[发明专利]一种利用压电式力传感器测量静态力的方法

说明书

本发明公开了一种利用压电式力传感器测量静态力的方法，它包括以下步骤：1‑建立压电式力传感器测量系统输出电压随时间变化的数学式；2‑确定压电式力传感器测量系统的时间常数τ；3‑确定时间间隔Δt及压电式力传感器测量系统输出电压的衰减阈值Δu_th；4‑判断被测力是稳恒力还是变恒力，若在时间间隔Δt内测量系统输出电压的衰减值Δu不超过衰减阀值Δu_th，则被测力为稳恒力，按u₀输出一个恒定值；若衰减值Δu超过衰减阀值Δu_th，则被测力为变恒力，根据衰减值Δu对测量系统的输出电压补偿后输出。本发明的技术效果是：在不改变压电式力传感器结构的情况下，经补偿克服了压电式力传感器电荷衰减的影响，获得稳定的输出电压，实现利用压电式力传感器对静态力的测量。

技术领域

本发明属于力的测量技术，具体涉及一种利用压电式力传感器实现静态力的测量方法。

背景技术

压电式力传感器是一种利用压电元件的压电效应的进行力测量的传感器。由于其具有结构简单、功耗小、动态特性良好等优点，被广泛应用于动态力的测量。但是，当被测力为静态的或者是频率很低时，压电式力传感器内部的压电元件上产生的电荷会在很短的时间内发生很大的衰减，因此业界认为这类传感器无法直接用于静态力或极低频力的测量。

为了实现压电式力传感器对静态力的测量，在近几十年来，诸多研究人员提出了各种测量方法。目前，运用压电元件测量静态力的研究方法有压电谐振频率测量法，电容测量法，衰减时间测量法等。

压电谐振频率测量法是将压电元件作为电路的谐振器，利用作用在压电元件上的静态力与其等效阻抗的关系，通过检测导纳或谐振频率实现静态力测量。电容测量法的实质是将压电元件看作电容器，通过测量静态力作用下电容的变化实现静态力测量。衰减时间测量法是通过测量压电元件输出信号的衰减时间，一般首先测量压电元件在静态力作用下响应信号的衰减时间常数，然后找到衰减时间与静态力之间的关系实现对静态力的测量。然而，由于压电元件上述电气参数会随着测量环境、被测力大小等发生变化，因此这些方法目前仍然无法实现静态力测量，同时这些方法都需要重新设计压电式力传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种利用压电式力传感器实现测量静态力的方法，它在不改变压电式力传感器结构的情况下，能够克服压电式力传感器在静态力测量中电荷衰减的不利影响，获得稳定的输出电压，准确地测量静态力。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、建立压电式力传感器测量系统输出电压u(t)随时间变化的数学式

式中，u₀为t＝0时压电式力传感器测量系统的输出电压；t为放电时间；R为压电式力传感器测量系统等效绝缘漏电阻；C为压电式力传感器测量系统的等效电容；取压电式力传感器测量系统的时间常数τ＝RC，则有：

步骤2、确定压电式力传感器测量系统的时间常数τ

在压电式力传感器测量系统的使用环境中，对压电式力传感器测量系统的输出电压的测试曲线进行拟合，得到时间常数τ；

步骤3、确定时间间隔Δt及压电式力传感器测量系统的输出电压的衰减阈值Δu_th