多维力作用下石英晶片面域感生电荷分布规律与应用基础研究

Base on the previous research achievements of piezoelectric effect, the traditional research approach is improved on the law of whole charges output under one-dimensional forces/torques acting on the quartz crystal. Through studying the distribution law of induced charges of quartz crystal film acting under multi-dimensional forces/torques, build the mapping relation and surface-region piezoelectric equation between the charges density of quartz crystal film and the multi-dimensional forces/torques under its action. Attempt to use the method of charge acquisition in divided-region of the film to apply the design of the group of piezoelectric quartz crystal for measuring multi-dimensional or six-dimensional forces. Promote the innovation of piezoelectric sensor design and enrich the piezoelectric testing theory. Research on the decoupling mechanism and method by design and arrangement of divided-region in the crystal film. Solve the technology problems of design and manufacture of multi-dimensional quartz crystal group. Change the simplex type of multi-sensor arranging for measuring multi-dimensional forces and decrease the dimension of the piezoelectric measurement system. Develop the application field and the usage range of the piezoelectric measurement system. To satisfy the needs of dynamic force measurement in important industry, research the pole balance model basing on the multi-dimensional piezoelectric quartz crystal films group. Static and dynamic calibration are had to verify the characteristic. The research achievements of this project can enrich the piezoelectric theory, and satisfy the requirements of the dynamic measuring in mechanical processing and aerospace.

基于传统压电效应的研究基础，突破单纯发掘单维力作用下石英晶体电荷整体输出规律的常规思路，开展多维力作用下单石英晶片面域感生电荷分布规律研究，建立多维力作用下的单石英晶片面域电荷密度与多维力系之间的映射关系和面域压电方程，探索利用分区域电荷采集的方法实现多维/六维力压电石英晶组设计，促进新型多维压电式传感器的设计理论创新，丰富压电测试理论。研究并探索基于晶片面域分区设计和布置的电荷耦合输出的解耦机理与方法，攻克多维石英晶组设计制作工艺难题，改变当前压电式多维力测量采用多组传感器空间布置方式的单一局面，有效减小多维压电测试系统的尺寸规模，拓展压电石英多维力测量的应用领域和范围。面向重点行业多维力动态测试需求，研制基于多维压电石英晶组的杆式天平模型，并对该天平进行静态和动态标定，全面考核其性能指标。本项目的研究成果可充实压电效应理论，更多的满足机械加工、航空航天等领域多维动态力测量的应用需求。

项目背景.六维力及力矢量动态测量在航空航天等领域的需求越来越多。目前的测量方法主要是基于压电式三向力传感器在空间多点布置，通常体积比较大；随着高超声速技术的不断发展，被测对象越来越小，安放测量装置的空间极其有限，有必要通过研究多维力作用下压电晶片面域电荷密度分布规律的方法，实现多维力及力矢量动态测量装置的小型化。.研究内容.多维力作用下单石英晶片面域感生电荷分布规律.利用压电晶体束缚电荷不会移动的特点，研究多维力作用下石英晶片面域电荷密度的变化规律，推导基于石英晶片面域电荷密度与多维力系之间的复合压电方程，建立多维力作用下面域电荷输出的数学计算模型。.多维力与区域电荷输出的数学映射关系.根据石英晶片面域内电荷密度分布表达式，利用数值积分的方法研究一定形状组成的区域的电荷量与多维力作用的耦合输出方程，尝试采用区域相似法和对称布置法实现不同维间电荷耦合输出的解耦。优化区域位置和形状选取，使用多区域电荷叠加自补偿的方法，建立多维力与多区域电荷输出之间的数学映射关系。.多区域电荷拾取方法与影响因素研究.分析晶片面域内各电极之间的相互影响，采用电极中心点或中心线微布胶工艺，实现各电极与晶片之间的紧密导电粘合，同时保证导电胶之间、各电极之间无接触。.多维/六维压电石英晶组及多维压电式杆式天平设计及技术.基于单晶片多电极布置的思路，研究多电极布置工艺和方法，考察两片对装的方式对多电极布置的影响；利用前面所研究的多维压电石英晶组，解决天平设计过程中的工艺问题，研发多维压电式杆式天平模型。.重要结果.推导并得到了多维力作用下石英晶片上应力分布数学表达式，建立了多维力作用下晶片面域内电荷密度分布数学模型，获取了多维力与区域电荷输出的数学映射关系。结果表明：通过电极形状对称和布置位置对称，可实现电荷耦合输出的解耦。.研究了晶片面域内小电极的布置和定位方法，通过设计专用的夹具装置，设计并制作了一种六分量压电石英晶组，并且试制了一种六分量压电杆式天平，并对该石英晶组和六分量天平进行了性能标定，能够满足使用要求。.关键数据.所研制天平，升力线性0.55%，重复性0.68%；侧力线性0.41%，重复性0.52%；阻力线性2.40%，重复性2.50%；俯仰线性0.06%，重复性0.38%；偏航，线性0.12%，重复性0.30%；滚转线性0.53%，重复性0.86%。