一种横向加速度与力复合传感器及其组装方法与流程

本发明涉及传感器，特别是涉及一种横向加速度与力复合传感器及其组装方法。

背景技术：

1、随着智能汽车、工业机器人、航空航天及精密测控等领域的发展，设备运动状态精准监测与受力实时感知的一体化检测需求持续攀升，横向加速度与接触作用力作为核心运动与力学参数，是设备姿态调控、故障诊断、安全防护的重要依据。

2、行业内多采用加速度传感器与力传感器独立布设的检测方案，难以适配高精度、高同步性的检测场景，为解决独立传感器分体安装的缺陷，目前已采用了加速度与力复合传感器，现有复合传感器通常将加速度检测芯体和力检测芯体集成于同一壳体内。

3、加速度检测芯体和力检测芯体集成于同一壳体内，受内部空间及受力路径的限制，两类检测芯体之间容易产生结构耦合，使冲击载荷引起的结构变形干扰加速度检测，同时加速度检测过程中的惯性作用也可能影响力检测，同时，现有复合传感器在进行前后、左右等多方向横向加速度检测时，各检测芯体之间容易产生相互影响，且装配过程中存在定位偏差，导致不同方向检测精度降低；此外，横向加速度检测结构中的质量块通常为圆筒结构，装配预紧过程中容易将预紧应力集中传递至敏感元件，使敏感元件受力不均。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中存在的现有复合传感器存在检测芯体相互干扰、横向加速度检测灵敏度不足、力检测受力不均、敏感元件易受预紧应力损伤以及装配定位精度不足的技术问题，本发明提供了一种横向加速度与力复合传感器及其组装方法。

2、本发明技术方案如下：

3、本发明提供了一种横向加速度与力复合传感器，包括底座，底座上固定安装有立方体的冲击座，冲击座的顶端中心位置处设有冲击点位，冲击座的下端中心位置处安装有力检测芯体；冲击座的一侧端面处沿其长度方向间隔设有第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔，第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔均横向贯穿冲击座，第三安装孔位于第一安装孔和第二安装孔之间，冲击座另一侧端面的中心位置处设有第四安装孔，第四安装孔的轴线与第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔的轴线相垂直并连通，第一安装孔、第二安装孔和第四安装孔均螺纹连接有两个相对设置的螺钉，第三安装孔内设有一组加速度检测芯体并通过第四安装孔内的螺钉夹紧限位，第四安装孔内设有两组加速度检测芯体并分别通过第一安装孔和第二安装孔内的螺钉夹紧限位。力检测芯体沿冲击座轴向布置于下端中心，横向加速度检测芯体沿两个垂直方向正交布置于冲击座内部，两类检测的传力路径相互独立，从结构层面降低结构耦合，既减少冲击变形对加速度检测的干扰，也避免加速度惯性作用影响力检测精度，两个垂直横向方向的加速度检测芯体独立安装、独立螺钉夹紧，各方向检测互不干扰，螺钉直接夹紧的定位方式基准清晰，装配偏差小，可有效提升不同方向的检测精度，整体结构紧凑集成，可同时输出轴向力与双轴横向加速度信号，适用于安装空间受限的检测工况。

4、优选的，第三安装孔为通孔结构，第一安装孔、第二安装孔和第四安装孔为螺纹孔结构，第三安装孔采用通孔结构，便于加速度检测芯体的装入与对中调整；螺纹孔与夹紧螺钉配合，夹紧力固定可靠，且螺纹加工精度高，可保证芯体定位的同轴度，减少装配偏心引入的检测误差。

5、优选的，第三安装孔的中心位置处放置有一组加速度检测芯体；第四安装孔内的两组加速度检测芯体位于第四安装孔内两个螺钉的外侧，第三安装孔内单组芯体居中布置，受力对称，检测基准准确；第四安装孔内两组芯体分置螺钉两侧、对称布置，保证两组芯体受力均匀，检测一致性好。

6、优选的，冲击点位为半球状凸起，可实现冲击载荷的中心精准导入，保证载荷沿冲击座中心轴线传递，避免偏载引入额外横向分力，影响力检测精度；球面接触可适配一定角度的倾斜冲击输入，传力稳定、适用性广。

7、优选的，冲击座的下端中心位置处固定设置有螺筒，螺筒为四分式结构，力检测芯体包括力陶瓷，力陶瓷设置于螺筒内，螺筒螺纹连接有螺帽，采用四分式螺筒配合螺帽的收缩抱紧结构，旋紧螺帽时螺筒沿周向均匀收缩，径向抱紧力陶瓷，预紧力沿圆周均匀分布，保证力敏感元件受力均匀，提升检测线性度与一致性，螺纹预紧调节便捷，预紧力可控。

8、优选的，底座的上端中心位置处设置有芯体沉孔，螺筒和螺帽插装在芯体沉孔内，芯体沉孔对冲击座与力检测芯体形成径向定位，保证整体结构同轴对中，避免偏心导致的检测偏差；沉孔形成稳定的承托结构，可有效传递轴向载荷，同时限制径向窜动，提升结构稳定性。

9、优选的，底座上设有导线孔，底座的侧部设有接嘴孔并安装有四芯接嘴，底座的底部设有固定孔，导线孔便于各检测芯体的信号线集中引出，布线规整；四芯接嘴统一输出轴向力与双轴横向加速度信号，接口集成度高，现场接线便捷；底部固定孔为传感器整体安装提供基准，安装固定方便可靠。

10、优选的，加速度检测芯体包括加速度陶瓷和第一质量块，加速度陶瓷和第一质量块均为筒式结构，第一质量块套设于加速度陶瓷外侧，第一质量块的内壁上设有两个相对设置的变形槽，筒式结构同轴度好，装配对中便捷；质量块内壁设置相对的变形槽，预紧夹紧时变形槽可产生微量弹性形变，吸收部分夹紧应力，避免预紧应力集中传递至加速度陶瓷，保证敏感元件受力均匀，提升检测的一致性与长期稳定性。

11、优选的，冲击座的外侧设有外壳，外壳的上下两端开口，外壳与冲击座和底座固定连接，外壳形成外部防护结构，可阻挡外界粉尘、水汽侵入内部，保护敏感元件；同时可屏蔽外部电磁干扰，提升检测信号质量；上下开口结构便于内部组件装配与信号线引出。

12、一种横向加速度与力复合传感器的组装方法，包括：

13、将一组加速度检测芯体安装于第三安装孔内，并通过第四安装孔内的两个螺钉夹紧固定；将两组加速度检测芯体相对安装于第四安装孔内，使得两组加速度检测芯体分布在第四安装孔内两个螺钉的外侧，并分别通过第一安装孔和第二安装孔内的两个螺钉夹紧固定；

14、将力陶瓷安装至螺筒内，通过螺帽旋紧使螺筒收缩，随后将组装完成的冲击座安装至底座上，使得螺筒插装在芯体沉孔内，最后将外壳固定安装于冲击座的外侧。

15、用由内到外、分方向独立装配的工艺路径，各方向加速度芯体独立安装、独立夹紧，装配过程互不干涉，定位基准清晰，可有效控制装配偏差对检测精度的影响，力检测芯体采用四分式螺筒收缩抱紧的预紧方式，预紧力均匀分布，避免传统压装的应力集中问题，保证敏感元件受力均衡。整体装配流程清晰，基准统一，可有效保证批量产品的性能一致性，装配效率高。

16、通过以上技术方案可以看出，本发明的优点在于：

17、1、力检测芯体沿冲击座轴向布置于下端中心，横向加速度检测芯体沿两个垂直方向正交布置于冲击座内部，两类检测的传力路径相互独立，从结构层面降低结构耦合，既减少冲击变形对加速度检测的干扰，也避免加速度惯性作用影响力检测精度，两个垂直横向方向的加速度检测芯体独立安装、独立螺钉夹紧，各方向检测互不干扰，螺钉直接夹紧的定位方式基准清晰，装配偏差小，可有效提升不同方向的检测精度，整体结构紧凑集成，可同时输出轴向力与双轴横向加速度信号，适用于安装空间受限的检测工况。

18、2、采用四分式螺筒包裹陶瓷的力传感芯体结构，通过螺帽锁紧促使分体式螺筒收缩挤压陶瓷，当螺帽承受纵向冲击载荷时，螺筒可均匀对陶瓷产生挤压形变，精准捕捉力学变化信号，稳定实现纵向力的高精度检测，该分体式包裹结构受力均匀、形变响应灵敏，可有效避免应力集中造成的检测失真，结构简单可靠、装配一致性高，兼顾力检测灵敏度与结构抗冲击性能。

19、3、变形槽的设置，使第一质量块在装配预紧过程中能够产生一定的微量变形，从而适应加速度陶瓷的装配状态，并使作用于加速度陶瓷的挤压力更加均匀，当传感器受到横向加速度作用时，第一质量块在惯性作用下产生相应的横向运动趋势，并将惯性作用力传递至加速度陶瓷，使加速度陶瓷产生相应的电荷信号，以实现横向加速度检测。