[发明专利]一种基于全剪切效应石英晶片的多维力/力矩测量方法

说明书

本发明提供了一种基于全剪切效应石英晶片的多维力/力矩测量方法，本方法采用一个中央体，根据不同场合测试要求，将剪切效应晶片按照不同规律布置在中央体的侧面或下表面，其最大灵敏度方向与其所测量的力方向一致，实现多维力的测试功能；同时建立不同布置方式下多维力测试的力学分配模型，通过力学公式反算得到被测多维力大小、方向以及力的作用点。本方法摒弃了原有的拉压效应、剪切效应晶片组合测量的方式，从原理上消除了由于拉压效应晶片自身特点所带来的测量误差。提高了测试精度，极大的消除了环境因素中最为敏感的切削热所带来的输出误差，满足了抗干扰要求，增加了一些高温、大温变的极端情况下力的可测性。

技术领域

本发明属于压电测试技术领域，涉及一种基于全剪切效应石英晶片的多维力/力矩测量方法，仅采用剪切效应压电石英晶片，根据测试需求及使用场合，进行不同方式布置，实现多维力/力矩高精度测量。

背景技术

现代机械中，力测量技术已经贯穿了现代装备的设计、制造、组装等过程，广泛应用于医疗、运输、航空航天等领域。力测量技术对于过程的监测、反馈、控制尤为重要，是实现装备自感知、自诊断、自调节等智能技术的关键环节。力的准确测量则直接影响装备的功能是否实现，因此，高精度力测量方法的提出亟待解决。

国内外对力测量的研究，从原理上分主要有应变式和压电式等。应变式具有灵敏度高，精度高等特点，且具有良好的静态特性，但现代化设备中的作用力大部分为动态力，变化快，频率高，应变式动态特性较差。而压电式则具有刚度高、线性好、温度稳定性好，所设计的压电式测力仪在一定附加质量下具有较高的固有频率，适合高频动态力的测量。

在这些现有并已经投入使用的压电测力仪中，主要采用的石英晶片所有切型中两种常用的切型——具有拉压效应的拉压效应晶片以及具有剪切效应的剪切效应晶片。压电传感器一般采用两组或多组上述两种切型晶片进行排布设计，进行多维力的测量。其中典型的为三向压电力传感器，该传感器采用三组上述的两种切型晶片测量三维力，再通过对传感器进行布置，实现更多维度力的测量。

然而，由于石英晶体各向异性特点，使得拉压效应晶片除在一些特定要求的结构或场合下，其特点均劣于剪切效应晶片，比如敏感方向灵敏度低于剪切效应晶片、产生横向效应的干扰力多于剪切效应晶片，并且切削环境因素中的切削热对测力仪的主要影响方向为拉压效应晶片测量方向，因此，存在拉压效应晶片的测量方法限制了测力仪性能的提升，亟待提出一种新的力测量方法，从原理上提升力测量精度。

发明内容

本发明为克服现有技术中拉压效应晶片测量缺陷，发明了一种仅采用剪切效应晶片进行多维力/力矩测量的新方法。本方法采用一个长方体形状的中央体，只采用剪切效应晶片进行布置。由于剪切效应晶片只能测量晶片表面剪切力，因此将剪切效应晶片布置在中央体的四个侧面或下表面中央，每个方向的力均有特定的晶片进行获取，所有晶片的最大灵敏度方向与其所测量的力方向一致，通过传递静摩擦力实现多维力/力矩的测试功能。当外力作用在中央体上表面时，通过静摩擦力传递到各个晶片，晶片的剪切压电效应使得在晶片电极面产生电荷，电极片对电荷进行获取，经过电荷信号线传递到电荷放大器进行放大转换成电压信号，采集卡对电压信号进行采集，通过软件显示。

本发明的技术方案：

一种基于全剪切效应石英晶片的多维力/力矩测量方法，包括中央体A以及剪切效应石英晶片；所述的基于全剪切效应石英晶片的多维力/力矩测量方法即切削力测试中只采用具有剪切效应的剪切效应石英晶片进行测量，将剪切效应石英晶片布置在长方体形状的中央体A的侧面、底面中央，每个方向的力均有剪切效应石英晶片进行获取，布置时使每个晶片的最大灵敏度方向与其所测量的力方向一致，通过静摩擦力对外力进行传递，实现多维力/力矩的测量；

所述的中央体A，包括侧面以及上下底面，侧面与上下底面垂直，下底面与坐标面XOY重合，每个安装面尺寸大于剪切效应石英晶片尺寸，中央体A被设置在具有坐标轴X、Y、Z的直角坐标系中，其中一个侧面与竖直工作面YOZ重合，实现中央体与坐标轴对应。