CN103207057B - 一种压电式舵面铰链力矩测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种压电式舵面铰链力矩测量装置属于压电式传感器领域，特别涉及一种压电式舵面铰链力矩测量装置。测量装置采用具有双电极结构的压电石英晶组，并将X0切型的压电石英晶组集成到机翼内部。该测量装置由舵面、轴、螺钉、机体、右盖板、预紧螺栓、具有双电极结构的X0切型的石英单元晶组、导线，固定螺栓和左盖板组成。X0切型的石英单元晶组由上下两片X0切型的石英晶片、前后两片相同形状的半环形引出电极和上下两片形状相同的接地电极组成。测量装置结构简单、工艺性好、稳定性好，使用方便，稳定性好、尺寸较小。本发明可应用于空气动力学风洞实验研究与飞行器研制场合，在航空航天、国防军工领域有较多的应用。
Description
技术领域
本发明属于压电式传感器领域，特别涉及一种压电式舵面铰链力矩测量装置，装置可应用于空气动力学风洞实验研究与飞行器研制场合，在航空航天、国防军工领域有较多的应用。
背景技术
在传统的舵面铰链力矩测量领域中，一般采用应变片的应变式铰链力矩测量装置在风洞中进行实测。应变式舵面铰链力矩测量装置是利用特定材料在变形过程中所发生的物理性变化如电阻等为基础制成的，具有质量轻、响应快、体积较小等优势。由于应变片具有结构简单、布片灵活、灵敏度高、稳定性好等特点，采用应变片的各类传感器得到了广泛的应用。由于它必须具有一定的形变，通常是几十到两万微应变，敏感材料才能产生物理性效应，所以应变式传感器一般刚度较低，常用于模型的静态测力。在动态力测量中，如果力传感器的动态性能不理想,就无法快速、无失真的再现力值信号随时间变化的规律,这将带来较大的测量误差。此外，应变式测量装置适于布置在舵片与机翼的连接处，容易破坏舵片与机翼之间的刚性连接，造成风洞实验时附加的变形较大，给测量结果带来较大的误差。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，解决当前风洞实验中存在的舵面铰链力矩测量的难题，而发明一种压电式舵面铰链力矩测量装置。压电式舵面铰链力矩测量装置利用X0切型的石英晶组在法向力和转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用双电极布置，实现气动力和力矩的测量。该种方法有效减小了舵面铰链力矩测量装置的尺寸，极大提高了舵面铰链力矩测量装置的刚度。
本发明所采用的技术方案是：一种压电式舵面铰链力矩测量装置采用具有双电极结构的压电石英晶组，并将X0切型的压电石英晶组集成到机翼内部；测量装置由舵面1、轴2、螺钉3、机体4、右盖板5、预紧螺栓6、具有双电极结构的X0切型的石英单元晶组7、前、后引出电极引出端导线81、82、固定螺栓9和左盖板10组成；X0切型的石英单元晶组7由上、下两片X0切型的石英晶片122、121，前、后两片相同形状的半环形引出电极111、112和上、下两片形状相同的接地电极132、131组成；下接地电极131粘在X0切型的石英晶片121输出电荷为“+”的一面上，前引出电极111粘在X0切型的石英晶片121输出电荷为“-”的一面上的上半部分上，后引出电极112粘在X0切型的石英晶片121的下半部分，X0切型的石英晶片122输出电荷为“-”的一面粘在前、后半环形引出电极111、112上，上接地电极132粘在X0切型的石英晶片122输出电荷为“+”的一面上；前、后引出电极引出端导线81、82分别焊在前、后半环形引出电极111、112的引出端K1、K2处；右盖板5的凸台G放入舵面凹槽A内，轴2穿过右盖板5与舵面1的孔；机体4的上表面是流线型，机体4的后部铣有舵面凹槽A，机体4的底部铣有方形槽B和长方形槽D，方槽B上钻有一个预紧螺纹孔C，X0切型的石英单元晶组7置于方形槽B内，导线81、82从长方形凹槽D引出，右盖板5的环形槽H与X0切型的石英单元晶组7接触，X0切型的石英单元晶组7与右盖板5通过预紧螺栓6固定在机体4上；左盖板10通过固定螺栓9固定在机体4上。
本发明的显著效果是：发明的一种压电式舵面铰链力矩测量装置，通过将压电石英晶组集成到机翼内部，而不必占用舵面与机翼之间的狭小的连接空间，同时确保了机翼与舵片的刚性连接；通过采用具有双电极结构的压电石英晶组，减小了电极间相互干扰，保证了压电石英晶片产生的电荷损失最小；通过测量集成在结构内部的压电石英晶体产生的电荷来实现力的测量。提高了铰链力矩测量装置的刚度。
附图说明
图1为压电式舵面铰链力矩测量装置立体图，图2为压电式舵面铰链力矩测量装置装配图，图3为X0切型的石英单元晶组零件结构图，图4为图3X0切型的石英单元晶组的A-A向视图，图5为舵面盖板组合体结构图，图6为图5舵面盖板组合体的B-B向视图，图7为机体零件结构图。其中：1—舵面，2—轴，3—螺钉，4—机体，5—右盖板，6—预紧螺栓，7—X0切型的石英单元晶组，81—前引出电极引出端导线、82—后引出电极引出端导线，9—固定螺栓，10—左盖板，111—前半环形引出电极，112—后半环形引出电极，121—下X0切型的石英晶片，122—上X0切型的石英晶片，131—下接地电极，132—上接地电极。A—舵面凹槽，B—方形凹槽，C—预紧螺纹，D—长方形凹槽，E—固定螺纹孔，G—凸台，H—环形凹槽，K1—前引出电极引出端，K2—后引出电极引出端。
具体实施方式
结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示。压电式舵面铰链力矩测量装置的核心是压电石英晶组，本发明采用压电石英晶组与机翼的集成的方式，来提高了测量装置的刚度，采用双电极布置方式，实现气动力和力矩的测量。
制作压电石英晶组时，将下接地电极131涂胶粘在X0切型的石英晶片121输出电荷为“+”的一面上，在X0切型的石英晶片121输出电荷为“-”的一面上涂胶，在其上半部分粘上半环形引出电极111，下半部分粘上半环形引出电极112，在前、后引出电极111、112上涂胶粘在X0切型的石英晶片122输出电荷为“-”的一面上，再将上接地电极132涂胶粘在X0切型的石英晶片122输出电荷为“+”的一面上，前、后引出电极引出端导线81、82分别焊在前、后半环形引出电极111、112的引出端K1、K2处。将X0切型的石英单元晶组7安装在机体4的方形凹槽B处，前、后引出电极引出端导线81、82从长方形凹槽D中引出；安装舵面1时，将舵面1上有凸台G的一面向上，使轴2穿过右盖板5的孔J与舵面1上的孔，轴2与右盖板5的孔J的配合为过盈配合，当舵面1调整到一定角度后，使用螺钉3固定舵面1。将装配好的右盖板5的环形凹槽H对准X0切型的石英单元晶组7，使用预紧螺栓6连接右盖板5、X0切型的石英单元晶组7和机体4，并对X0切型的石英单元晶组7施加一定的预紧力。安装左盖板10时，将左盖板10的孔对准机体4的孔E，用固定螺栓9固定左盖板10与机体4。
在测量过程中，先将舵面1调整一定角度，拧紧螺钉3，将压电式舵面铰链力矩测量装置固定住，压电式舵面铰链力矩测量装置引出的导线外接到电荷放大器上，电荷放大器与上位机相连。应用上位机的数据采集软件实时采集实验数据。对舵面1施加一定的力与力矩，力和力矩通过轴2传递到右盖板5上，由于预紧螺钉6的预紧作用，X0切型的石英单元晶组7受到压力和力矩的作用，X0切型的石英晶片121、122上下两表面产生电荷，电信号通过导线传到电荷放大器，电信号被上位机的数据采集软件实时记录。
为了测试压电式舵面铰链力矩测量装置的静态性能，对压电式舵面铰链力矩测量装置进行了标定实验。标定系统采用加载台为晶组施加静态力，使用电荷放大器放大压电石英晶组产生的电信号，传感器的输出电压在上位机中实时显示。采用的测力环的标准力量程为200N。
表1是传感器静态标定时，力标定的实验数据。其中，U1，U2分别表示两个传感器的输出电压，U表示U1，U2的数值和。从实验结果可以看出，传感器的力输入与电压输出有良好的线性关系。
表1 力标定实验数据
表2是传感器静态标定时，力矩标定的实验数据。其中，U1，U2分别表示两个传感器的输出电压，SumU表示U1，U2的绝对值的和。从实验结果看出，对晶组施加一定的预紧力后，两个传感器的受力相反。
表2 力矩标定实验数据
为了评价本文发明的静态指标，运用力矩标定实验数据，计算传感器的线性度和重复性。最后，计算得出传感器的线性度和重复性分别为0.35%和0.74%。对于压电式传感器的线性误差和重复性误差的要求一般为±1%之间，本发明的传感器线性度和重复性良好。
一种压电式舵面铰链力矩测量装置具有较好的线性度和重复性，而且刚度高，使用方便，稳定性好、尺寸较小，可广泛用于航空航天、国防军工等领域中。
Claims (1)
1.一种压电式舵面铰链力矩测量装置，其特征是，测量装置采用具有双电极结构的X0切型的石英单元晶组，并将X0切型的石英单元晶组集成到机翼内部；测量装置由舵面(1)、轴(2)、螺钉(3)、机体(4)、右盖板(5)、预紧螺栓(6)、具有双电极结构的X0切型的石英单元晶组(7)、前、后引出电极引出端导线(81、82)、固定螺栓(9)和左盖板(10)组成；X0切型的石英单元晶组(7)由上、下两片X0切型的石英晶片(122、121)、前、后两片相同形状的半环形引出电极(111、112)和上、下两片形状相同的接地电极(132、131)组成；下接地电极(131)粘在下X0切型的石英晶片(121)输出电荷为“+”的一面上，前引出电极(111)粘在下X0切型的石英晶片(121)输出电荷为“-”的一面上的上半部分上，后引出电极(112)粘在下X0切型的石英晶片(121)的下半部分，上X0切型的石英晶片(122)输出电荷为“-”的一面粘在前、后半环形引出电极(111、112)上，上接地电极(132)粘在上X0切型的石英晶片(122)输出电荷为“+”的一面上；前、后引出电极引出端导线(81、82)分别焊在前、后半环形引出电极(111、112)的引出端(K1、K2)处；右盖板(5)的凸台(G)装在舵面凹槽(A)内，轴(2)装在右盖板(5)与舵面(1)的孔中；机体(4)的上表面是流线型，机体(4)的后部铣有舵面凹槽(A)，机体(4)的底部铣有方形凹槽(B)和长方形凹槽(D)，方形凹槽(B)上钻有一个预紧螺纹孔(C)，X0切型的石英单元晶组(7)置于方形凹槽(B)内，前、后引出电极引出端导线(81、82)从长方形凹槽(D)中引出，X0切型的石英单元晶组(7)安装在右盖板(5)的环形槽(H)中，X0切型的石英单元晶组(7)与右盖板(5)通过预紧螺栓(6)固定在机体(4)上；左盖板(10)通过固定螺栓(9)固定在机体(4)上。
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