本發(fā)明設(shè)計(jì)一種彎矩的測(cè)量方法和傳感器，特別是涉及一種基于壓電石英晶片彎曲效應(yīng)的彎矩測(cè)量方法及傳感器。

背景技術(shù)：
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彎矩是受力構(gòu)件截面上的內(nèi)力矩的一種，即垂直于橫截面的內(nèi)力系的合力偶矩，彎矩直接影響桿件的強(qiáng)度和變形，因此精確檢測(cè)彎矩對(duì)工程應(yīng)用有重要的意義。

工程上彎矩測(cè)量采用應(yīng)變片、壓電、壓磁等方式，其中應(yīng)用最廣泛的是測(cè)量應(yīng)變的方法。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)和專利的檢索發(fā)現(xiàn)，專利名稱《錨桿軸力和彎矩的檢測(cè)方法及其檢測(cè)錨桿》，申請(qǐng)公布號(hào)CN 103485811 A，以及文章名稱《電阻應(yīng)變計(jì)在彎矩測(cè)量中的應(yīng)用》，刊名：傳感器技術(shù)，均采用是應(yīng)變測(cè)量方法，即將4個(gè)同型號(hào)的電阻應(yīng)變片按附圖1-圖3所示進(jìn)行布置：R1、R3布貼在梁的上表面，R2、R4布貼在梁的下表面。梁彎曲變形時(shí)，電阻應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變與梁產(chǎn)生的應(yīng)變相同，并且在梁的同一截面上，上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變，而下表面產(chǎn)生壓應(yīng)變，拉、壓應(yīng)變的絕對(duì)值相等，四個(gè)應(yīng)變片組合能夠全橋電路，通過全橋電路可獲得四個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值，根據(jù)材料力學(xué)理論可通過應(yīng)變計(jì)算出彎矩值。此外，通過壓電效應(yīng)也可以測(cè)量彎矩，此時(shí)采用的是“力×力臂”法，測(cè)量中，力臂是固定不變的，力臂與剪力相乘得到彎矩，若想測(cè)量剪力，采用具有剪切效應(yīng)的Y0壓電石英晶片作為測(cè)力敏感元件，將所測(cè)量的力乘以力與晶片之間的距離計(jì)算得到力矩，如附圖4所示。該類型傳感器并不能直接測(cè)量彎矩，而是通過測(cè)量力的方式間接計(jì)算力矩，導(dǎo)致測(cè)試彎矩精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、簡化了中間環(huán)節(jié)、提高了測(cè)量精度和準(zhǔn)確度的基于壓電石英晶片彎曲效應(yīng)的彎矩測(cè)量方法及傳感器。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于壓電石英晶片彎曲效應(yīng)的彎矩測(cè)量方法，利用具有彎曲效應(yīng)的壓電石英晶片組成彎矩測(cè)量敏感元件，當(dāng)受到彎矩作用時(shí)，在晶片表面上產(chǎn)生的束縛電荷以光軸為分界線兩半平面上所產(chǎn)生的電量大小相等，符號(hào)相反，并且所施加的彎矩與產(chǎn)生的束縛電荷成線性關(guān)系，進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)出彎矩值；所述彎矩測(cè)量敏感元件通過分割電極電荷組合法組成彎矩測(cè)量晶組，所述彎矩測(cè)量晶組產(chǎn)生的輸出電荷經(jīng)過導(dǎo)線由輸出接頭引出體外，通過電荷放大器放大成電壓信號(hào)，再由數(shù)字表或計(jì)算機(jī)記錄結(jié)果。

所述彎矩測(cè)量晶組包括三片X0切型石英晶片和四片檢測(cè)電極，四片檢測(cè)電極兩兩一組分別夾持在三片石英晶片之間，四片檢測(cè)電極依次標(biāo)注為電極A、電極B、電極C、電極D，當(dāng)僅有軸向力作用時(shí)，在晶片表面產(chǎn)生剪切束縛電荷，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號(hào)相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出為零；當(dāng)僅有彎矩作用時(shí)，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號(hào)相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出，輸出電荷為單電極的兩倍，提高了彎曲測(cè)量晶組的靈敏度。

所述彎矩測(cè)量晶組通過彈性變形環(huán)安裝在傳感器的基體內(nèi)，所述基體上設(shè)置有連接孔，便于和結(jié)構(gòu)梁連接，所述基體上設(shè)置有輸出接頭，所述輸出接頭內(nèi)端通過導(dǎo)線與所述彎矩測(cè)量晶組連接。

一種基于壓電石英晶片彎曲效應(yīng)的彎矩測(cè)量傳感器，包括基體，所述基體上設(shè)置有連接孔，所述基體內(nèi)設(shè)置有兩個(gè)彈性變形環(huán)，兩個(gè)所述彈性變形環(huán)之間設(shè)置有彎矩測(cè)量晶組，所述基體上設(shè)置有輸出接頭，所述輸出接頭內(nèi)端通過導(dǎo)線與所述彎矩測(cè)量晶組連接，所述輸出接頭的外端通過電荷放大器放大成電壓信號(hào)，再由數(shù)字表或計(jì)算機(jī)記錄結(jié)果。

所述彎矩測(cè)量晶組包括三片X0切型石英晶片和四片檢測(cè)電極，四片檢測(cè)電極兩兩一組分別夾持在三片石英晶片之間，四片檢測(cè)電極依次標(biāo)注為電極A、電極B、電極C、電極D，當(dāng)僅有軸向力作用時(shí)，在晶片表面產(chǎn)生剪切束縛電荷，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號(hào)相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出為零；當(dāng)僅有彎矩作用時(shí)，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號(hào)相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出，輸出電荷為單電極的兩倍，提高了彎曲測(cè)量晶組的靈敏度。

所述基體為長方形，其四角處分別設(shè)置有所述連接孔，所述彎矩測(cè)量晶組貼接在所述彈性變形環(huán)的內(nèi)腔凸臺(tái)中心上，壓電石英晶片與凸臺(tái)平面相平行的表面對(duì)稱貼上所述檢測(cè)電極。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明采用壓電彎曲效應(yīng)直接測(cè)量彎矩，而不是利用傳統(tǒng)剪切效應(yīng)，剪切力乘力臂的方法計(jì)算彎矩，簡化了中間環(huán)節(jié)，提高了測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。

2、本發(fā)明采用分割電極電荷法組建測(cè)量晶組，采用電荷法連接檢測(cè)電極避免了電壓法測(cè)量時(shí)要用兩部電荷放大器和一個(gè)電壓反相器，外接測(cè)量電路的引入必將導(dǎo)致測(cè)量誤差的增加和制作成本的提高。僅用一部電荷放大器無需電壓反相器直接檢測(cè)彎矩，具有結(jié)構(gòu)簡單、電荷靈敏度翻倍的優(yōu)點(diǎn)。

3、本發(fā)明彎矩傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊，工藝性好，降低了成本，易于調(diào)整，效率高，直接測(cè)量彎矩，測(cè)量精度高，克服了傳統(tǒng)壓電剪切效應(yīng)測(cè)量彎矩的缺點(diǎn)和不足，其適用范圍廣，易于推廣實(shí)施，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

附圖說明：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)變片彎矩測(cè)量的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1所示應(yīng)變片彎矩測(cè)量的俯視圖；

圖3為圖1所示應(yīng)變片彎矩測(cè)量的電路原理簡圖；

圖4是現(xiàn)有技術(shù)中壓電力矩測(cè)量原理簡圖；

圖5是本發(fā)明彎矩測(cè)量晶組受軸向力的極化圖；

圖6是本發(fā)明彎矩測(cè)量晶組受彎矩的極化圖；

圖7是本發(fā)明基于壓電石英晶片彎曲效應(yīng)的彎矩測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

圖8是圖7所示基于壓電石英晶片彎曲效應(yīng)的彎矩測(cè)量傳感器的側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施例：參見圖5—圖8，圖中，1-基體，2-連接孔，3-輸出接頭，4-導(dǎo)線，5-彈性變形環(huán)，6-彎矩測(cè)量晶組。

基于壓電石英晶片彎曲效應(yīng)的彎矩測(cè)量方法，技術(shù)方案是：利用具有彎曲效應(yīng)的壓電石英晶片組成彎矩測(cè)量敏感元件，當(dāng)受到彎矩作用時(shí)，在晶片表面上產(chǎn)生的束縛電荷以光軸為分界線兩半平面上所產(chǎn)生的電量大小相等，符號(hào)相反，并且所施加的彎矩與產(chǎn)生的束縛電荷成線性關(guān)系，進(jìn)而準(zhǔn)確測(cè)出彎矩值；彎矩測(cè)量敏感元件通過分割電極電荷組合法組成彎矩測(cè)量晶組，彎矩測(cè)量晶組產(chǎn)生的輸出電荷經(jīng)過導(dǎo)線由輸出接頭引出體外，通過電荷放大器放大成電壓信號(hào)，再由數(shù)字表或計(jì)算機(jī)記錄結(jié)果。

彎矩測(cè)量晶組包括三片X0切型石英晶片和四片檢測(cè)電極，四片檢測(cè)電極兩兩一組分別夾持在三片石英晶片之間，四片檢測(cè)電極依次標(biāo)注為電極A、電極B、電極C、電極D，當(dāng)僅有軸向力作用時(shí)，在晶片表面產(chǎn)生剪切束縛電荷，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號(hào)相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出為零；當(dāng)僅有彎矩作用時(shí)，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號(hào)相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出，輸出電荷為單電極的兩倍，提高了彎曲測(cè)量晶組的靈敏度。

彎矩測(cè)量晶組通過彈性變形環(huán)安裝在傳感器的基體內(nèi)，基體上設(shè)置有連接孔，便于和結(jié)構(gòu)梁連接，基體上設(shè)置有輸出接頭，輸出接頭內(nèi)端通過導(dǎo)線與彎矩測(cè)量晶組連接。

基于壓電石英晶片彎曲效應(yīng)的彎矩測(cè)量傳感器，包括基體1，基體1上設(shè)置有連接孔2，基體1內(nèi)設(shè)置有兩個(gè)彈性變形環(huán)5，兩個(gè)彈性變形環(huán)5之間設(shè)置有彎矩測(cè)量晶組6，基體1上設(shè)置有輸出接頭3，輸出接頭3內(nèi)端通過導(dǎo)線4與彎矩測(cè)量晶組6連接，輸出接頭3的外端通過電荷放大器放大成電壓信號(hào)，再由數(shù)字表或計(jì)算機(jī)記錄結(jié)果。

基體1為長方形，其四角處分別設(shè)置有連接孔2，彎矩測(cè)量晶組6貼接在彈性變形環(huán)5的內(nèi)腔凸臺(tái)中心上，壓電石英晶片與凸臺(tái)平面相平行的表面對(duì)稱貼上檢測(cè)電極。

使用時(shí)，基體1通過連接孔2和連接件連接到結(jié)構(gòu)梁上，當(dāng)受到一個(gè)彎矩作用時(shí)，夾在彈性變形環(huán)5之間的具有彎曲效應(yīng)的壓電石英晶片同時(shí)受到彎矩的作用，由于該種切型晶體具有彎曲效應(yīng)，所以在晶片表面上產(chǎn)生束縛電荷，并且電荷量與彎矩成正比例關(guān)系，電極產(chǎn)生的電荷通過導(dǎo)線4與輸出接頭3相連，輸出的電荷量經(jīng)過電荷放大器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，由電壓數(shù)字表讀出或通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集。

本發(fā)明采用壓電彎曲效應(yīng)直接測(cè)量彎矩，而不是利用傳統(tǒng)剪切效應(yīng)，剪切力乘力臂的方法計(jì)算彎矩，簡化了中間環(huán)節(jié)，提高了測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。