[发明专利]一种自验证的扭矩智能测量方法

摘要

本发明属于六维力测量技术领域，提供了一种自验证的扭矩智能测量方法，能实现对外界扭矩载荷测量结果的干扰误差大小进行判别，以实现扭矩的精确测量的功能。该方法采用均匀分布四片电极输出电荷的方法，通过对同一扭矩载荷信号同时进行两次采样，通过比较同一时间的两个采样值的差值与临界误差的大小，对外部干扰值进行检测，实现对扭矩载荷的自验证智能测量。该测量系统可以将外界随机、偶发的干扰信号产生的误差值控制在一定范围内，可排除测量过程中由于外界干扰信号作用在某一路输出信号中而造成的实测值和真实值之间产生较大偏差，提高测量结果的精确度，能够满足一般精确度要求的扭矩测量要求。

主权项

1.一种自验证的扭矩智能测量方法，其特征在于，步骤如下：选取Y0°切型圆形石英晶片的下端面圆心为原点O，x、y轴在Y0°切型圆形石英晶片内，Y0°切型圆形石英晶片的轴线方向为z轴，建立计算坐标系Oxyz；Y0°切型圆形石英晶片的晶体坐标系为Ox’y’z’，Y0°切型圆形石英晶片的下端面被固定，上端面承受六维力；将Y0°切型圆形石英晶片上表面沿着y轴和x轴进行分割，分为S₁、S₂、S₃和S₄四个面积相等的区域；其测量方法如下：对于Y0°切型圆形石英晶片，当其受到空间三个方向力分量F_x、F_y、F_z和三个力矩分量M_x、M_y、M_z的复合作用时，在Y0°切型圆形石英晶片表面所产生的应力场如式(1)所示：式中，r为Y0°切型圆形石英晶片的半径，I₁、I₂分别为Y0°切型圆形石英晶片截面对x轴和y轴的主惯性矩，对于Y0°切型圆形石英晶片有A为端面面积，且A＝πr²；根据张量坐标变换法则，由晶体坐标系Ox’y’z’中的压电系数矩阵d，计算出在计算坐标系Oxyz中新的压电系数矩阵其中d₁₁＝2.31×10^‑12,d₁₄＝‑0.727×10^‑12,d₃₅＝4.62×10^‑12；Y0°切型圆形石英晶片内部产生的电极化强度为：晶体内部产生的电极化强度在x，y，z方向上的分量分别为：在垂直于z轴的晶面上，由弯曲、扭转产生的等效面束缚电荷密度为：式中，η_z+、η_z‑分别表示Y0°切型圆形石英晶片上、下表面的电荷密度；分别为计算坐标系Oxyz中上下两端面单位法向量；d₃₄为压电系数，且有d₃₄＝4.62×10^‑12C/N；由式(5)看出，对于提取电荷的上截面来说，Y0°切型圆形晶片表面电荷密度以y轴为对称轴对称分布，y轴左、右两侧的电荷密度大小相等，符号相反；采用均匀分布四片电极输出电荷的方法，实现扭矩M_z的测量；即以y轴和x轴为分界线将Y0°切型圆形石英晶片面域划分为4个相等的面域，分别记为S₁、S₂、S₃、S₄，在4个面域各布置一片电极用以提取每个面域内产生的束缚电荷量，分别记为Q₁、Q₂、Q₃和Q₄；取上表面电荷密度η_z+，分别在4个面域内对其进行面积分，整体面域方程：x²+y²≤r²，求得每个面域内的感生电荷量大小，如式(6)所示：由上述计算知，该Y0°切型圆形石英晶片测得的四个电极的电荷量Q₁、Q₂、Q₃和Q₄为单独施加的切向力F_y和扭矩M_z所产生电荷的线性叠加，并通过解耦求得扭矩M_z的大小，即通过Q₁和Q₂解耦求得M_z1，通过Q₃和Q₄解耦求得M_z2，计算结果如式(7)所示：理论上S₁和S₃、S₂和S₄两个区域的电荷分布情况是相同的，分别计算出的两个扭矩值M_z1和M_z2也是相等的，均为实际扭矩M_z的一半，即在实际测试过程中，针对随机、偶发的干扰信号，进行自验证的干扰误差判断，得到相对准确的扭矩测量数值；对同一时刻测得的扭矩载荷信号M_z1和M_z2进行做差比较，差值的绝对值M’即为外界干扰引起的误差值，即M'＝|M_z1‑M_z2|   (9)给定扭矩值的临界误差ε，将误差值与临界误差进行比较，如果外界干扰引起的误差值大于临界误差范围，即M'＞ε   (10)则此次测试结果干扰过大，测量结果不可靠，舍弃此次测量结果；反之，如果M'≤ε   (11)外部干扰的作用很小，忽略，测量结果满足测量精度要求，最终输出的扭矩值为两个采样值之和，即M_z＝M_z1+M_z2   (12)。