一种集成式五维力测量方法技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种集成式五维力测量方法
本专利技术属于多维力测量
，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。
技术介绍
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、本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)；/n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...

【技术特征摘要】
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(Fx、Fy、Fz、Mx、My)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，Ix、Iy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：

【专利技术属性】
技术研发人员：任宗金，赵凯，张军，赵毅，李洋，姜明岩，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21