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。
技术实现要素：
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。
剪切效应石英晶片的布置方式：即在中央体a的其中两个或三个表面放置剪切效应石英晶片；或中央体a的表面上每个位置所布置的晶组中剪切效应石英晶片数量变化；或每个面布置剪切效应石英晶片的位置变化；或在一个面设置多个晶组放置位置。
本发明的有益效果：本方法根据不同场合测试要求，仅采用剪切效应石英晶片进行排布，摒弃了原有的拉压、剪切效应晶片组合测量的方式，进而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，降低了测力仪的向间干扰，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，增加了高温、大温变的极端情况下力的可测性。
附图说明
图1为示意图的方式示出了根据本发明方法的实例1。
图2为示意图的方式示出了根据本发明方法的实例2。
图3为示意图的方式示出了根据本发明方法的实例3。
图中：a为中央体；①、②、③、④为中央体的四个侧面；⑤、⑥为中央体上下表面；1-1、1-2、1-3、1-4为本方法下实例1的剪切效应石英晶组；2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8为本方法下实例2的剪切效应石英晶组；3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8、3-9、3-10、3-11、3-12为本方法下实例3的剪切效应石英晶组，每个晶组内包含的晶片数量若干。图中箭头指向为每个剪切效应晶组的最大灵敏度方向。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
本方法仅采用剪切效应晶片进行多维力/力矩测量。首先设计一个长方体形状的中央体结构，在中央体侧面及下表面中心设置晶片放置位置。基于剪切效应晶片测量特点，将剪切效应晶片布置在中央体侧面或下表面，每个方向的力均有特定晶片进行获取，且各晶片最大灵敏度方向与其所测量的力方向一致。该方法可针对不同被测力维度设计不同的晶片布置方式，根据不同维度及测试要求，在侧面或者底面布置一片或者多片晶片进行测量。
实施例1，如图1所示，该种方式旨在测量空间三维力，图中a为中央体，为本方法中不可缺少的一部分，所有所布置的剪切效应石英晶组均需与中央体贴在一起，该中央体为长方体结构，图中①、②、③、④为中央体的四个侧面；⑤、⑥为中央体上下表面，中央体被设置在具有坐标轴x、y、z的直角坐标系中，下表面⑥与水平工作面xoy重合，侧面①则与竖直工作面yoz重合，实现中央体与坐标轴对应。
分别在中央体的侧面②、④与底面⑥进行剪切效应晶组布置，每个晶组内y0效应晶片数量若干，可通过增加石英晶片数量提高测量灵敏度。其中主向z方向力通过侧面②和④上的晶组1-1和1-2进行测量，两个晶组的石英晶片最大灵敏度方向竖直向下，与被测力方向一致，同理，晶组1-1与1-2也可布置在侧面①和③处，或为提高测力仪主向灵敏度及测力仪整体稳定性与频响，可在在四个侧面①、②、③、④均布置剪切效应晶组对主向力进行测量；侧向x方向力通过布置在中央体底面⑥上的剪切效应晶组1-3进行测量，晶组内晶片最大灵敏度方向指向x向；侧向y方向力则通过布置在底面⑥上的剪切效应晶组1-4进行测量，晶组内晶片最大灵敏度方向指向y向。当有外力作用在中央体上表面⑤上时，该种布置方式的三个方向力求解公式如公式(1)所示。
fx＝f1-3
fy＝f1-4(1)
fz＝f1-1+f1-2
其中，fx,fy,fz为三个方向外力；f1-1,f1-2,f1-3,f1-4为每个位置石英晶组的输出力值。
实例2如图2所示，该方式中则不在中央体a的下表面⑥放置石英晶片，侧向力的测量通过放置在中央体a的侧面①、②、③、④的剪切效应晶组2-5、2-6、2-7、2-8进行测量。如图所示，其中x方向力通过中央体a的侧面②和侧面④上的晶组25和2-7进行获得，同样的，y方向力通过中央体a侧面①和③上的晶组2-6和2-8进行获得，晶组内晶片的最大灵敏度方向与被测力方向一致，晶片数量可根据需求进行增加，达到增大灵敏度的效果；为保证对称性，主向z方向力的测量则通过放置在中央体a四个侧面①、②、③、④上的晶组2-1、2-2、2-3、2-4进行测量，晶组内晶片的最大灵敏度方向竖直向下，与z方向力重合，且每个晶组内的晶片数量根据需求进行增加。
该种布置方式不仅能够进行三向力的测量，同样能够进行三个方向扭矩的测量，该布置方式中的三向力以及三向扭矩的力学求解模型如公式(2)所示。
其中，fx,fy,fz,mx,my,mz为该方法中的三个方向力与扭矩；f2-1,f2-2,f2-3,f2-4,f2-5,f2-6,f2-7,f2-8为每个位置晶组的输出力值。
实例3如图3所示，该方式是对第二种方式的一种改进，为保证在水平方向扭矩能够精确测量，与其他晶组测量结果不会互相影响，因此，在中央体a的四个侧面①、②、③、④上各增加一组剪切效应石英晶组3-9、3-10、3-11、3-12，四个石英晶组内石英晶片的最大灵敏度方向顺时针布置，与水平扭矩方向一致，其余晶组布置与第二种方式相同。
可得到该种方式下三向力与三向力矩的求解如公式(3)所示。
其中，fx,fy,fz,mx,my,mz为该方法中的三个方向力与扭矩；f3-1,f3-2,f3-3,f3-4,f3-5,f3-6,f3-7,f3-8,f3-9,f3-10,f3-11,f3-12为每个位置晶组的输出力值。
本方法的提出，针对测试过程中由于拉压效应压电石英晶片的存在带来的一些干扰以及测试环境中热量对于测试的影响问题，摒弃了传统压电测试方法中才用的拉压效应晶片与剪切效应晶片组合使用的方法，提出了仅采用剪切效应晶片进行力测量的新方法。通过在中央体四周布置剪切效应石英晶片，实现不同场合、需求下的力测量。该方法从原理上减小了测试过程中的横向干扰以及环境影响，尤其对于测试过程中环境热源对于测试结构的影响，提高了测试精度。
虽然，本发明以上述较佳的实施例做出了详细的描述，但并非用上述几种排布方式。在了解本发明的情况下，本领域技术人员可以在不脱离本发明范围的情况下进行改变。因此，本领域技术人员也可以采用三棱柱形状的中央体或者五棱柱以及更多边的棱柱体进行剪切效应晶片的排布，也可在一个面设置多个晶片布置位置，不只是每个面的中心处。对技术所作的增加及本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。