔里的帶有信號引出插座的基座、以及預壓在石英晶片上并封蓋住該基座的蓋子，其特征在于，所述絕緣定位架(9)有八個定位孔，各定位孔的中心連線為正方形；四個定位孔在該正方形的四角，定位在四角定位孔中的石英晶片(1、3、5、7)均為X0°切型石英晶體，這四個晶片(1、3、5、7)的X軸均垂直于該正方形、且相鄰角晶片的軸向相反；另四個定位孔在該正方形四邊的中點，定位在四邊中點定位孔中的石英晶片(2、4、6、8)均為Y0°切型石英晶體，這四個晶片(2、4、6、8)的X軸均平行于各自對應的邊、且相對邊晶片的軸向相反。
2.根據權利要求1所述的差動式壓電三維力傳感器，其特征在于，所述的八個定位孔及其在定位孔中的石英晶片(1、2、3、4、5、6、7、8)均為大小相等的正方形，這八個定位孔的正方形邊均與所述中心連線的正方形的各對應邊平行。
3.根據權利要求2所述的差動式壓電三維力傳感器，其特征在于，所述絕緣定位架(9)為正方形環架，該框架的內外正方形的中心與所述中心連線的正方形的中心重合，三個正方形的對應邊均相互平行。
4.根據權利要求3所述的差動式壓電三維力傳感器，其特征在于，所述基座(11)為正方形盒，所述蓋子(10)為大小兩個中心線重合的、且各對應邊相互平行的正方形塊所構成的塞式蓋；該基座(11)的內腔與所述絕緣定位架(9)的正方形外型及其蓋子(10)的大正方形塊的四邊匹配，該基座(11)內腔的中部有與其蓋子(10)的小正方形塊的四邊匹配、且小于所述絕緣定位架(9)的正方形孔的凹槽；該基座(11)與蓋子(10)還有同時穿透它們的與正方形塊的中心線重合的一個傳感器裝夾孔(13)。
全文摘要
一種差動式壓電三維力傳感器。該傳感器包括由石英晶片和固定絕緣定位架所構成的測力計、帶有信號引出插座的基座和基座的蓋子。其中的絕緣定位架設置有八個定位孔，各定位孔的中心連線為正方形。四個定位孔在該正方形的四角，四角中的石英晶片均為X0°切型石英晶體，它們的X軸均垂直于該正方形、且相鄰角晶片的軸向相反；另四個定位孔在該正方形四邊的中點，中點定位孔中的石英晶片均為Y0°切型石英晶體，它們的X軸均平行于各自對應的邊、且相對邊晶片的軸向相反。本發明結構簡單，易于加工制造，能實現對力信號的差動式測量；測量精度高，能克服因環境(如溫度、濕度)的變化給測量帶來的誤差，并適合于多種場合下對空間三維力的測量。
文檔編號G01L9/08GK1851427SQ20061005431
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月19日 優先權日2006年5月19日
發明者劉俊, 劉京誠, 秦嵐, 李敏 申請人:重慶大學
專業數控銑床產品供應商
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