專利名稱：一種壓電石英片式扭矩傳感器與制作工藝方法
技術領域：
本發明屬于傳感與測量控制領域，適用于小扭矩測量。
背景技術：
工程上傳統利用石英晶片的剪切效應來進行扭矩測量。它的方法是將許多對(一對為兩片，一般晶片對數為6～12)能實現剪切效應的YO0切型的石英晶片均勻分布在以R為半徑的分布圓上，要求每對YO0晶片的最大靈敏度方向嚴格與分布圓相切，電極從晶片之間引出，以實現“力×力臂”的扭矩測量方法。該種扭矩測量方法主要適用于大扭矩測量。為了保證各晶片均勻受力，要求晶片組之間有嚴格的等高性，晶片與殼體接觸表面要有較高等級的平面度和粗糙度，使得傳感器結構復雜，工藝要求高，成本高。
公開號為CN1401978A的專利提出了柱式扭矩傳感器，以長石英方柱作為扭矩測量元件，采用在柱體測表面貼上檢測電極來測量扭矩，見附圖1。但由于石英剪切強度小，硬而脆的特點，將方柱狀石英固定在晶體盒中，定位與安裝都存在一定的技術困難，限制了該傳感器實際應用。
發明內容
本發明的目的是發明一種壓電石英片式扭矩傳感器與制作工藝方法，來克服傳統扭矩傳感器和長方柱式扭矩傳感器上述缺點及解決小扭矩測量問題，該傳感器結構簡單，工藝簡化，成本低，操作簡便，測量精度高。
本發明一種壓電石英片式扭矩傳感器與制作工藝方法采用技術方案一種壓電石英片式扭矩傳感器與制作工藝方法，其壓電石英片式扭矩傳感器由下殼體1、絕緣定位環2、扭矩測量晶組、上蓋4、引線6和接線柱7組成。其特征是將扭矩測量晶組粘接在上蓋4和下殼體1的內腔凸臺中心上，將電極B、D直接接地，而把電極A與電極C并聯后，經過導線6由接線柱7引出體外。絕緣定位環2緊帖在下殼體1的內腔表面，上蓋4通過螺釘3與下殼體1固定在一起。
其制作工藝方法的特征是采用分割電極法布置電極，將一塊電極分割成兩個半圓形狀，用兩塊電極和三片具有“扭轉效應”的圓形YO0切型壓電石英晶片5組成扭矩測量晶組，當扭矩作用時，由于在每個石英晶片表面上產生非線形極化電荷，產生的極化電荷以石英的電軸為分界線，在兩個半圓平面所產生的感應電量大小相等，符號相反，所以每個晶片需要兩片電極來測量所產生的不同符號電荷，該扭矩測量晶組采用四片半圓電極A、B、C、D；將電極B和D連接后接地，電極A和C并聯后直接作為傳感器的輸出線；制作工藝順序是最上層晶片下表面與電極A、B上表面牢固地膠合在一起；中間晶片的上表面與電極A、B下表面粘合在一起，下表面與電極B、D的上表面膠合在一起；下層晶片上表面與電極B、D的下表面膠合在一起，從而構成扭矩測量晶組；并將預緊力施加到扭矩傳感器上，就可以測量了。
本發明的效果是由于采用三片具有“扭轉效應”的YO0切型壓電石英晶片作為扭矩測量晶組，該扭矩測量晶組只對扭矩敏感，而與任意方向的徑向力和軸向力無關。所以，該傳感器具有結構簡單，晶片數量少，工藝要求低，測量容易、方便，測量精度高等優點，而且能夠消除向間干擾，適合于小扭矩測量。
附圖1是方柱式傳感器的晶柱結構與電極布置圖，其中
I、II、III、IV-電極片，V-石英晶柱，X、Y、Z-坐標軸系。
附圖2是傳感器結構主剖視圖，其中1-下殼體，2-絕緣定位環導線，3-預緊螺釘，4-上蓋，5-壓電石英晶片，6-導線，7-接線柱。A、B、C、D-電極片附圖3是壓電石英晶片扭矩測量晶組電極與晶片布置圖，其中5-壓電石英晶片，6-導線，A、B、C、D-電極片。
附圖4是扭矩測量晶組中電極形狀圖，其中A、B-電極片具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明的實施，首先組裝扭矩測量晶組。具體方法是采用三片具有“扭轉效應”的圓形YO0切型壓電石英晶片作為扭矩測量晶組，最上層晶片下表面與電極A、B上表面牢固地膠合在一起；中間晶片的上表面與電極A、B下表面粘合在一起，下表面與電極C、D的上表面膠合在一起；下層晶片上表面與電極C、D的下表面膠合在一起，使整個晶組構成一體。然后將扭矩測量晶組帖接在上蓋4和下殼體1的內腔凸臺中心上，通過螺釘3固定上蓋4與下殼體1并將將預緊力施加到扭矩晶組上，組建成扭矩傳感器。該扭矩測量晶組只對扭矩敏感，這是因為當有徑向力作用時，在電極A和C上所產生的電荷大小相等符號相反，并聯后傳感器的輸出為零。軸向力消除是靠YO0切型本身保證的，因為根據壓電理論，YO0晶片在受到軸向力時在晶片表面不產生極化電荷。
在扭矩測量時，首先將傳感器通過下殼體1上的螺紋孔固定于工作臺上，將工件通過上蓋4上的螺紋孔與傳感器連為一體。當有扭矩作用在工件上時，扭矩由傳感器的上蓋4通過摩擦力傳遞到扭矩晶組。在晶片表面上產生束縛電荷，產生電荷表面與扭矩作用表面共面。束縛電荷由電極A、B、C、D引出，假定在電極A、C產生負電荷，則在B、D產生正電荷，見附圖2。將電極B、D直接接地，而把電極A與電極C并聯后，經過導線6由接線柱7引出，再經電荷放大器將電荷量轉換為電壓量，由數字電壓表直接讀出，根據扭矩與電壓成線形關系，就可算出扭矩大小。
權利要求
1.一種壓電石英片式扭矩傳感器與制作工藝方法，其壓電石英片式扭矩傳感器由下殼體[1]、絕緣定位環[2]、扭矩測量晶組、上蓋[4]、引線[6]和接線柱[7]組成。其特征是將扭矩測量晶組粘接在上蓋[4]和下殼體[1]的內腔凸臺中心上，將電極B、D直接接地，而把電極A與電極C并聯后，經過導線[6]由接線柱[7]引出體外。絕緣定位環[2]緊帖在下殼體[1]的內腔表面，上蓋[4]通過螺釘[3]與下殼體[1]固定在一起。
2.如權利要求1所述的一種壓電石英片式扭矩傳感器與制作工藝方法，其制作工藝方法的特征是采用分割電極法布置電極，將一塊電極分割成兩個半圓形狀，用兩塊電極和三片具有“扭轉效應”的圓形YO0切型壓電石英晶片[5]組成扭矩測量晶組，當扭矩作用時，由于在每個石英晶片表面上產生非線形極化電荷，產生的極化電荷以石英的電軸為分界線，在兩個半圓平面所產生的感應電量大小相等，符號相反，所以每個晶片需要兩片電極來測量所產生的不同符號電荷，該扭矩測量晶組采用四片半圓電極A、B、C、D；將電極B和D連接后接地，電極A和C并聯后直接作為傳感器的輸出線；制作工藝順序是最上層晶片下表面與電極A、B上表面牢固地膠合在一起；中間晶片的上表面與電極A、B下表面粘合在一起，下表面與電極B、D的上表面膠合在一起；下層晶片上表面與電極B、D的下表面膠合在一起，從而構成扭矩測量晶組；將預緊力施加到扭矩傳感器上，就可以測量了。
全文摘要
一種壓電石英片式扭矩傳感器與制作工藝方法，屬于傳感與測量控制領域，該壓電石英片式扭矩傳感器由上蓋、下殼體、扭矩測量晶組、絕緣定位環、接線柱、電極和引線組成，將扭矩測量晶組粘接在上蓋和下殼體的內腔凸臺中心上；其制作工藝是采用分割電極法布置電極，將一塊電極分割成兩個半圓形狀，用兩塊電極和三片具有“扭轉效應”的圓形YO°切型壓電石英晶片組成扭矩測量晶組。該扭矩測量晶組只對扭矩敏感，而與任意方向的徑向力和軸向力無關。結構簡單，晶片數量少，工藝要求低，操作方便，測量精度高，適合于小扭矩測量。
文檔編號G01L3/00GK1553160SQ0313352
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月28日 優先權日2003年5月28日
發明者孫寶元, 高長銀, 錢敏 申請人:大連理工大學