基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量方法及传感器与流程

本发明设计一种弯矩的测量方法和传感器，特别是涉及一种基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量方法及传感器。

背景技术：
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弯矩是受力构件截面上的内力矩的一种，即垂直于横截面的内力系的合力偶矩，弯矩直接影响杆件的强度和变形，因此精确检测弯矩对工程应用有重要的意义。

工程上弯矩测量采用应变片、压电、压磁等方式，其中应用最广泛的是测量应变的方法。经过对现有技术文献和专利的检索发现，专利名称《锚杆轴力和弯矩的检测方法及其检测锚杆》，申请公布号CN 103485811 A，以及文章名称《电阻应变计在弯矩测量中的应用》，刊名：传感器技术，均采用是应变测量方法，即将4个同型号的电阻应变片按附图1-图3所示进行布置：R1、R3布贴在梁的上表面，R2、R4布贴在梁的下表面。梁弯曲变形时，电阻应变片上产生的应变与梁产生的应变相同，并且在梁的同一截面上，上表面产生拉应变，而下表面产生压应变，拉、压应变的绝对值相等，四个应变片组合能够全桥电路，通过全桥电路可获得四个应变片的应变值，根据材料力学理论可通过应变计算出弯矩值。此外，通过压电效应也可以测量弯矩，此时采用的是“力×力臂”法，测量中，力臂是固定不变的，力臂与剪力相乘得到弯矩，若想测量剪力，采用具有剪切效应的Y0压电石英晶片作为测力敏感元件，将所测量的力乘以力与晶片之间的距离计算得到力矩，如附图4所示。该类型传感器并不能直接测量弯矩，而是通过测量力的方式间接计算力矩，导致测试弯矩精度不高。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、简化了中间环节、提高了测量精度和准确度的基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量方法及传感器。

本发明的技术方案是：

一种基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量方法，利用具有弯曲效应的压电石英晶片组成弯矩测量敏感元件，当受到弯矩作用时，在晶片表面上产生的束缚电荷以光轴为分界线两半平面上所产生的电量大小相等，符号相反，并且所施加的弯矩与产生的束缚电荷成线性关系，进而准确测出弯矩值；所述弯矩测量敏感元件通过分割电极电荷组合法组成弯矩测量晶组，所述弯矩测量晶组产生的输出电荷经过导线由输出接头引出体外，通过电荷放大器放大成电压信号，再由数字表或计算机记录结果。

所述弯矩测量晶组包括三片X0切型石英晶片和四片检测电极，四片检测电极两两一组分别夹持在三片石英晶片之间，四片检测电极依次标注为电极A、电极B、电极C、电极D，当仅有轴向力作用时，在晶片表面产生剪切束缚电荷，电极A与电极C，电极B与电极D产生的电荷符号相同，大小相等，电极A与电极C并联后输出为零；当仅有弯矩作用时，电极A与电极C，电极B与电极D产生的电荷符号相同，大小相等，电极A与电极C并联后输出，输出电荷为单电极的两倍，提高了弯曲测量晶组的灵敏度。

所述弯矩测量晶组通过弹性变形环安装在传感器的基体内，所述基体上设置有连接孔，便于和结构梁连接，所述基体上设置有输出接头，所述输出接头内端通过导线与所述弯矩测量晶组连接。

一种基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量传感器，包括基体，所述基体上设置有连接孔，所述基体内设置有两个弹性变形环，两个所述弹性变形环之间设置有弯矩测量晶组，所述基体上设置有输出接头，所述输出接头内端通过导线与所述弯矩测量晶组连接，所述输出接头的外端通过电荷放大器放大成电压信号，再由数字表或计算机记录结果。

所述弯矩测量晶组包括三片X0切型石英晶片和四片检测电极，四片检测电极两两一组分别夹持在三片石英晶片之间，四片检测电极依次标注为电极A、电极B、电极C、电极D，当仅有轴向力作用时，在晶片表面产生剪切束缚电荷，电极A与电极C，电极B与电极D产生的电荷符号相同，大小相等，电极A与电极C并联后输出为零；当仅有弯矩作用时，电极A与电极C，电极B与电极D产生的电荷符号相同，大小相等，电极A与电极C并联后输出，输出电荷为单电极的两倍，提高了弯曲测量晶组的灵敏度。

所述基体为长方形，其四角处分别设置有所述连接孔，所述弯矩测量晶组贴接在所述弹性变形环的内腔凸台中心上，压电石英晶片与凸台平面相平行的表面对称贴上所述检测电极。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用压电弯曲效应直接测量弯矩，而不是利用传统剪切效应，剪切力乘力臂的方法计算弯矩，简化了中间环节，提高了测量精度和准确度。

2、本发明采用分割电极电荷法组建测量晶组，采用电荷法连接检测电极避免了电压法测量时要用两部电荷放大器和一个电压反相器，外接测量电路的引入必将导致测量误差的增加和制作成本的提高。仅用一部电荷放大器无需电压反相器直接检测弯矩，具有结构简单、电荷灵敏度翻倍的优点。

3、本发明弯矩传感器具有结构紧凑，工艺性好，降低了成本，易于调整，效率高，直接测量弯矩，测量精度高，克服了传统压电剪切效应测量弯矩的缺点和不足，其适用范围广，易于推广实施，经济效益明显。

附图说明：

图1是现有技术中应变片弯矩测量的结构图；

图2为图1所示应变片弯矩测量的俯视图；

图3为图1所示应变片弯矩测量的电路原理简图；

图4是现有技术中压电力矩测量原理简图；

图5是本发明弯矩测量晶组受轴向力的极化图；

图6是本发明弯矩测量晶组受弯矩的极化图；

图7是本发明基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量传感器的结构图；

图8是图7所示基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量传感器的侧视图。

具体实施方式：

实施例：参见图5—图8，图中，1-基体，2-连接孔，3-输出接头，4-导线，5-弹性变形环，6-弯矩测量晶组。

基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量方法，技术方案是：利用具有弯曲效应的压电石英晶片组成弯矩测量敏感元件，当受到弯矩作用时，在晶片表面上产生的束缚电荷以光轴为分界线两半平面上所产生的电量大小相等，符号相反，并且所施加的弯矩与产生的束缚电荷成线性关系，进而准确测出弯矩值；弯矩测量敏感元件通过分割电极电荷组合法组成弯矩测量晶组，弯矩测量晶组产生的输出电荷经过导线由输出接头引出体外，通过电荷放大器放大成电压信号，再由数字表或计算机记录结果。

弯矩测量晶组包括三片X0切型石英晶片和四片检测电极，四片检测电极两两一组分别夹持在三片石英晶片之间，四片检测电极依次标注为电极A、电极B、电极C、电极D，当仅有轴向力作用时，在晶片表面产生剪切束缚电荷，电极A与电极C，电极B与电极D产生的电荷符号相同，大小相等，电极A与电极C并联后输出为零；当仅有弯矩作用时，电极A与电极C，电极B与电极D产生的电荷符号相同，大小相等，电极A与电极C并联后输出，输出电荷为单电极的两倍，提高了弯曲测量晶组的灵敏度。

弯矩测量晶组通过弹性变形环安装在传感器的基体内，基体上设置有连接孔，便于和结构梁连接，基体上设置有输出接头，输出接头内端通过导线与弯矩测量晶组连接。

基于压电石英晶片弯曲效应的弯矩测量传感器，包括基体1，基体1上设置有连接孔2，基体1内设置有两个弹性变形环5，两个弹性变形环5之间设置有弯矩测量晶组6，基体1上设置有输出接头3，输出接头3内端通过导线4与弯矩测量晶组6连接，输出接头3的外端通过电荷放大器放大成电压信号，再由数字表或计算机记录结果。

基体1为长方形，其四角处分别设置有连接孔2，弯矩测量晶组6贴接在弹性变形环5的内腔凸台中心上，压电石英晶片与凸台平面相平行的表面对称贴上检测电极。

使用时，基体1通过连接孔2和连接件连接到结构梁上，当受到一个弯矩作用时，夹在弹性变形环5之间的具有弯曲效应的压电石英晶片同时受到弯矩的作用，由于该种切型晶体具有弯曲效应，所以在晶片表面上产生束缚电荷，并且电荷量与弯矩成正比例关系，电极产生的电荷通过导线4与输出接头3相连，输出的电荷量经过电荷放大器将其转换为电压信号后，由电压数字表读出或通过计算机进行采集。

本发明采用压电弯曲效应直接测量弯矩，而不是利用传统剪切效应，剪切力乘力臂的方法计算弯矩，简化了中间环节，提高了测量精度和准确度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。