本發(fā)明設計一種彎矩的測量方法和傳感器，特別是涉及一種基于壓電石英晶片彎曲效應的彎矩測量方法及傳感器。

背景技術(shù)：
：

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度和變形，因此精確檢測彎矩對工程應用有重要的意義。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：

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，提供一種設計合理、簡化了中間環(huán)節(jié)、提高了測量精度和準確度的基于壓電石英晶片彎曲效應的彎矩測量方法及傳感器。

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的彎矩測量方法，利用具有彎曲效應的壓電石英晶片組成彎矩測量敏感元件，當受到彎矩作用時，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，進而準確測出彎矩值；所述彎矩測量敏感元件通過分割電極電荷組合法組成彎矩測量晶組，所述彎矩測量晶組產(chǎn)生的輸出電荷經(jīng)過導線由輸出接頭引出體外，通過電荷放大器放大成電壓信號，再由數(shù)字表或計算機記錄結(jié)果。

所述彎矩測量晶組包括三片X0切型石英晶片和四片檢測電極，四片檢測電極兩兩一組分別夾持在三片石英晶片之間，四片檢測電極依次標注為電極A、電極B、電極C、電極D，當僅有軸向力作用時，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)生的電荷符號相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出為零；當僅有彎矩作用時，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號相同，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，提高了彎曲測量晶組的靈敏度。

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

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

所述彎矩測量晶組包括三片X0切型石英晶片和四片檢測電極，四片檢測電極兩兩一組分別夾持在三片石英晶片之間，四片檢測電極依次標注為電極A、電極B、電極C、電極D，當僅有軸向力作用時，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)生的電荷符號相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出為零；當僅有彎矩作用時，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號相同，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，提高了彎曲測量晶組的靈敏度。

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

本發(fā)明的有益效果是：

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

2、本發(fā)明采用分割電極電荷法組建測量晶組，采用電荷法連接檢測電極避免了電壓法測量時要用兩部電荷放大器和一個電壓反相器，外接測量電路的引入必將導致測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彎矩，具有結(jié)構(gòu)簡單、電荷靈敏度翻倍的優(yōu)點。

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，直接測量彎矩，測量精度高，克服了傳統(tǒng)壓電剪切效應測量彎矩的缺點和不足，其適用范圍廣，易于推廣實施，經(jīng)濟效益明顯。

附圖說明：

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

圖2為圖1所示應變片彎矩測量的俯視圖；

圖3為圖1所示應變片彎矩測量的電路原理簡圖；

圖4是現(xiàn)有技術(shù)中壓電力矩測量原理簡圖；

圖5是本發(fā)明彎矩測量晶組受軸向力的極化圖；

圖6是本發(fā)明彎矩測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的彎矩測量傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

圖8是圖7所示基于壓電石英晶片彎曲效應的彎矩測量傳感器的側(cè)視圖。

具體實施方式：

實施例：參見圖5—圖8，圖中，1-基體，2-連接孔，3-輸出接頭，4-導線，5-彈性變形環(huán)，6-彎矩測量晶組。

基于壓電石英晶片彎曲效應的彎矩測量方法，技術(shù)方案是：利用具有彎曲效應的壓電石英晶片組成彎矩測量敏感元件，當受到彎矩作用時，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，進而準確測出彎矩值；彎矩測量敏感元件通過分割電極電荷組合法組成彎矩測量晶組，彎矩測量晶組產(chǎn)生的輸出電荷經(jīng)過導線由輸出接頭引出體外，通過電荷放大器放大成電壓信號，再由數(shù)字表或計算機記錄結(jié)果。

彎矩測量晶組包括三片X0切型石英晶片和四片檢測電極，四片檢測電極兩兩一組分別夾持在三片石英晶片之間，四片檢測電極依次標注為電極A、電極B、電極C、電極D，當僅有軸向力作用時，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)生的電荷符號相同，大小相等，電極A與電極C并聯(lián)后輸出為零；當僅有彎矩作用時，電極A與電極C，電極B與電極D產(chǎn)生的電荷符號相同，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，提高了彎曲測量晶組的靈敏度。

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

基于壓電石英晶片彎曲效應的彎矩測量傳感器，包括基體1，基體1上設置有連接孔2，基體1內(nèi)設置有兩個彈性變形環(huán)5，兩個彈性變形環(huán)5之間設置有彎矩測量晶組6，基體1上設置有輸出接頭3，輸出接頭3內(nèi)端通過導線4與彎矩測量晶組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，再由數(shù)字表或計算機記錄結(jié)果。

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

使用時，基體1通過連接孔2和連接件連接到結(jié)構(gòu)梁上，當受到一個彎矩作用時，夾在彈性變形環(huán)5之間的具有彎曲效應的壓電石英晶片同時受到彎矩的作用，由于該種切型晶體具有彎曲效應，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)換為電壓信號后，由電壓數(shù)字表讀出或通過計算機進行采集。

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

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實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)。