五维力杆式压电天平的研制

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1、犬‘ｉｌ裡大麥ＤＡＬＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士室位论文ＭＡＳＴＥＲＡＬＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮｓ五维力杆式压电天平的研制机械制造及其自动化作者姓名忌救师王福吉教授指２０１５年６月４曰答辩日期＿＿＿硕士学位论文五维力杆式压电天平的研制Ｄｅｖｅ－ｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆｉｖｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｓｔｉｃｋｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｂａｌａｎｃｅ作者姓名：王飞；学科、专业：机械制造及其

2、自动化学号：２１２０４０５９指导教师：王福吉教授完成日期：２０１５年５月大遠理工太摩ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果一同工作的同志对本研究所做的贡献。与我均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若

3、有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：１＾／／ｆｔ￡作者签名：０日期：２０丨欠年６月，丨日大连理工大学硕士学位论文摘要一机动性、可靠性和精确性是新代带动力飞行武器（简称飞行器）的重要特征。飞行器在高速飞行时，，受流场作用其周围非定常，动载荷的大小直接关系飞行器的可靠性和准确性。需在实际应用前对飞行器进行风洞试验，但受试验条件的限制，目前主要一是对定缩尺比下的飞行器模型进行风洞测力试验，可供核心测量设备风洞天平的设计空间非常有限，传统的组合式压电天平已无法

4、满足设计与测量需求。因此，通过开展杆式压电天平高速流场中气动载荷的测量技术研究，实现特定空间内杆式压电天平的合理设计与制作，对飞行器气动载荷的精确测量及飞行器实际应用均有重要意义。，进而得到风洞天平所受载荷情况本文首先对飞行器模型的受力情况进行了分析。，基于石英晶体的压电效应和各向异性弹性理论针对狭小空间内五维力的测量需求，得到多维力作用下晶片的非线性极化电场规律，最终求；并采用分区面域输出电荷的方式得多维力与石英晶片親合感生电荷之间的面域压电方程。同时利用有限元软件中压电效，应模块对压电石英晶片

5、进行建模仿真得到多维力作用下晶片模型的电势和电场分布，最终实现了以石英晶体为力电转换元件的杆式压电天平测量原理的推导。为保证五维气动载荷的准确测量，包括组合晶组（核心测量元件）在内的压电天平的整体结构设计是十分重要的。该天平主要由组合晶组、预紧块、隔热板、晶组支撑台。１１：１和屏蔽罩等组成其中，按天平规范标准确定天平前后端锥度分别为：５和０；为减少温度对天平的影响，在晶组的两侧放置了隔热板；晶组支撑台的设计则是为了实现晶组位置的固定和信号引线的合理放置，；为减少电荷的漂移，在晶组外侧设计了屏蔽罩等

6、以保证天平在高速流场中测量的准确性。奸式压电天平设计完成后，压电元件及其它零部件的精心组装对减小天平各分量之间的干扰也是十分重要的。从石英单片到组合晶组的整个过程中，石英晶组的制作并不是简单的晶片叠加，需对各晶片间的平行度进行检查和修正，确保灵敏度以及平行精度，还有着复杂的制作工艺尽可能高。除此，比如晶片的切割精度，电极片材料与形状的选择，，晶片粘结剂的使用以及胶合工艺等都影响晶组乃至整个天平的测量精度。针对五维力杆式压电天平的静动态特性进行研宄，首先采用逐级加载的方式，对天一平施加静态标准载荷，

7、在不同的静态力作用下天平呈现出定的规律，实现天平的静态，获得相应的重复性误差、非线性误差，标定、准度等静态性能指标；其次为获得杆式一一天平输出信号的跟随性，设计并完成了改变振动频率的激振实验，通过加振装置激振器对杆式压电天平施加不同频率的激振力，求得输出与输入对应关系最后，；为测试－－１五维力杆式压电天平的研制天平对温度的敏感性，通过温漂实验，获得天平各向力的零点漂移情况，即完成了整个天平的性能测试实验。实验结果表明，本文提出的测量方法及压电天平整体结构设计，可有效完成飞行器高速飞行时

8、五维气动载荷的测量。所研制的奸式压电天平各分量的最大非线性误差和重复性误差分别为：１．２８％、１．５３％，准度在４．８％以内，满足了飞行器在高速流场中五维气动力测量的需求。因此，本论文幵展的五维力杆式压电天平的测量技术不仅为集切向力与扭矩测量于一体的晶组的设计和小尺寸多维力压电