技术领域
[0001] 本发明属于传感器生产技术领域，尤其涉及一种可调预紧力的缸压传感器加工工装及方法。
相关背景技术
[0002] 缸压传感器是一种用于发动机腔体压力测试的传感器。其中压电式缸压传感器因其具有高频响应能力、宽测量范围、耐高温、长时间稳定性等优势，已成为目前主流的缸压传感器。
[0003] 压电式缸压传感器是一种利用压电效应工作的压力传感器，可以将压力信号转换为电信号输出。压电式缸压传感器在加工过程中，为了保证传感器具有良好的输出线性度，并减小横向灵敏度，需要在传感器的压电晶片上施加一定的预紧力。在传感器整个加工过程中，预紧力的施加、保持、固化难以得到保证，从而导致压电式缸压传感器在加工完成后的性能一致性受到影响。
具体实施方式
[0046] 如图1所示，本实施例的一种可调预紧力的缸压传感器加工工装，包括压紧螺母1，转接件2，支撑件3，装配工装件4。其中，所述压紧螺母1通过外螺纹与装配工装件4连接，所述装配工装件4上具有与外螺纹配合的内螺纹。所述装配工装件4上还有定位槽，支撑件3通过定位槽安装在装配工装件4上。所述转接件2在传感器加工时，一端与压紧螺母1紧贴，另一端与缸压传感器加工组件5紧贴。所述转接件2上具有限位结构特征，所述装配工装件4上具有与转接件2限位结构特征相配合的沉孔结构。所述转接结构件2上的限位结构特征和装配工装件4上的沉孔结构相互配合可保证转接件2在传感器加工时不发生转动。所述支撑件3在传感器加工时，一端与装配工装件4紧贴，另一端与缸压传感器加工组件5紧贴。所述装配工装件4的中间壳体镂空，用于安装缸压传感器加工组件5，实施加工工序。
[0047] 为了在传感器加工过程中施加可调节的预紧力，优选地，所述第一预紧工装1的一端为六角螺母结构，便于使用定扭矩扳手进行夹持，并对压紧螺母1施加一定的扭矩。所述转接件2具有切边结构，便于定位和安装。所述装配工装件4具有切边结构，便于使用台钳进行夹持。
[0048] 为了精确测量加工过程中施加的预紧力，进一步地，所述缸压传感器加工组件5中包括压电晶片11和导电片15。所述导电片15上具有耐高温导线14。所述压电晶片11一端与预压块8紧贴，另一端与导电片15紧贴。通过测量压电晶片11在装配过程中的输出电荷即可进行精确测量施加在压电晶片11上的预紧力。
[0049] 为了提高测量预紧力的便利程度，更进一步地，所述压紧螺母1和转接件2上具有中心通孔，耐高温导线14可经通孔引出。所述与压电晶片11接触的预压块8与转接件2紧贴。可将压电晶片11的输出电荷转换为耐高温导线14与工装外壳之间的输出电荷。
[0050] 为了保持施加在压电晶片11上的预紧力，更进一步地，在传感器加工过程中，需二次或者多次施加预紧力时，可测试耐高温导线14与工装外壳之间的输出电荷，并保持与第一次测试的输出电荷在同一个设定区间内。
[0051] 为了固化施加在压电晶片11上的预紧力，更进一步地，所述传感器组件5中还包括预紧套筒10，在压电晶片11上施加预紧力之后，所述预紧套筒10一端与传力块16相互连接，另一端与预压块8相互连接。所述传力块16与预压块8之间包括压电晶片11和导电片15。所述传力块16、预压块8、压电晶片11、导电片15及转接件2被施加在压紧螺母1上的扭矩紧压在一起。所述预紧套筒10与传力块16、预压块8之间均通过材料配合进行连接固定。所述材料配合的实现方式可以是激光焊接、超声波焊接、冷焊等。
[0052] 本发明还提供上述可调预紧力的缸压传感器加工工装在缸压传感器加工过程中的预紧力测试方法，操作步骤如下：
[0053] 步骤A1：将支撑件3装入装配工装件4的定位槽处。
[0054] 步骤A2：将传力块16与支撑件3连接。
[0055] 步骤A3：将已知压电系数dij的标准压电晶片11、导电片15、预压块8依次摆放在传力块16上。
[0056] 步骤A4：将导线14穿过转接件2的中心通孔，再套上压紧螺母1后拧紧。导线14同样穿过压紧螺母1的中心通孔。
[0057] 步骤A5：使用台钳将装配工装件4固定，将装配工装件4外部、导线裸露端分别连接至准静态电荷放大器的输入端，使用一只可调扭矩的开口扳手夹持住压紧螺母1并上紧，通过准静态电荷放大器实时检测电荷输出量，记录此时施加在压紧螺母上的扭矩T1及输出电荷量Q1_1。
[0058] 步骤A6：松开压紧螺母1，将导线裸露端从电荷放大器的输入端卸下并进行短接后再次连入电荷放大器的输入端。此时不调整开口扳手的扭矩，再次手夹持住压紧螺母1并上紧，通过准静态电荷放大器实时检测电荷输出量。记录输出电荷量Q1_2。
[0059] 步骤A7：重复步骤A6，记录获取输入扭矩T1下的输出电荷量Q1_1、Q1_2、…、Q1_m。计算输入扭矩下的平均输出电荷量 m为电荷量测试次数，m应当大于等于3。
[0060] 步骤A8：更改开口扳手上的可调扭矩，重复步骤7，获取输入扭矩Tin及对应输出电荷Qout数组。计算力矩电荷转换系数：
[0061]
[0062] 其中
[0063] n——压电晶片数量；
[0064] dij——压电晶片的压电常数；
[0065] 本发明还提供一种用上述可调预紧力的缸压传感器加工工装加工缸压传感器的方法，操作步骤如下：
[0066] 步骤B1：将支撑件3装入装配工装件4的定位槽处。
[0067] 步骤B2：将传力块16与支撑件3连接。
[0068] 步骤B3：将压电晶片11、导电片15、预压块8依次摆放在传力块16上。
[0069] 步骤B4：将预紧套筒10套入预压块8上，将导线14穿过转接件2的中心通孔，再套上压紧螺母1后拧紧。导线14同样穿过压紧螺母1的中心通孔。
[0070] 步骤B5：使用台钳将装配工装件4固定，将装配工装件4外部、导线裸露端分别连接至准静态电荷放大器的输入端，使用一只可调扭矩的开口扳手夹持住压紧螺母1并上紧，通过准静态电荷放大器实时检测电荷输出量Qout，显示Qout在预定范围内即可。优选地，所述预定范围可以是基准电荷值Qref±5％。施加在压电晶片11上的预紧力可以通过如下公式计算：
[0071]
[0072] 步骤B6：将预紧套筒10推至传力块16处。
[0073] 步骤B7：预紧套筒10与传力块16使用激光焊接继续固定。完成上述焊接后，将预紧套筒10与预压块8使用激光焊接进行固定。该步骤需要焊接未被装配工装件4遮挡的结构。
[0074] 步骤B8：上述工装完成步骤B7的焊接后，将压紧螺母1松开，再将装配体旋转90°，将未焊接部分转至开放区域，再将压紧螺母1拧紧。
[0075] 步骤B9：使用台钳固定装配工装件4，将装配工装件4外部、导线裸露端分别连接至准静态放大器的输入端，使用一只可调扭矩的开口扳手夹持住压紧螺母1并上紧。通过准静态电荷放大器进行实时检测电荷输出量，显示输出在预定范围内即可。进一步地，所述预定范围为步骤5中的范围。
[0076] 步骤B10：将缸压传感器加工组件5从装配工装件4上取下，再将膜片12与传力块16通过激光焊接进行固定。
[0077] 步骤B11：将上述加工组件套入传感器外壳体9中。将传感器外壳体9与预压块8使用激光焊接进行固定。完成上述焊接后，将传感器外壳体9件与膜片12使用激光焊接进行固定。
[0078] 步骤B12：将导线穿过上盖板13，将上盖板13与传感器外壳体9使用激光焊接进行固定。
[0079] 步骤B13：将插芯7压入上盖板中，将插孔6紧贴导线插入插芯孔内，并将多余导线去除。最后将插座进行滚口处理后扩孔。
[0080] 所述缸压传感器的工作原理为：被测压力通过膜片12和传力块16传递到压电晶片11上，压电晶片11上产生于被测压力大小成正比的电荷。缸压传感器产生的电荷量可以由以下公式给出：
[0081] Q＝n×dij×A×P＝n×dij×F
[0082] 其中，
[0083] n——压电晶片数量；
[0084] dij——压电晶片的压电常数；
[0085] A——膜片面积；
[0086] F——施加在压电晶片上的压力。
[0087] 在缸压传感器加工过程中，上述工作原理还可以描述为：施加在压紧螺母1上的扭矩通过螺纹转换为向下的预紧压力，并使得预压块8、压电晶片11、传力块16受压紧贴。压紧螺母1传递到转接件2上的压力再向下传递时可能存在损失，该损失可通过预紧力修正系数η进行修正。
[0088] 扭矩与预紧力的关系可由以下公式给出：
[0089] Fpre_eff＝Fpre*η
[0090]
[0091] 其中，
[0092] Fpre_eff——施加在压电晶片上的有效预紧力；
[0093] Fpre——施加在转接件上的预紧力；
[0094] η——预紧力修正系数；
[0095] T——扭矩；
[0096] K——扭紧力矩系数；
[0097] d——螺纹公称直径；
[0098] d2——螺纹中径；
[0099] Φ——螺纹升角；
[0100] ρV——螺纹当量摩擦角；
[0101] μ——螺母与被连接件支撑面件的摩擦系数
[0102] DW——接触外径；
[0103] d0——支撑面内径。
[0104] 从上述公式可以得到，当压紧螺母1与装配工装件4的结构参数及配合螺纹参数给定后，施加在压紧螺母1上的扭矩与传递到压电晶片11上的预紧力成正比。再由传感器工作原理可知，压电晶片11的输出电荷量与施加在压电晶片11上的压力成正比，可得到以下计算公式：
[0105] wpre_eff＝n×dij×T×β
[0106]
[0107] 其中，Qpre_eff为传感器加工过程中压电晶片11的输出电荷量。β为传感器加工过程中的力矩电荷转换系数。
[0108] 从上述公式可知，施加在压紧螺母1上的扭矩与压电晶片11的输出电荷量成正比。本发明中，通过在压紧螺母1上施加扭矩，扭矩通过螺纹产生向下的压力便可以传递至转接件2，及转接件2下的预压块8、压电晶片11上。通过检测压电晶片11的输出电荷，便可检测预紧力的大小。预紧力的大小与界面摩擦系数、摩擦角、预紧力修正系数等参数相关，这些参数难以直接测量。本发明中通过预先校正的方法标定缸压传感器加工过程中的力矩电荷转换系数，再通过力矩电荷转换系数来计算施加在压电晶片上的预紧力值的大小。进一步地，可通过调控不同的施加扭矩值，控制压电晶片11输出不同的电荷量，实现定量调节施加在压电晶片11上的预紧力的大小。
