按此测试流程的原理进行分析，可将测力仪分为两种，分别是应变式及压电晶体式。

图1.2.2 切削测力系统的构成

1.2.3测力仪分类

(1) 应变式测力仪

应变式测力仪的结构简单，其弹性元件上一般贴有若干数量的电阻应变片，以此形成电桥电路。当切削力作用在弹性原件上并使其形变时，电阻应变片能够感应，电桥会因为电阻阻值变化而失去平衡，引起电压的变化，而输出装置将电压的变化检测出，通过关系式的运算，推算出切削力的数值。

这种测力仪发展历史悠久，因此其相关配套产品都以标准化，因此具备了性能稳定的特点，同时其适应性也非常广泛。但是由于其结构简单，因此在灵敏度和刚度上都差强人意，不能适用于更高精度要求的切削力测量。

(2) 压电式测力仪

压电式测力仪与应变式测力仪最大的不同在于其使用的力传感器是压电晶体。这种压电晶体感应到形变后会产生极化电荷，继而测量极化电荷量，并进行相关转换，即能读出切削力的数值。这种通过应变力而非电场作用，使压电晶体产生极化电荷的现象称之为压电效应。

这种测力仪对动态力的测量，极为优秀，灵敏度高且形变小，是一种理想先进的测力仪，但由于其研究不够深入且成本昂贵，所以适用性不广泛，且维护也非常不方便，而且在静态力的测量上表现不佳。

1.2.4 切削力测量技术的发展趋势

切削加工，发展至今日，已经相当成熟了，目前的发展方向，可以预见的是追求更高速率及精密度的加工，因此必须提升当前系统的固有频率，这就要求切削力测量新系统要有更广的测量范围，更全面强大的分析能力，更高的分辨率及精密度，以及在线实时测量能力。

为了达成这些目标，我们需要做到以下这几点：

(1)针对传感器上的应变片摆放进行改进，对整体结构进行再设计，提高固有频率，减少各个分力之间的干扰度，在刚度和灵敏度的平衡之间，有更好的调节；

(2)使用集成电路及微电子技术电路来构成数据收集部分，提高数据收集分析的准确性和速率。

(3)开发升级数据处理软件，提高算法的测量精度，建立数据库及预警系统，可考虑增加联网云运算的功能，以对特殊情况进行最大限度分析。

1.2.5 传感器的选择

在本次设计研究中，选用石英力传感器。其与传统传感器相比有着很多优点，如灵敏度高、固有频率高、分辨率高、稳定性好、使用性能好等，缺点是价格昂贵，保养维护起来不方便，同时不适应长时间测量静态力。考虑到铣削力多为动态力，且考虑到压电式传感器正逐渐取代电阻式传感器的趋势，故而选用石英压电晶体传感器。

2  传感器设计依据

2.1压电效应的应用形式

压电晶体的一个特性是，若将它应用在测力过程中，当其感应到外力后，会在其表面形成极性电荷，所以输出的密度会发生改变。通过一系列实验，分析研究后发现，其电荷密度的增加与晶体本身受到的力一种呈线性关系，这种将机械效应转换为电效应的特殊效应是压电晶体特有的，被称之为压电效应，也称为正压电效应，此过程反之，则称之为逆压电效应。

与此同时，这种产生电荷的特殊效应的引发，必须是相对其自身受力相同方向，也就是说，并不是任何方向受到力，都能引发压电效应，这也是其一个特性。

由图2.1可知，压电晶体由于其特性，在其应用的过程中，如果不能保证对方向有着精确的规范，或者没有准确的核算就对其加工，很可能会使其不能发挥出原有的功能。只有在加工过程之前，对其进行严格的尺寸角度等参数设置，才能尽可能精准地测出所需的三向力数值，所以压电晶体的外形也要特别设计。