一种基于压电振动力频效应的力传感器

技术领域

本发明涉及压电传感技术领域，具体而言，涉及一种基于压电振动力频效应的力传感器。

背景技术

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。

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

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。

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。

在研究传感器特性时，力频特性可以用力频系数S

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为解决上述问题，本发明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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于压电振动力频效应的力传感器的正剖面结构示意图；

图2为图1中基于压电振动力频效应的力传感器的侧剖面结构示意图；

图3为本发明提供的另一种基于压电振动力频效应的力传感器的正剖面结构示意图；

图4为图3中基于压电振动力频效应的力传感器的侧剖面结构示意图；

图5为本发明提供的第三种基于压电振动力频效应的力传感器的正剖面结构示意图。

其中，图1-图5中：

1、筒体；1-1、台阶面结构；2、盖板；3、力敏感单元；3-1、压电芯片；3-2、电极片；4、支撑块；4-1、凹槽结构；5、定位膜片；6、压块结构。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1-图4说明如下实施例，图1为本发明提供的一种基于压电振动力频效应的力传感器的正剖面结构示意图；图2为图1中基于压电振动力频效应的力传感器的侧剖面结构示意图；图3为本发明提供的另一种基于压电振动力频效应的力传感器的正剖面结构示意图；图4为图3中基于压电振动力频效应的力传感器的侧剖面结构示意图。

本实施例中所提供的本发明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3、支撑连接组件以及位于力敏感单元3和支撑连接组件外的壳体组件，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，支撑连接组件包括定位膜片5，定位膜片5将力敏感单元3在壳体组件内位置固定，支撑连接组件还包括连接于力敏感单元3端头用于传递受力的支撑块4，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。

本实施例对每个力敏感单元设置独立的振荡电路，以两个力敏感单元构成的传感器为例，由激励电路作用使两对电极对应的谐振器能独立谐振。在测量时晶片受径向作用力F时谐振器输出频率变化量为Δf

压电芯片材料可为石英晶体、压电陶瓷和压电聚合物等压电材料，优选的材质为石英晶体，实施例中的试验数据基于石英晶体的压电芯片得出，压电芯片的厚度范围优选为10到100um。

该设计中这种力传感器设计包括多个由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外力，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。

本实施例的技术方案中，定位膜片5的外缘形状与壳体组件内腔对应位置形状配合，定位膜片5中心位置设置有与支撑块4形状配合的定位孔，用于插装固定支撑块4、并通过支撑块4固定力敏感单元3。该设计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，定位膜片中部设置通孔型的定位孔，孔的大小及形状均和支撑块的外缘形状一致，二者之间构成紧密的插装固定，再将定位膜片的外缘与壳体内腔固定，定位膜片的外缘形状与壳体组件的横截面形状一致，通过定位膜片和支撑块构成一个连接的整体将力敏感单元与壳体组件构成受力的整体。

本实施例的技术方案中，支撑块4端面设置有凹槽结构4-1，凹槽结构4-1形状与压电芯片3-1的端头凹凸配合，用于插装固定压电芯片3-1。该设计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，视具体结构而决定在支撑块一侧或两侧端面设置凹槽结构，支撑块与压电芯片之间相互插装固定，不仅通过支撑块将压电芯片与外壳连接成整体，更将各个压电芯片之间相互构连构成受力整体，各晶体之间的受力平均下来。

本实施例的技术方案中，外壳组件包括中空的筒体1以及位于筒体1两端的盖板2，筒体1内缘设置有垂直于其轴向的台阶面结构1-1，通过台阶面结构1-1与定位膜片5外缘构成支撑。该设计优化了外壳组件结构及其与定位膜片之间的结合方式，台阶面结构位于筒体内壁，通过该结构与定位膜片构成支撑，朝受力方向将定位膜片固定，进一步的可通过焊接或铆接粘接等方式加固定位膜片与外壳组件之间的固定。

本实施例的技术方案中，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，盖板2与筒体1相互嵌合固定，其中一个盖板2的外侧面中心区域设置有压块结构6，用于传导受力。该设计优化了外壳组件中筒体和盖板的配合方式，筒体上下两端分别设置盖板的结构，通过凹凸配合的嵌合面结构将盖板与筒体之间嵌合，进一步配合粘接或焊接的方式加强固定

本实施例的技术方案中，力敏感单元3的压电芯片3-1的板面方向平行于压力方向，力敏感单元3位于筒体1的中心区域，其排列方向沿受力的方向。该设计优化了传感器内力敏感单元的分布方式，力敏感单元沿外力方向呈一行排布，或者说力敏感单元呈一行沿筒体的轴向排布，在此成为力敏感单元的串联，串联压电芯片可以减小单个压电芯片受力方向的长度，通过实际模拟研究发现这种力传感器内力敏感单元的串联设计有更高的力频系数，即灵敏度更高；

同时由于串联结构力传感器使用了两片或以上相同的矩形压电芯片串联，相比于使用一片相同尺寸矩形压电芯片的情况，当在传感器上施加外力相同时，由于单个压电分担受力更小，因此芯片在受力方向的长度更短，不易产生屈曲，因此传感器本身的受力耐受范围更大，因此提升了传感器的量程范围。

参考如下表1，为模拟两个力敏感单元串联的传感器相对单一力敏感单元传感器的力频系数Δf/ΔF对比。此处模拟结果基于压电芯片是石英晶体压电芯片给出，其中w为垂直于加力方向矩形石英的长度，L为平行于加力方向矩形石英的长度，石英芯片厚度范围优选为10到100um。由模拟结果，相对单一力敏感单元传感器，可明显得到两个力敏感单元串联的传感器的力频系数更高，即有着更高的灵敏度。

表1：

本实施例的技术方案中，支撑块4分别设置于力敏感单元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通过定位膜片5与筒体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。

该设计中主要是针对上述实施中力敏感单元串联的设计对支撑连接组件的设计进行对应性的优化，支撑块间隔设置于相邻的力敏感单元的压电芯片之间以及位于行列首尾两端的压电芯片的端部，位于端部位置的支撑块与盖板内侧端面相抵，通过该结构有效实现了在力敏感单元串联情况下的力的传递与分担。

本实施例的技术方案中，力敏感单元3均匀布设于筒体1内，其排列方向垂直于受力的方向。该设计可视为力敏感单元的并联，两个或两个以上的力敏感单元并排的行列排布方向垂直于受力方向或者说垂直于筒体的轴向，与单一力敏感单元的设计相比，在传感器上施加外力相同时，在并联结构的传感器压电芯片内部产生的应力为单一晶片情况下的一半或者更少，因此有更高的强度和稳定性，提升了传感器的量程范围。

参考如下表2，为模拟两个力敏感单元并联的传感器相对单一力敏感单元传感器的力频系数Δf/ΔF对比。此处模拟结果基于压电芯片是石英晶体给出，其中w为垂直于加力方向矩形石英的长度，L为平行于加力方向矩形石英的长度，石英芯片厚度范围优选为10到100um。由模拟结果，相对单一力敏感单元传感器，可明显得到两个力敏感单元并联的传感器的力频系数更小，即有着更低的灵敏度，即传感器具有更好的强度及稳定性。

表2：

本实施例的技术方案中，同一支撑块4的端面设置有与力敏感单元3数量一致的凹槽结构4-1，位于力敏感单元3两端的支撑块4分别与盖板2支撑相抵。该设计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，专门针对力敏感单元并联的设计，区别于串联结构，并联结构在平行于受力的方向在支撑块上设置与所设置力敏感单元数量相等的凹槽结构，用于通过一组支撑块同时安置多个力敏感单元。

参考图5说明下面实施例，图5为本发明提供的第三种基于压电振动力频效应的力传感器的正剖面结构示意图。

在以上实施例串联及并列设置力敏感单元的基础上，进一步的本实施例提供了一种同时兼具串并联结构优点的设计，力敏感单元呈矩形阵列装均匀布设于筒体内，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。

图5中传感器呈矩形阵列分布的力敏感单元为基础的2×2呈正方形阵列分布的设计，包括两组串联及两组并联的力敏感单元，矩形阵列分布的力敏感单元由于同时包括了串联及并联两种结构，因此从实用效果上同时具备了串联结构的力频系数更高，即有着更高的灵敏度的优点，以及并联结构的同一高度范围内多个力敏感单元并列多重支撑，具有更好的强度及稳定性的优点。图5中力敏感单元分布设计仅仅是为了方便说明，实际呈矩形阵列分布的力敏感单元可以包括更多的力敏感单元数量，也不仅仅限于行数和列数相等的正方形阵列，可根据传感器的具体使用环境要求而决定所采用的力敏感单元分布的方式。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。