一種壓電應變組合式微振動測量裝置的制造方法
【專利摘要】一種壓電應變組合式微振動測量裝置，涉及用于寬頻測量的力傳感器領域；由底盤、四個壓電應變組合式力傳感器、臺面；底盤與臺面通過壓電應變組合式力傳感器連接；壓電應變組合式力傳感器由基座、壓緊螺釘、殼體、壓電片保護片、壓電片組、立柱、應力集中孔以及壓電片。殼體固定在基座上，橫截面為中空四邊形，每邊內壁上放置一片壓電片保護片，壓電片保護片內側放置壓電片組。每個壓電片組均包含若干拉壓式壓電片和若干剪切式壓電片；立柱圓截面部分貼有應變片，應變片關于立柱軸線軸對稱；通過應變片和壓電片，可感應臺面受到的六維力；本發明能精確測量微小擾動源的振動力和振動力矩，測量的頻率范圍寬，測量可靠性高。
【專利說明】
一種壓電應變組合式微振動測量裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于寬頻測量的力傳感器領域，特別是一種壓電應變組合式微振動測量裝置。【背景技術】
[0002]六維力傳感器是一類常用的力學測量設備，用于測量連接界面或活動部件對支撐結構的反作用力和力矩。航天器上活動部件運動引起的擾動力通常也采用六維力傳感器進行測量。
[0003]航天器上所采用的活動部件種類繁多，擾動特性各異，對測量設備也提出了不同的需求。對于太陽翼驅動機構、天線驅動機構等柔性附件驅動機構，其擾動力中，不僅包含驅動電機自身產生的寬頻擾動，還包含柔性附件振動引起的低頻擾動。此類活動部件擾動特性的測量對傳感器提出了較高的要求，不僅需覆蓋5?1000Hz的頻帶，還要求在0?5Hz內也具有較高的測量精度。傳統的六維力傳感器一般采用壓電式原理或應變式原理。壓電式傳感器測量頻帶寬，剛度高，但其低頻特性欠佳，一般在5Hz以下，其測量精度顯著降低。應變式傳感器均由良好的低頻特性，但其高頻響應受到應變片粘貼工藝及傳感器局部特性的影響，信號質量不高。
[0004]目前的航天器大多都屬于大型柔性展開式機構，且帶有大量的光學元件，它們對指向精度和穩定度均提出了很高的要求。另外，在現代航天器姿態控制系統中，反作用輪、 單框架力矩陀螺和太陽翼驅動機構等是其控制系統中的重要元件，它們在提供必要的控制動力的同時，也會引起一些有害振動(為簡單起見，下面將上述三種系統統稱為擾動源)。這些擾動主要由飛輪不平衡、軸承擾動、電機擾動、電機驅動誤差等引起的，其中飛輪不平衡是導致單框架力矩陀螺振動的最主要原因，這些擾動力和擾動力矩會降低太空中精密性儀器的性能指標，因此測量和分析航天器有效載荷擾動的動態特性，對于分析并消除擾動從而提高航天器的姿態控制精度和加強航天器的安全設計有著非常重要的工程意義。
[0005]由于航天器擾動源的擾動很小，個別有效載荷如動量輪在空間三個方向只能產生幾十毫牛頓甚至幾毫牛頓的微弱擾動，要想在具有相對強烈干擾背景噪音的地面實驗室中測量此類擾動十分困難，而其對應傳感器的精度要求非常高。本發明能精確測量微小擾動源的振動力和振動力矩，測量的頻率范圍精確，測量可靠性高。
[0006]目前，國內外尚未見有關此類超低頻微小振動測量系統的文獻報導。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種壓電應變組合式微振動測量裝置，在低頻段和高頻段均可獲得較高的測量精度。可測量航天器運行過程中，擾動源在空間六個自由度產生的擾動力，克服了壓電式力傳感器在低頻區域精確度較低的不足，為提高航天器的姿態控制精度和加強航天器的安全設計提供可靠的測試數據。
[0008]本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的:
[0009]—種壓電應變組合式微振動測量裝置，包括底盤、壓電應變組合式力傳感器和臺面;其中底盤位于底部;壓電應變組合式力傳感器固定安裝在底盤的上表面;臺面固定安裝在壓電應變組合式力傳感器的上表面;所述臺面上部分為板狀形狀，板狀形狀的下部為十字方柱，所述十字方柱對稱的將臺面的下部空間分成四個相等區域;在臺面與底盤之間固定安裝4個壓電應變組合式力傳感器;4個壓電應變組合式力傳感器對稱分布在所述的四個相等區域中。
[0010]在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:所述壓電應變組合式力傳感器包括基座、殼體、壓電片保護片、壓電片組和立柱;其中，基座位于底部;殼體固定安裝在基座的上表面，殼體為中空長方體，四個邊每邊內壁的側面豎直固定安裝有壓電片保護片;每個壓電片保護片的內側表面豎直固定安裝壓電片組;立柱豎直固定安裝在基座的上表面，且位于殼體的中心位置;所述基座固定安裝在底盤的上表面;所述立柱上表面與臺面的下表面接觸。
[0011]在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，壓電片組均包含n個拉壓式壓電片和m 個剪切式壓電片;其中n為正整數;m為正整數;且殼體每邊內壁的側面安裝的壓電片組中， 拉壓式壓電片個數相同，剪切式壓電片個數相同。
[0012]在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，所述立柱分為上下兩部分，其中上部分為圓柱體結構，下部分為正方體結構。[〇〇13] 在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，4個壓電片組包圍在立柱下部分正方體結構的周圍，且緊貼接觸立柱下部分正方體結構的四個外壁。
[0014]在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，所述立柱上部分的圓柱體結構上設置有應力集中孔和應變片;立柱沿軸向方向分上、中、下三層布置，每層均在圓柱體結構周向外壁粘貼4片應變片，每層應變片位于立柱同一平面內，共粘貼12片應變片;每個應變片旁均開有一個應力集中孔。
[0015]在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，所述應力集中孔為長方形孔，且靠近應變片的部位設置有尖角。
[0016]在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，所述每層的應變片分布位置相同，且均勻分布在圓柱體結構周向外壁的同一平面內；上層和下層的應變片組成兩個全橋電路； 中層的應變片中，每相對的兩個應變片組成一個半橋電路，共兩個半橋電路。
[0017]在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，所述的全橋電路包括4片應變片，分別為應變片R1、應變片R2、應變片R3、應變片R4;其中應變片R1與應變片R2相鄰布置，應變片R2 與應變片R3相鄰布置，應變片R3與應變片R4相鄰布置，應變片R4與應變片R1相鄰布置;應變片R1末端與應變片R2首端連接，應變片R2末端與應變片R4首端連接，應變片R4末端與應變片R3首端連接，應變片R3末端與應變片R1首端連接;在R1的首端和R4的首端分別連接電源的正極和負極，在R2的首端和R3的首端連接輸出信號的正極和負極。
[0018]在上述的壓電應變組合式微振動測量裝置，所述的半橋電路包括2片應變片和2片外接電阻;兩片應變片分別為應變片R1、應變片R2;兩片外接電阻記為電阻R3、電阻R4;其中應變片R1末端與應變片R2首端連接，應變片R2末端與電阻R4首端連接，電阻R4末端與電阻 R3首端連接，電阻R3末端與應變片R1首端連接;應變片R1的首端和電阻R4的首端分別連接電源的正極和負極，應變片R2的首端和R3的首端連接輸出信號的正極和負極。
[0019]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0020] (1)本發明同時采用應變敏感元件和壓電敏感元件測量，在全頻段均具有較高的靈敏度，解決了單一類型敏感器測量頻段覆蓋不全面的問題。在中高頻段，兩種測量元件的數據互為補充、互相校驗，提高測量結果的可靠度；
[0021] (2)本發明中的測量裝置和被測量試件分離，不需要在被測量試件上安裝附加設備和傳感器，不影響被測試件的動態特性，不損傷被測試件結構，試驗完畢后試件還可以正常使用；[〇〇22] (3)本發明結構尺寸可以在允許的范圍內變化，不需要針對每種被測件單獨設計壓電應變組合式微振動測量系統，只需要設計安裝夾具即可；[〇〇23] (4)本發明中應力集中孔為長方形孔，且靠近應變片的部位設置有尖角，實現了在保證測量裝置整體剛度的前提下，提高應變片的靈敏度，可實現對微小擾動力的測量；
[0024] (5)本發明在立柱上部分的圓柱體結構沿軸向方向分上、中、下三層布置，每層均在圓柱周向粘貼4片應變片，上層和下層的應變片組成兩個全橋電路；中層的應變片中，每相對的兩個應變片組成一個半橋電路，共兩個半橋電路;實現了在緊湊的結構內實現對空間6自由度的擾動力和力矩同時測量，集成度高、測量信息豐富。【附圖說明】
[0025]圖1為本發明壓電應變組合式微振動測量裝置結構示意圖；
[0026]圖2為本發明壓電應變組合式微振動測量裝置組成示意圖；[〇〇27]圖3為本發明壓電應變組合式力傳感器組成示意圖；
[0028]圖4為本發明壓電應變組合式力傳感器壓電片布置示意圖；[〇〇29]圖5a為本發明實施例全橋電路接線方式示意圖；[〇〇3〇]圖5b為本發明實施例半橋電路接線方式示意圖。【具體實施方式】[〇〇31]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述:
[0032]本發明要解決其技術問題所采用的技術方案是:一種壓電應變組合式微振動測量裝置，其測量頻率可覆蓋〇?1000Hz。
[0033]如圖1所示為壓電應變組合式微振動測量裝置結構示意圖，由圖可知，一種壓電應變組合式微振動測量裝置，包括底盤1、壓電應變組合式力傳感器2和臺面3;其中底盤1位于底部;壓電應變組合式力傳感器2固定安裝在底盤1的上表面；臺面3固定安裝在壓電應變組合式力傳感器2的上表面；
[0034]如圖2所示為壓電應變組合式微振動測量裝置組成示意圖，由圖可知，所述臺面3 上部分為板狀形狀，可以為長方體或其它板狀形狀，板狀形狀的下部為十字方柱，所述十字方柱對稱的將臺面3的下部空間分成四個相等區域;在臺面3與底盤1之間固定安裝4個壓電應變組合式力傳感器2;4個壓電應變組合式力傳感器對稱分布在所述的四個相等區域中。 [〇〇35] 如圖3所示為壓電應變組合式力傳感器組成示意圖，由圖可知，壓電應變組合式力傳感器2包括基座2-1、壓緊螺釘2-2、殼體2-3、壓電片保護片2-4、壓電片組2-5和立柱2-6; 其中，基座2-1位于底部;殼體2-3固定安裝在基座2-1的上表面，殼體2-3為中空長方體，四個邊每邊內壁的側面豎直固定安裝有壓電片保護片2-4;壓緊螺釘2-2通過螺紋孔從殼體2-3外旋入，與壓電片保護片2-4接觸，通過擰緊壓緊螺釘2-2,將壓電片保護片2-4和壓電片組 2-5壓緊在立柱2-6上;所述立柱2-6上部分的圓柱體結構上設置有應力集中孔2-7和應變片 2-8;立柱2-6沿軸向方向分上、中、下三層布置，每層均在圓柱體結構周向外壁粘貼4片應變片2-8，每層應變片2-8位于立柱2-6同一平面內，共粘貼12片應變片2-8;每個應變片2-8旁均開有一個應力集中孔2-7;所述應力集中孔2-7為長方形孔，且靠近應變片2-8的部位設置有尖角。
[0036]如圖4所示為壓電應變組合式力傳感器壓電片布置示意圖，由圖可知，每個壓電片保護片2-4的內側表面豎直固定安裝壓電片組2-5;立柱2-6豎直固定安裝在基座2-1的上表面，且位于殼體2-3的中心位置;所述基座2-1固定安裝在底盤1的上表面;所述立柱2-6上表面與臺面3的下表面接觸；[〇〇37]其中，壓電片組2-5均包含n個拉壓式壓電片和m個剪切式壓電片;其中n為正整數； m為正整數;且殼體2-3每邊內壁的側面安裝的壓電片組2-5中，拉壓式壓電片個數相同，剪切式壓電片個數相同。
[0038]立柱2-6分為上下兩部分，其中上部分為圓柱體結構，下部分為正方體結構;4個壓電片組2-5包圍在立柱2-6下部分正方體結構的周圍，且緊貼接觸立柱2-6下部分正方體結構的四個外壁。
[0039]每層的應變片(2-8)分布位置相同，且均勾分布在圓柱體結構周向外壁的同一平面內；上層和下層的應變片組成兩個全橋電路；中層的應變片中，每相對的兩個應變片組成一個半橋電路，共兩個半橋電路。
[0040]如圖5a所示為實施例全橋電路接線方式示意圖，有圖可知，所述的全橋電路包括4 片應變片，分別為應變片R1、應變片R2、應變片R3、應變片R4;其中應變片R1與應變片R2相鄰布置，應變片R2與應變片R3相鄰布置，應變片R3與應變片R4相鄰布置，應變片R4與應變片R1 相鄰布置;應變片R1末端與應變片R2首端連接，應變片R2末端與應變片R4首端連接，應變片 R4末端與應變片R3首端連接，應變片R3末端與應變片R1首端連接;在R1的首端和R4的首端分別連接電源的正極和負極，在R2的首端和R3的首端連接輸出信號的正極和負極。[0041 ]接入全橋電路的四個應變片的電阻均為R，接入全橋電路的輸入電壓為U，全橋電路的輸出電壓為A U;其中U由動態應變儀提供，A U是由于應變片變形產生，并接入動態應變儀;本發明中的上層和下層的8應變片，可以組成2個全橋電路；當擾動源產生振動時，由于應變式力傳感器發生變形而導致粘貼在其上的應變片發生變形，從而2個全橋電路均產生輸出電壓A U;動態應變儀采集到2個A U并通過信號線傳輸到數據采集和處理系統。 [〇〇42]如圖5b所示為實施例半橋電路接線方式示意圖，由圖可知，所述的半橋電路包括2 片應變片和2片外接電阻;兩片應變片分別為應變片R1、應變片R2;兩片外接電阻記為電阻 R3、電阻R4;其中應變片R1末端與應變片R2首端連接，應變片R2末端與電阻R4首端連接，電阻R4末端與電阻R3首端連接，電阻R3末端與應變片R1首端連接;應變片R1的首端和電阻R4 的首端分別連接電源的正極和負極，應變片R2的首端和R3的首端連接輸出信號的正極和負極。
[0043]接入半橋電路的兩個應變片的電阻和兩個固定電阻均為R，接入半橋電路的輸入電壓為U，半橋電路的輸出電壓為AU;其中U由動態應變儀提供，A U是由于應變片變形產生，并接入動態應變儀;本發明中的中層的4片應變片和4個固定電阻可以組成2個半橋電路；當擾動源產生振動時，由于應變式力傳感器發生變形而導致粘貼在其上的應變片發生變形，從而2個半橋電路均產生輸出電壓A U;動態應變儀采集到2個A U并通過信號線傳輸到數據采集和處理系統。[〇〇44]當立柱2-6與基座2-1之間存在作用力時，若作用力為X向或Y向，4組壓電片組中， 有兩組拉壓壓電片表面產生感應電壓，另外兩組剪切壓電片表面產生感應電壓，若作用力為Z向，4組壓電片組中的剪切壓電片表面產生感應電壓。通過分別測量4組壓電片內剪切壓電片的感應電壓和拉壓壓電片的感應電壓，可獲取立柱2-6與基座2-1之間X、Y、Z三個方向的作用力。[〇〇45]對于應變測量部分，當立柱2-6與基座2-1之間存在作用力時，不同方向的作用力引起各應變片的電阻變化均不相同，通過在立柱上施加X向、Y向、Z向的標準作用力，可獲取 12片應變片阻值變化量與個方向作用力大小的對應關系，進而獲取傳感器的標定矩陣，實現立柱2-6與基座2-1之間X、Y、Z三個方向的作用力的測量。[〇〇46]把底盤1固定，當有力或力矩作用在臺面3上時，4個壓電應變組合式力傳感器2產生測量信號，通過測量4個支撐點X、Y、Z三個方向的作用力，可以解算得到臺面3所受到的六維力分量。
[0047]將壓電應變組合式微振動測量系統安裝在地基上，將微小擾動源試件安裝在臺面 1上，檢查應變片和壓電片的信號是否正常，之后運行微小擾動源，使其產生振動，從而使壓電應變組合式力傳感器2上粘貼的應變片組成的全、半橋電路和壓電片產生電壓信號，該電壓信號通過數據采集和處理系統轉化為三個微小振動力信號和三個微小振動力矩信號，以此為基礎可以準確分析出微小擾動源的振動特性。
[0048]總之，本發明測量系統可以精確測量微小擾動源的振動力，測量的頻率范圍可以精確到〇Hz，并且測量的可靠性高。
[0049]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1.一種壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:包括底盤(1)、壓電應變組合式 力傳感器(2)和臺面(3);其中底盤(1)位于底部;壓電應變組合式力傳感器(2)固定安裝在 底盤(1)的上表面；臺面(3)固定安裝在壓電應變組合式力傳感器(2)的上表面;所述臺面 (3)上部分為板狀形狀，板狀形狀的下部為十字方柱，所述十字方柱對稱的將臺面(3)的下 部空間分成四個相等區域;在臺面(3)與底盤(1)之間固定安裝4個壓電應變組合式力傳感 器(2) ;4個壓電應變組合式力傳感器對稱分布在所述的四個相等區域中。2.根據權利要求1所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:所述壓電應變 組合式力傳感器(2)包括基座(2-1)、殼體(2-3)、壓電片保護片(2-4)、壓電片組(2-5)和立 柱(2-6);其中，基座(2-1)位于底部;殼體(2-3)固定安裝在基座(2-1)的上表面，殼體(2-3) 為中空長方體，四個邊每邊內壁的側面豎直固定安裝有壓電片保護片(2-4);每個壓電片保 護片(2-4)的內側表面豎直固定安裝壓電片組(2-5);立柱(2-6)豎直固定安裝在基座(2-1) 的上表面，且位于殼體(2-3)的中心位置;所述基座(2-1)固定安裝在底盤(1)的上表面;所 述立柱(2-6)上表面與臺面(3)的下表面接觸。3.根據權利要求2所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:壓電片組(2-5)均包含n個拉壓式壓電片和m個剪切式壓電片;其中n為正整數;m為正整數;且殼體(2-3) 每邊內壁的側面安裝的壓電片組(2-5)中，拉壓式壓電片個數相同，剪切式壓電片個數相 同。4.根據權利要求2所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:所述立柱(2-6)分為上下兩部分，其中上部分為圓柱體結構，下部分為正方體結構。5.根據權利要求4所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:4個壓電片組 (2-5)包圍在立柱(2-6)下部分正方體結構的周圍，且緊貼接觸立柱(2-6)下部分正方體結 構的四個外壁。6.根據權利要求4所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:所述立柱(2-6)上部分的圓柱體結構上設置有應力集中孔(2-7)和應變片(2-8);立柱(2-6)沿軸向方向 分上、中、下三層布置，每層均在圓柱體結構周向外壁粘貼4片應變片(2-8 )，每層應變片(2-8)位于立柱(2-6)同一平面內，共粘貼12片應變片(2-8);每個應變片(2-8)旁均開有一個應 力集中孔(2-7)。7.根據權利要求6所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:所述應力集中 孔(2-7)為長方形孔，且靠近應變片(2-8)的部位設置有尖角。8.根據權利要求6所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:所述每層的應 變片(2-8)分布位置相同，且均勻分布在圓柱體結構周向外壁的同一平面內；上層和下層的 應變片組成兩個全橋電路；中層的應變片中，每相對的兩個應變片組成一個半橋電路，共兩 個半橋電路。9.根據權利要求8所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:所述的全橋電 路包括4片應變片，分別為應變片R1、應變片R2、應變片R3、應變片R4;其中應變片R1與應變 片R2相鄰布置，應變片R2與應變片R3相鄰布置，應變片R3與應變片R4相鄰布置，應變片R4與 應變片R1相鄰布置;應變片R1末端與應變片R2首端連接，應變片R2末端與應變片R4首端連 接，應變片R4末端與應變片R3首端連接，應變片R3末端與應變片R1首端連接;在R1的首端和 R4的首端分別連接電源的正極和負極，在R2的首端和R3的首端連接輸出信號的正極和負極。10.根據權利要求8所述的壓電應變組合式微振動測量裝置，其特征在于:所述的半橋 電路包括2片應變片和2片外接電阻;兩片應變片分別為應變片R1、應變片R2;兩片外接電阻 記為電阻R3、電阻R4;其中應變片R1末端與應變片R2首端連接，應變片R2末端與電阻R4首端 連接，電阻R4末端與電阻R3首端連接，電阻R3末端與應變片R1首端連接;應變片R1的首端和 電阻R4的首端分別連接電源的正極和負極，應變片R2的首端和R3的首端連接輸出信號的正 極和負極。
【文檔編號】G01H11/08GK105973455SQ201610479578
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】王光遠, 郝剛剛, 吳蓓蓓, 管帥, 趙煜, 金濤
【申請人】北京空間飛行器總體設計部