压电石英晶片扭转效应理论研究与验证

从各向异性弹性理论和麦克斯韦电磁理论出发,较系统地探讨了圆形压电石英晶片扭转效应理论,得出了扭转应力场与非线性极化电场分布规律,并采用有限元法求得了极化电荷电场在压电片内的分布。根据理论分析,用分割电极法有效地在压电片表面布置了检测电极,理论与试验结果均表明电极检测的极化电荷量与外转矩成线性关系,理论与试验基本符合。这些研究为新型转矩传感器与测力仪的开发奠定了必要的理论基础。

基于压电石英晶片扭转效应的扭矩传感器原理与研制

发明了一种基于压电石英晶片扭转效应的扭矩传感器,介绍了其理论基础、扭转束缚电荷密度分布规律与电极的粘贴方法,以及扭矩传感器性能标定.该传感器同其他石英扭矩传感器相比,突出特点是采用石英晶片的扭转效应而不是通常采用的剪切效应来建构的.整个扭矩晶组仅由3片普通Y0°切型的石英晶片组成,采用分割电极法布置检测电极,晶组的组成方式能够减小或避免径向力和轴向力的横向干扰,同时又能提高传感器的灵敏度.经标定该传感器的技术指标全面达到CIRP-STCC规定的测力仪使用标准.

压电扭转问题中非线性极化分析及电场检测

应用弹性理论、压电理论分析了压电体内的应力状态及由其所导致的非线性极化状态。由于极化梯度的存在 ,不仅在压电体的表面上会产生等效面束缚电荷 ,在压电体内部同时也会有等效体束缚电荷的聚集。以矩形截面石英柱体为例 ,选取级数形式的应力函数 ,采用能量法及根据电场的等效原理推导了由扭转而产生的剪应力和面束缚电荷密度及体束缚电荷密度的解析表达式 ,得到了迥异于线性极化的结果。采用有限元方法计算了束缚电荷产生的电场。建立了机械扭矩同检测电极的输出电量之间的线性关系 。

悬臂梁压电弯曲效应研究与验证

采用各向异性弹性理论和电磁理论计算压电石英悬臂梁的弯曲应力和弯曲束缚电荷密度,并利用有限元方法模拟出极化电场分布。理论分析表明,采用分割电极法在压电梁表面合理布置检测电极可测量弯曲效应。对该悬臂梁压电弯曲效应进行了实验验证,实验结果表明电极检测的电荷量与外力成线性关系,理论分析与实验结果基本一致。悬臂梁压电弯曲效应研究将为新型压电谐振器或执行器的开发奠定理论和实验基础。