多维力作用下石英晶体电荷分布规律研究

论文摘要

多维力/力矩测试技术在装备制造领域具有广泛应用,其中六维力传感器作为测控系统最关键的感知环节,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,对六维力传感器的结构尺寸和测试性能均提出了更高要求。但现有的压电式六维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,探索新型的压电式六维力测试方法,开发新形式力敏元件结构的压电式六维力传感器具有较为重要的科学意义。本文综合运用各向异性弹性力学、晶体物理学、电介质物理学、压电理论等多学科领域基本理论,开展基于立方体石英晶块的六维力压电测量原理与技术研究。根据所得的局部面域感生电荷分布规律,研制了一种新型压电式多维力测试装置。通过静态标定实验得到其性能指标,对前文的理论推导进行验证。本文具体研究内容如下:通过运用各向异性弹性力学基本理论,分析了空间多维力作用下特定晶体坐标系立方体石英晶块的应力场分布规律,并运用叠加的方式求得其应力场的解析解。利用Workbench软件对六维力作用下石英晶体的应力场分布进行仿真分析。结合石英晶体压电效应基本理论及张量坐标变换规律,计算出内部的极化电场,得到各面域感生电荷密度与六维力的映射关系式,进而得出等效极化面电荷分布规律。对立方体石英晶块表面面域进行划分,通过求解线性方程组,得到六维力与立方体石英晶块局部区域感生电荷量的映射关系。运用“分区面域输出电荷”的方式,研制了以两个立方体石英晶块作为力敏元件的新型压电式多维力测试装置。通过对该装置进行静态标定实验,得到各维力的标定曲线,计算出非线性误差、重复性误差和向间干扰等静态精度指标并对测试误差进行修正和补偿处理,得到其多数非线性误差和重复性误差均低于3%,多数向间干扰误差均低于5%。理论推导和标定实验均验证了利用立方体石英晶块作为力敏元件可实现除扭矩外空间五维力测量的可行性。本文的研究结果将进一步丰富压电式多维力测试理论,为压电式多维力传感器设计思路的创新打下基础。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘帅

导师: 任宗金

关键词: 石英晶体,压电效应,分区面域,标定实验,六维力测量

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 大连理工大学

分类号: P212

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001653

总页数: 84

文件大小: 6416K

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