[发明专利]一种集成式五维力测量方法

权利要求书

1.一种集成式五维力测量方法，其特征在于，该方法所用装置包括加载块(1)、上端盖(2)、石英晶块(3)、屏蔽挡圈(4)和下端盖(5)；

选取一个正方体石英晶块(3)，石英晶块(3)的晶体坐标系x’轴向上放置，将石英晶块(3)的晶体坐标系旋转变化，建立计算坐标系Oxyz，石英晶块(3)的晶体坐标系为Ox’y’z’；石英晶块(3)位于屏蔽挡圈(4)内，且其下端面被固定在下端盖(5)上，并且被上端盖(2)和下端盖(5)用预紧力夹紧，上端盖(2)和下端盖(5)分别与屏蔽挡圈(4)通过预紧螺栓相连接；上端盖(2)上端与加载块(1)通过预紧螺栓固定，上端盖(2)下端与屏蔽挡圈(4)间存在一定间隙，多维力加载在加载块(1)上，多维力通过上端盖(2)传递到石英晶块(3)的上端面，下端盖(5)通过螺栓与测试平台相连接；其测量方法如下：

对于该正方体石英晶块(3)，当其受到空间内除z轴方向扭矩外的五个方向力分量(F_x、F_y、F_z、M_x、M_y)复合作用时，在石英晶块(3)整体所产生的应力场如式(1)所示：

式中，a为石英晶块(3)边长，I_x、I_y分别为石英晶块(3)截面对x轴和y轴的主惯性矩，对于正方形截面有

根据张量坐标变换法则，由晶体坐标系Ox’y’z’中的压电系数矩阵d，计算出在计算坐标系Oxyz中新的压电系数矩阵：

其中，d₁₁＝2.31×10^-12,d₁₄＝-0.727×10^-12；

正方体石英晶块(3)内部产生的电极化强度为：

正方体石英晶块(3)内部产生的电极化强度在x，y，z方向上的分量分别为：

在垂直于z轴的上下两个晶面处，由正压力、弯曲产生的等效面束缚电荷密度为：

式中，η_z+、η_z-分别表示X0切型正方体石英晶块(3)上、下表面的电荷密度；分别为计算坐标系Oxyz中上下两端面单位法向量；d₁₁为压电系数，且有d₁₁＝2.31×10^-12；

由式(5)看出，对于提取电荷的上表面来说，正方体石英晶块(3)表面电荷密度以y轴和x轴为对称轴对称分布，y轴、x轴左右两侧的电荷密度大小相等，符号相反；因此可采用均匀分布四片电极输出电荷的方法，实现弯矩M_x、M_y的测量；即以y轴和x轴为分界线将正方体石英晶块(3)上表面面域划分为4个相等的面域，分别记为S₁、S₂、S₃、S₄，在4个面域各布置一片电极用以提取每个面域内产生的束缚电荷量，分别记为Q₁、Q₂、Q₃和Q₄；四个电荷量之和为上表面所有的电荷量，因此，这四片电极同样可以用于测量主向正向力F_z；

对于两个切向力F_x和F_y，两个力产生的切应力代入压电系数矩阵可知在石英晶块(3)的上表面不会产生感应电荷；而在石英晶块(3)的下表面，由切向力因为尺度效应而产生的弯矩不可忽略，所以在切向力作用下石英晶块(3)下表面会产生感应电荷，由式(5)可知其计算过程与弯矩类似；所以在石英晶块(3)下表面同样划分为4个相等的面域，分别记为S₅、S₆、S₇、S₈，在4个面域各布置一片电极用以提取每个面域内产生的束缚电荷量，分别记为Q₅、Q₆、Q₇和Q₈；

取上表面电荷密度η_z+和下表面电荷密度η_z-，分别在8个面域内对其进行面积分，求得每个面域内的感生电荷量大小，如式(6)所示：

由上述计算知，该正方体石英晶块(3)X0面测得的八个电极的电荷量Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇和Q₈为施加的五维力所产生电荷的线性叠加，并可以通过解耦求得五维力的大小，计算结果如式(7)所示：