專利名稱：一種扭矩測量新方法和傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測試技術(shù)與壓電石英傳感器領(lǐng)域。
工程中常用的扭矩測量方法都是“力乘力臂”法，測量中，力臂R是固定不變的，力臂R與剪切力F相乘得到扭矩Mt，扭矩與剪切力F成線性關(guān)系。若想測量剪切力F，采用壓電石英晶體作為扭矩測量的傳感器，必須要有很多YO°切型石英晶片，均布在以R為半徑的圓周上，在上、下兩塊晶片之間放有電極極片，如附

圖1、附圖2所示。一個(gè)扭矩傳感器所需的晶片往往高達(dá)12～24片，為使各片均勻受力，晶片的高度和上、下接觸面的平面度、粗糙度要求相當(dāng)嚴(yán)格，傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，調(diào)試難度大，成本高。
一種扭矩測量新方法和傳感器，其發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)測量方法測試麻煩、復(fù)雜、精度不高的缺欠，發(fā)明一種新的測量方法和新傳感器使測量操作簡便、成本低、精度提高，測量范圍擴(kuò)大。
一種扭矩測量新方法和傳感器，其扭矩測量新方法采用的技術(shù)方案是1.采用壓電晶體作為測量元件，其特征是1)采用具有“扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”切型的矩形壓電石英晶體，所謂“扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”是指當(dāng)壓電石英晶體表面受到扭矩作用時(shí)，與受扭表面相垂直的四個(gè)平面上會(huì)產(chǎn)生束縛電荷，相對表面產(chǎn)生的電荷同相。并且，所施加的扭矩與產(chǎn)生的束縛電荷成線性關(guān)系。
2)在壓電石英晶體(1)產(chǎn)生束縛電荷的四個(gè)面上布上電極(a)、(b)、(c)、(d)，其中電極(a)、(c)與壓電石英晶體直接接觸，而電極(b)、(d)與壓電石英晶體之間填充有電介質(zhì)絕緣材料層(2)，電極(b)、(d)稱為感應(yīng)電極，如圖3所示。當(dāng)壓電石英晶體受扭矩作用時(shí)，與電極(a)、(c)接觸表面產(chǎn)生正(負(fù))電荷時(shí)，電極(a)、(c)上將有正(負(fù))束縛電荷產(chǎn)生，而感應(yīng)電極(b)、(d)由于經(jīng)中間電介質(zhì)極化轉(zhuǎn)換也產(chǎn)生正(負(fù))束縛電荷；將電極(a)、(c)并聯(lián)，電極(b)、(d)并聯(lián)后，經(jīng)導(dǎo)線(3)分別接入到測試電路中，經(jīng)電荷放大器(4)，將電荷量轉(zhuǎn)換為電壓量，由電壓表(5)讀取數(shù)據(jù)，由輸出端(6)輸出，可測出扭矩大小。
3)測量時(shí)，再將這種布上電極的壓電石英晶體夾緊在上、下兩個(gè)平板(7)、(8)之間，如圖4所示。將下平板(8)固定，在上平板(7)上施加扭矩Mt(如鉆削加工)，就可根據(jù)壓電石英晶體所具有的“扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”直接測出扭矩值的大小。
4)采用“無定心”式方法測量，即測量時(shí)，扭矩的回轉(zhuǎn)中心不必與測量傳感器的中心相一致，或者固定一定的距離，可隨意在工件表面上任意點(diǎn)鉆孔，產(chǎn)生的力矩通過平面移動(dòng)轉(zhuǎn)化到壓電石英傳感器上，與力矩在平面上作用點(diǎn)位置無關(guān)，即使在一個(gè)較大平面上鉆削很多孔，這種方法也可準(zhǔn)確地連續(xù)作業(yè)測量，實(shí)現(xiàn)無定心多孔鉆削扭矩的測量。
2.一種扭矩測量新方法和傳感器，其新傳感器由上蓋、殼體、壓電晶體、電極、導(dǎo)線、輸出接頭等組成，其特征是，具有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)切型的壓電石英晶體(1)貼接在殼體(6)的內(nèi)腔凸臺(tái)中心上，壓電石英晶體與凸臺(tái)平面相垂直的四個(gè)面上有四個(gè)電極(2)、(3)、(4)、(5)，其中電極(2)、(4)直接貼在晶體表面上，而電極(3)、(5)與壓電石英晶體之間填充有電介質(zhì)絕緣層(11)，成為感應(yīng)電極，電極(2)、(4)并聯(lián)，電極(3)、(5)并聯(lián)后，由導(dǎo)線(9)經(jīng)輸出接頭(10)引出體外，絕緣定位環(huán)(7)，貼接在殼體(1)的內(nèi)腔壁上，壓蓋(8)經(jīng)預(yù)載加壓后，用激光焊接在殼體(6)的上面，如附圖5、附圖6所示。
本發(fā)明簡化了測量系統(tǒng)，尤其是對傳感器降低了工藝要求，減少了所需壓電石英晶片的數(shù)量，只需一塊矩形石英晶體；工藝性好，降低了成本，易于調(diào)整，效率高，測量精度高，克服了利用多片YO°切型晶片組合測扭矩的缺點(diǎn)和不足。
附圖1是傳統(tǒng)傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖，其中1—?dú)んw，2—壓電石英晶片，3、4—極片，5—輸出線，Mt—扭矩。
附圖2是傳統(tǒng)傳感器的晶片布置圖。
其中1—?dú)んw，2—壓電石英晶片，R—力臂，F(xiàn)—剪切力。
附圖3是傳感器扭矩測量原理圖，其中1—壓電石英晶體，2—電介質(zhì)，3—導(dǎo)線，4—電荷放大器5—數(shù)字電壓表，6—輸出端，a、c—電極，b、d—感應(yīng)電極，Mt—扭矩。
附圖4是A-A剖視圖，其中1—壓電石英晶體，2—電介質(zhì)，b、d—感應(yīng)電極，7—上平板，8—下平板。
附圖5是新傳感器主剖視圖，附圖6是新傳感器A-A剖視圖，其中1—壓電石英晶體，2、4—電極，3、5—感應(yīng)電極，6—?dú)んw，7—絕緣定位環(huán)，8—上蓋，9—導(dǎo)線，10—輸出接頭，11—電介質(zhì)。
附圖7是采用多個(gè)傳感器扭矩測量示意圖，其中1—鉆頭，2—壓板，3—工件，4—墊塊，5—傳感器，6—預(yù)緊裝置，7—調(diào)整螺栓，8—螺栓。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施，壓電石英晶體的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是本發(fā)明者首先發(fā)現(xiàn)并經(jīng)理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)的。應(yīng)用石英晶體的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，進(jìn)行無定心式測量扭矩的方法和傳感器測量原理如圖3、圖4所示。在圖4中，當(dāng)傳感器的上平板(7)受到一個(gè)扭矩Mt作用時(shí)(扭矩的回轉(zhuǎn)中心不一定與傳感器的中心相一致)，夾在上、下兩個(gè)平板之間的具有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)切型的矩形壓電石英晶體的上下表面同時(shí)受到扭轉(zhuǎn)力矩的作用，由于該種切型晶體具有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，所以在晶體上與扭轉(zhuǎn)力矩所在平面互相垂直的四個(gè)表面上均出現(xiàn)了束縛電荷，其中電極(a)、(c)因直接與晶體接觸，所以極板上的電荷符號(hào)與晶體束縛電荷完全相同，假定為“正”。在電極(b)(d)與晶體表面間加一層絕緣膠層(7)，使電極(b)、(d)產(chǎn)生的束縛電荷也為正。電極(a)和(c)并聯(lián)，b和d并聯(lián)后，經(jīng)導(dǎo)線3輸出，如圖3所示。當(dāng)有扭矩作用在上、下兩個(gè)平板上時(shí)，無論扭矩中心是否與傳感器中心相一致。都可以利用壓電石英晶體的這種扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、準(zhǔn)確測量出扭矩值。若被測平面較大時(shí)，并且孔數(shù)較多，如化工反應(yīng)釜等，則可以在工件下面放置3～4個(gè)同類型扭矩測量傳感器如圖7所示。測量時(shí)，先把傳感器(5)裝在預(yù)緊裝置(6)中(如果采用多個(gè)傳感器應(yīng)將傳感器均勻布置在預(yù)緊裝置中)，調(diào)整調(diào)整螺栓(7)，使傳感器(5)上加有預(yù)載荷。然后將被測工件(3)放在預(yù)載裝置上的墊塊(4)上面；用壓板(2)，螺栓(8)固定好工件，就可以對工件上垂直于傳感器工件臺(tái)面上任一點(diǎn)鉆孔的鉆削扭矩進(jìn)行測量，而不必考慮鉆削中心是否同傳感器同心，實(shí)現(xiàn)“無定心”多孔鉆削連續(xù)作業(yè)測量，這種傳感器還可用于實(shí)時(shí)測控和監(jiān)控系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種扭矩測量新方法和傳感器，其扭矩測量新方法采用壓電晶體作為測量元件，其特征是1)采用具有“扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”切型的矩形壓電石英晶體，所謂“扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”是指當(dāng)壓電石英晶體表面受到扭矩作用時(shí)，與受扭表面相垂直的四個(gè)平面上會(huì)產(chǎn)生束縛電荷，相對表面產(chǎn)生的電荷同相，并且，所施加的扭矩與產(chǎn)生的束縛電荷成線性關(guān)系；2)在壓電石英晶體[1]產(chǎn)生束縛電荷的四個(gè)面上布上電極[a]、[b]、[c]、[d]，其中電極[a]、[c]與壓電石英晶體直接接觸，而電極[b]、[d]與壓電石英晶體之間填充有電介質(zhì)絕緣材料層[2]，電極[b]、[d]稱為感應(yīng)電極；當(dāng)壓電石英晶體受扭矩作用時(shí)，與電極[a]、[c]接觸表面產(chǎn)生正(負(fù))電荷時(shí)，電極[a]、[c]上將有正(負(fù))束縛電荷產(chǎn)生，而感應(yīng)電極[b]、[d]由于經(jīng)中間電介質(zhì)極化轉(zhuǎn)換也產(chǎn)生正(負(fù))束縛電荷；將電極[a]、[c]并聯(lián)，電極[b]、[d]并聯(lián)后，經(jīng)導(dǎo)線[3]分別接入到測試電路中，經(jīng)電荷放大器[4]，將電荷量轉(zhuǎn)換為電壓量，由電壓表[5]讀取數(shù)據(jù)，由輸出端[6]輸出，可測出扭矩大??；3)測量時(shí)，再將這種布上電極的壓電石英晶體夾緊在上、下兩個(gè)平板[7]、[8]之間，將下平板[8]固定，在上平板[7]上施加扭矩(如鉆削加工)，就可根據(jù)壓電石英晶體所具有的“扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”直接測出扭矩值的大??；4)采用“無定心”式方法測量，即測量時(shí)，扭矩的回轉(zhuǎn)中心不必與測量傳感器的中心相一致，或者固定一定的距離，可隨意在工件表面上任意點(diǎn)鉆孔，產(chǎn)生的力矩通過平面移動(dòng)轉(zhuǎn)化到壓電石英傳感器上，與力矩在平面上作用點(diǎn)位置無關(guān)，即使在一個(gè)較大平面上鉆削很多孔，這種方法也可準(zhǔn)確地連續(xù)作業(yè)測量，實(shí)現(xiàn)無定心多孔鉆削扭矩的測量。
2.一種扭矩測量新方法和傳感器，其新傳感器由上蓋、殼體、壓電晶體、電極、導(dǎo)線、輸出接頭等組成，其特征是，具有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)切型的壓電石英晶體[1]貼接在殼體[6]的內(nèi)腔凸臺(tái)中心上，壓電石英晶體與凸臺(tái)平面相垂直的四個(gè)面上有四個(gè)電極[2]、[3]、[4]、[5]，其中電極[2]、[4]直接貼在晶體表面上，而電極[3]、[5]與壓電石英晶體之間填充有電介質(zhì)絕緣層[11]，成為感應(yīng)電極，電極[2]、[4]并聯(lián)，電極[3]、[5]并聯(lián)后，由導(dǎo)線[9]經(jīng)輸出接頭[10]引出體外，絕緣定位環(huán)[7]，貼接在殼體[1]的內(nèi)腔壁上，壓蓋[8]經(jīng)預(yù)載加壓后，用激光焊接在殼體[6]的上面。
全文摘要
一種扭矩測量新方法和傳感器屬于測試技術(shù)與壓電石英傳感器領(lǐng)域。本發(fā)明采用壓電晶體作為測量元件、其新方法采用具有“扭轉(zhuǎn)效應(yīng)”切型的壓電石英晶體，當(dāng)壓電石英晶體表面受到扭矩作用時(shí)，與受扭表面相垂直的四個(gè)平面上會(huì)產(chǎn)生束縛電荷，在產(chǎn)生束縛電荷的石英體四個(gè)面上布上電極a、b、c、d，電極a、c并聯(lián)，b和d并聯(lián)后經(jīng)導(dǎo)線接入到測試電路中，可準(zhǔn)確測出扭矩值。新傳感器由上蓋殼體、壓電晶體、電極、導(dǎo)線、輸出線接頭等組成，扭矩測量新方法和傳感器使操作簡便、精度高、成本低、測量范圍擴(kuò)大。
文檔編號(hào)G01L3/00GK1401978SQ01125608
公開日2003年3月12日 申請日期2001年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月10日
發(fā)明者孫寶元, 吳澗丹, 錢敏 申請人:大連理工大學(xué)