【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电传感，具体而言，涉及一种基于压电振动力频效应的力传感器。
技术介绍
1、力传感器是实现精密操纵、精细加工和智能机械的关键装置，对于机器人的触觉信息获取和感知起着重要作用。它在水下作业机器人、空间探测机等领域得到了广泛应用。力传感器能够为机器人在不同场景下的力控制和运动控制提供力感信息，从而实现复杂、精细作业的完成，对于机器人的柔顺化和智能化具有重要意义。
2、其中压电谐振器是一种良好的力传感器载体，其基于压电效应进行工作，压电效应包括正压电效应和逆压电效应，就是石英晶体沿机械轴受到力作用时，将在电轴方向上产生电场；反之，逆压电效应就是当石英晶体沿电轴方向受到电场作用时，将在机械轴方向上产生机械变形。具有谐振频率输出分辨力高、稳定性高和重复性好等优势
3、压电谐振器是用石英晶片、pzt等压电材料制成的压电芯片机械振子，其上有两个电极，用于激励机械振动。当激励信号的频率与压电芯片的固有频率一致时，压电芯片将产生谐振。该传感器工作原理正是利用石英的压电振动力频效应特性来测量力的大小。力频效应即当压电芯片受到外力作用时，石英晶体谐振频率发生变化的现象。
4、传感器在工作时，电极上施加交变电压，逆压电效应导致电极覆盖区域产生厚度剪切振动。通过测量压电芯片受力后频率的改变量δf，可以获得施加在传感器上的力大小。
5、在研究传感器特性时，力频特性可以用力频系数sx来表示：
6、
7、其中，f为施加到压电芯片上的力,δf为压电芯片受力后频率的改变量。>
8、经研究发现，目前这种石英谐振测力传感器设计本身限于其基础结构的原因，还存在一些使用问题，主要体现在受力测量范围相对狭窄，工作稳定性不够可靠。
9、综上所述，现有的基于压电振动力频效应的力传感器存在测量范围窄可靠性差的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是现有的基于压电振动力频效应的力传感器存在测量范围窄可靠性差的技术问题。
2、为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于压电振动力频效应的力传感器，包括两个以上力敏感单元、支撑连接组件以及位于所述力敏感单元和支撑连接组件外的壳体组件，所述力敏感单元包括压电芯片和设置于其侧面的电极片，所述支撑连接组件包括定位膜片，所述定位膜片将所述力敏感单元在所述壳体组件内位置固定，支撑连接组件还包括连接于所述力敏感单元端头用于传递受力的支撑块，所述力敏感单元相互平齐成行设置，排布方向平行于受力方向或垂直于受力方向。
3、该设计中这种力传感器设计包括多个又力敏感单元构成的阵列，力敏感单元即为常规压电力频传感器的基础结构设计，由压电芯片和贴覆其上的电极片构成，通过壳体组件和支撑连接组件将各个力敏感单元支撑组合起来构成整体，构成阵列的各个力敏感单元能够相互分担受到的受力，支撑连接组件的支撑块连接于力敏感单元的端头，通过定位膜片同时与支撑块和壳体组件连接从而将力敏感单元在壳体组件内的位置固定，将各个力敏感单元与壳体组件构成受力的整体，使得传感器在受力时能够保持稳定的结构形态，减少测力过程的形变失真，大大提升了测量的可靠性准确性，且扩大了传感器可工作的测量范围。
4、作为优选的方案，所述定位膜片的外缘形状与所述壳体组件内腔对应位置形状配合，所述定位膜片中心位置设置有与所述支撑块形状配合的定位孔，用于插装固定所述支撑块、并通过所述支撑块固定所述力敏感单元。优化了支撑连接组件的具体结构设计，提升了传感器的力传导及结构的整体性。
5、作为优选的方案，所述支撑块端面设置有凹槽结构，所述凹槽结构形状与所述压电芯片的端头凹凸配合，用于插装固定所述压电芯片。优化了支撑块的结构设计，优化了其与压电芯片的配合结构，令各压电芯片之间构成一个受力的整体。
6、作为优选的方案，所述外壳组件包括中空的筒体以及位于所述筒体两端的盖板，所述筒体内缘设置有垂直于其轴向的台阶面结构，通过所述台阶面结构与所述定位膜片外缘构成支撑。优化了外壳组件结构及其与定位膜片之间的结合方式。
7、作为优选的方案，所述筒体的上下两端端面以及盖板的外缘设置有凹凸配合的嵌合面结构，所述盖板与筒体相互嵌合固定，其中一个所述盖板的外侧面中心区域设置有压块结构，用于传导受力。优化了外壳组件中筒体和盖板的配合方式。
8、作为优选的方案，所述力敏感单元的压电芯片的板面方向平行于受力方向，力敏感单元位于所述筒体的中心区域，其排列方向沿受力的方向。优化了传感器内力敏感单元的分布方式。
9、作为优选的方案，所述支撑块分别设置于所述力敏感单元的两端以及相邻力敏感单元之间，位于力敏感单元阵列首位两端的支撑块分别与所述盖板的内端面相抵，位于相邻力敏感单元之间的支撑块通过所述定位膜片与所述筒体固定，其中一个位于力敏感单元阵列的端部的支撑块通过定位膜片与筒体固定。提供了在特定力敏感单元排布方式下的支撑连接结构的设计。
10、作为优选的方案，所述力敏感单元均匀布设于所述筒体内，其排列方向垂直于受力的方向。优化了传感器内力敏感单元的分布方式。
11、作为优选的方案，同一所述支撑块的端面设置有与所述力敏感单元数量一致的凹槽结构，位于所述力敏感单元两端的支撑块分别与盖板支撑相抵。提供了在特定力敏感单元排布方式下的支撑连接结构的设计。
12、作为优选的方案，所述力敏感单元呈矩形阵列装均匀布设于所述筒体内，阵列内力敏感单元的横排方向垂直于受力方向，纵列方向平行于受力方向。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，包括两个以上力敏感单元(3)、支撑连接组件、以及位于所述力敏感单元(3)和支撑连接组件外的壳体组件。所述力敏感单元(3)包括压电芯片(3-1)和设置于其侧面的电极片(3-2)，所述支撑连接组件包括定位膜片(5)，所述定位膜片(5)将所述力敏感单元(3)在所述壳体组件内位置固定，支撑连接组件还包括连接于所述力敏感单元(3)端头用于传递受力的支撑块(4)，所述力敏感单元(3)相互平齐成行设置，排布方向平行于受力方向或垂直于受力方向。
2.根据权利要求1所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述定位膜片(5)的外缘形状与所述壳体组件内腔对应位置形状配合，所述定位膜片(5)中心位置设置有与所述支撑块(4)形状配合的定位孔，用于插装固定所述支撑块(4)、并通过所述支撑块(4)固定所述力敏感单元(3)。
3.根据权利要求2所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述支撑块(4)端面设置有凹槽结构(4-1)，所述凹槽结构(4-1)形状与所述压电芯片(3-1)的端头凹凸配合，用于插装固定所述压电芯片
4.根据权利要求3所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述外壳组件包括中空的筒体(1)以及位于所述筒体(1)两端的盖板(2)，所述筒体(1)内缘设置有垂直于其轴向的台阶面结构(1-1)，通过所述台阶面结构(1-1)与所述定位膜片(5)外缘构成支撑。
5.根据权利要求4所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述筒体(1)的上下两端端面以及盖板(2)的外缘设置有凹凸配合的嵌合面结构，所述盖板(2)与筒体(1)相互嵌合固定，其中一个所述盖板(2)的外侧面中心区域设置有压块结构(6)，用于传导受力。
6.根据权利要求5所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述力敏感单元(3)的压电芯片(3-1)的板面方向平行于受力方向，力敏感单元(3)位于所述筒体(1)的中心区域，其排列方向沿受力的方向。
7.根据权利要求6所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述支撑块(4)分别设置于所述力敏感单元(3)的两端以及相邻力敏感单元(3)之间，位于力敏感单元(3)阵列首位两端的支撑块(4)分别与所述盖板(2)的内端面相抵，位于相邻力敏感单元(3)之间的支撑块(4)通过所述定位膜片(5)与所述筒体(1)固定，其中一个位于力敏感单元(3)阵列的端部的支撑块(4)通过定位膜片(5)与筒体(1)固定。
8.根据权利要求5所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述力敏感单元(3)均匀布设于所述筒体(1)内，其排列方向垂直于受力的方向。
9.根据权利要求8所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，同一所述支撑块(4)的端面设置有与所述力敏感单元(3)数量一致的凹槽结构(4-1)，位于所述力敏感单元(3)两端的支撑块(4)分别与盖板(2)支撑相抵。
10.根据权利要求5所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述力敏感单元(3)呈矩形阵列装均匀布设于所述筒体(1)内，阵列内力敏感单元的横排方向垂直于受力方向，纵列方向平行于受力方向。
...【技术特征摘要】
1.一种基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，包括两个以上力敏感单元(3)、支撑连接组件、以及位于所述力敏感单元(3)和支撑连接组件外的壳体组件。所述力敏感单元(3)包括压电芯片(3-1)和设置于其侧面的电极片(3-2)，所述支撑连接组件包括定位膜片(5)，所述定位膜片(5)将所述力敏感单元(3)在所述壳体组件内位置固定，支撑连接组件还包括连接于所述力敏感单元(3)端头用于传递受力的支撑块(4)，所述力敏感单元(3)相互平齐成行设置，排布方向平行于受力方向或垂直于受力方向。
2.根据权利要求1所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述定位膜片(5)的外缘形状与所述壳体组件内腔对应位置形状配合，所述定位膜片(5)中心位置设置有与所述支撑块(4)形状配合的定位孔，用于插装固定所述支撑块(4)、并通过所述支撑块(4)固定所述力敏感单元(3)。
3.根据权利要求2所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述支撑块(4)端面设置有凹槽结构(4-1)，所述凹槽结构(4-1)形状与所述压电芯片(3-1)的端头凹凸配合，用于插装固定所述压电芯片(3-1)。
4.根据权利要求3所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述外壳组件包括中空的筒体(1)以及位于所述筒体(1)两端的盖板(2)，所述筒体(1)内缘设置有垂直于其轴向的台阶面结构(1-1)，通过所述台阶面结构(1-1)与所述定位膜片(5)外缘构成支撑。
5.根据权利要求4所述的基于压电振动力频效应的力传感器，其特征在于，所述筒体(1)的上下两端端面以及...
【专利技术属性】
技术研发人员：易利军，马黎霞，周强，巫晟逸，赵岷江，王骥，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。