[发明专利]一种集成式五维力测量方法

说明书

本发明属于多维力测量技术领域，提供了一种集成式五维力测量方法，不同于传统多点布置的压电测力仪，本发明的方法使用一个正方体石英晶块作为力敏元件制作传感器，可用于多维力在小空间内的测量，对于需要小空间内测量多维力的制造领域具有重要意义。该方法采用均匀分布八片电极输出电荷的方法，该测量系统可以将外界随机、偶发的干扰信号产生的误差值控制在一定范围内，可提高测量结果的精确度，能够满足一般精确度要求的五维力测量要求。

技术领域

本发明属于多维力测量技术领域，涉及一种五维力的精确测量方法，不同于传统多点布置的压电测力仪，本项技术使用一个正方体石英晶块作为力敏元件制作传感器，可用于多维力在小空间内的测量，对于需要小空间内测量多维力的制造领域具有重要意义。

背景技术

多维力/力矩测试技术在装备制造领域具有广泛应用，其中多维力传感器作为测控系统最关键的感知环节，最多可提供空间三个力分量和三个力矩分量信息的反馈。以石英晶体作为力敏元件的压电式力传感器具有高灵敏度、高固有频率以及较好稳定性和动态特性等优点，广泛应用于空间多维载荷的测量。随着工业技术的发展，载荷形式复杂化、传感器结构小型化以及测试性能高效化等新的测试需求不断出现，对多维力传感器的结构尺寸和测试性能均提出了更高要求。但现有的压电式力传感器大多存在着加工工艺复杂、传感器尺寸较大等问题，无法实现对多维复杂载荷的集成化测量。因此，探索新型的压电式多维力测试方法，开发新形式力敏元件结构的压电式多维力传感器具有较为重要的科学意义。

本项设计综合运用各向异性弹性力学、晶体物理学、电介质物理学、压电理论等多学科领域基本理论，开展基于立方体石英晶块的多维力压电测量原理与技术研究。根据所得的局部面域感生电荷分布规律，研制了一种新型压电式五维力测试装置。

结合石英晶体压电效应基本理论及张量坐标变换规律，计算出内部的极化电场，得到各面域感生电荷密度与力的映射关系式，进而得出等效极化面电荷分布规律。对立方体石英晶块表面面域进行划分，通过求解线性方程组，得到五维力与立方体石英晶块局部区域感生电荷量的映射关系。

发明内容

本发明基于现有压电式传感器体积大的难题，提供了一种集成式的五维力传感器，可实现小空间内的多维力测量。

本发明的技术方案：

一种集成式五维力测量方法，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’，如图1所示；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。整体结构装配图如图2所示，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：