專利名稱：石英諧振式力/稱重傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種由柔性鉸鏈構(gòu)成的彈性體結(jié)構(gòu)和石英諧振器組成的石英諧振式力/稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
力傳感器應(yīng)用很廣泛，制造技術(shù)也相對成熟。常見的力傳感器有電阻應(yīng)變式、壓電式、諧振式等幾種，最為成熟且應(yīng)用最廣的是電阻應(yīng)變式。在電子衡器領(lǐng)域也以電阻應(yīng)變式應(yīng)用最為廣泛，諧振式因其穩(wěn)定性好、數(shù)字式輸出、分辨率高而近年有較快的發(fā)展。
電阻應(yīng)變式包括金屬應(yīng)變片式和半導(dǎo)體應(yīng)變式。金屬應(yīng)變式是應(yīng)用歷史最長的一種力傳感器。電阻應(yīng)變式的特點(diǎn)是動態(tài)特性好、結(jié)構(gòu)形式簡單、并且使用方便，因此在稱重、測力等方面都獲得了較為廣泛的應(yīng)用。但這種傳感器要使用膠粘劑粘貼應(yīng)變片，所以存在由膠粘劑引起的蠕變和滯后，并且不適合于批量生產(chǎn)，以及零點(diǎn)、靈敏度漂移等缺點(diǎn)。在與微處理器連接時(shí)，要對輸出的模擬信號進(jìn)行A/D變換，增加了成本，并且降低了傳感器的可靠性和響應(yīng)速度。
諧振式力傳感器主要是振弦式和石英諧振式等幾種。其共同的特點(diǎn)是以周期性的準(zhǔn)數(shù)字信號輸出，經(jīng)過簡單的數(shù)字電路即可轉(zhuǎn)換成微處理器易于接收和處理的頻率數(shù)字信號；有較高的靈敏度、分辨率和穩(wěn)定性；抗干擾能力強(qiáng)，適于長距離傳輸。這類傳感器中除石英諧振式外，其它幾種傳感器都較為復(fù)雜，對制造、裝配和材料的性能要求較高。
石英諧振式力/稱重傳感器最常見的是組合式，利用圓筒式外殼和金屬膜片固定石英諧振器，并把被測力傳遞到石英諧振器上。其優(yōu)點(diǎn)如前面所述，并且成本很低，但主要缺點(diǎn)是組成環(huán)節(jié)較多、裝配較為復(fù)雜，精度不高。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種新型結(jié)構(gòu)的石英諧振式力/稱重傳感器。它是利用石英諧振器諧振頻率對力敏感的力頻效應(yīng)，通過彈性體固定石英諧振器并把被測力傳遞到石英諧振器上，引起石英諧振器的諧振頻率產(chǎn)生相應(yīng)的改變，通過測量諧振頻率的改變量對力或重量進(jìn)行測量。具有組成部件少、誤差環(huán)節(jié)少，裝配簡單；線性好、穩(wěn)定性高、滯后?。活l率量輸出，經(jīng)過簡單的數(shù)字電路處理可以得到適合微處理器處理的數(shù)字信號；功耗低，直流低壓供電等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提出一種石英諧振式力/稱重傳感器，包括測量用的石英諧振器和作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖贾C振器及其電路，其特征在于，還包括一個(gè)平行四邊形框架，該框架的水平兩邊分別設(shè)有兩個(gè)由雙面圓弧組成的柔性鉸鏈，該四個(gè)柔性鉸鏈的中心構(gòu)成該框架的頂點(diǎn)，該框架還設(shè)有兩個(gè)平行的壓梁和支撐梁；所說的參考諧振器置于框架內(nèi)不受力處，所說的測量石英諧振器安裝在所說的兩個(gè)平行梁中間。
上述所說的支撐梁為懸臂梁，其一端與框架柔性或剛性連接，另一端懸空；所說的壓梁可為與所說的支撐梁成反向的懸臂梁，所說的測量石英諧振器安裝在所說的兩個(gè)平行梁中間且位于所說的框架的中點(diǎn)處；所說的壓梁可為雙端固定，一端與框架柔性連接，另一端與框架剛性或柔性連接；所說的壓梁也可分為不在同一水平線上的兩部分，由一個(gè)豎直柔性鉸鏈連接成一體；豎直柔性鉸鏈的位置在平行四邊形框架的中點(diǎn)處；所說的壓梁還可為由框架的一水平邊框構(gòu)成，所說的支撐梁設(shè)于該邊框外側(cè)。
如果采用雙懸臂梁而沒有豎直柔性鉸鏈則將受力的石英諧振器安裝在平行四邊形的中點(diǎn)處。
本發(fā)明所說的諧振器電路可采用常規(guī)的公知電路，在此不再詳述。
本發(fā)明的工作原理結(jié)合

圖1敘述如下圖1中柔性鉸鏈11、12、13、14構(gòu)成彈性體框架1，該四個(gè)柔性鉸鏈的中心位于框架的中點(diǎn)O，柔性鉸鏈的作用是使框架在被測力的作用下產(chǎn)生的撓度與被測力的大小成正比，并且保證傳感器上被測力的方向不變。支撐梁4為懸臂梁EF，壓梁5由AB段和CD段組成，這兩段之間由位于O點(diǎn)的豎直方向的柔性鉸鏈17相連，其A端為剛性連接，D端為柔性連接。測量用的石英諧振器2安裝在懸臂梁EF與壓梁的CD段之間，作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖贾C振器3安裝在壓梁的AB段上。柔性鉸鏈17的作用是消除框架橫向位移對輸出量的影響。當(dāng)框架在被測力的作用下產(chǎn)生豎直方向的撓度時(shí)，B會隨之產(chǎn)生橫向的位移，這會導(dǎo)致C端的橫向位移，從而對傳感器的輸出產(chǎn)生影響，這當(dāng)被測力較大時(shí)影響更加明顯。柔性鉸鏈17對豎直方向的力和位移是剛性的，對橫向的力和位移是柔性的，因此就保證了B點(diǎn)的豎直方向的力和位移能夠被傳遞到C點(diǎn)，而橫向的力和位移被隔離而不能傳遞到C點(diǎn)。柔性鉸鏈15和16的作用是使梁CD和梁EF的撓度與力成正比，保證傳感器的線性。
通過下述設(shè)計(jì)，這種石英諧振式力/稱重傳感器能夠只對力P敏感，而對力矩W不敏感。如果考慮將柔性鉸鏈17在中心O處斷開，則在圖中所示力矩W的作用下柔性鉸鏈12和13右邊的豎直梁將產(chǎn)生向下的撓度和2a的順時(shí)針轉(zhuǎn)角，如圖所示。這樣懸臂梁AB既要隨A點(diǎn)產(chǎn)生向下的位移，又要產(chǎn)生順時(shí)針2a的一個(gè)轉(zhuǎn)角，這就有可能通過恰當(dāng)?shù)剡x擇O點(diǎn)的位置使得O點(diǎn)在這兩個(gè)運(yùn)動的綜合作用下沒有產(chǎn)生任何的位移，即力矩W作用所產(chǎn)生的影響不能通過O點(diǎn)傳遞給CD梁，故傳感器對力矩是不敏感的，此時(shí)O點(diǎn)就是W作用下彈性體的轉(zhuǎn)動中心。在力矩方向與圖中所示反向時(shí)，仍有同樣的結(jié)果。因此當(dāng)這種傳感器作為稱重傳感器使用來制造電子衡器時(shí)，不會產(chǎn)生四角誤差。這是這種傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)之一。經(jīng)過計(jì)算，可以得到當(dāng)O點(diǎn)在傳感器的中心時(shí)，即lAB=12l11,12]]>時(shí)力矩對傳感器的輸出沒有影響，傳感器對力矩不敏感。
彈性體傳遞到石英諧振器上的力與被測力成正比，這個(gè)比例系數(shù)與彈性體和柔性鉸鏈的材料以及幾何尺寸有關(guān)。通過改變彈性體尺寸和柔性鉸鏈的尺寸，可以改變傳感器的靈敏度和量程。例如增大柔性鉸鏈半徑R或減小柔性鉸鏈中心處厚度t，會提高傳感器的靈敏度并降低傳感器的量程，相反，減小柔性鉸鏈的半徑R或增大柔性鉸鏈中心處厚度t會降低傳感器的靈敏度并提高傳感器的量程。
傳感器采用兩個(gè)相同的石英諧振器的差頻作為輸出信號，諧振器2受力而諧振器3不受力，把諧振器2和3的頻率進(jìn)行差頻后得到的頻率作為輸出信號，這樣可以降低信號處理的頻率范圍，并且由于諧振器2和3的特性相同，使干擾因素引起的兩諧振器頻率的共模變化量經(jīng)差頻后抵消，從而使傳感器的零點(diǎn)幾乎不受外界干擾(尤其是溫度的變化)的影響。
石英諧振器力靈敏度的溫度系數(shù)隨外力的作用方向(力的方位角)不同而不同。對于AT切型的石英諧振器，當(dāng)方位角在40°左右時(shí)，力靈敏度的溫度系數(shù)為零。當(dāng)然也可以選用其它切型的石英諧振器。為了提高量程，可以對石英諧振器進(jìn)行切邊。
本發(fā)明的特點(diǎn)是線性好、滯后小、重復(fù)性好；零點(diǎn)與靈敏度不受外界干擾的影響(尤其是溫度)；傳感器對加力點(diǎn)的力敏感而對力矩不敏感，因此當(dāng)用作稱重傳感器制造電子衡器時(shí)無四角誤差；調(diào)整彈性體的結(jié)構(gòu)尺寸可以制造不同量程的傳感器。另外，這種傳感器以頻率為輸出量，適合計(jì)算機(jī)(微處理器)處理，不需要A/D變換；功耗很低，可以用直流低壓供電。
附圖簡要說明圖1為本發(fā)明的實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例二結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的實(shí)施例三結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的實(shí)施例四結(jié)構(gòu)示意圖；本發(fā)明設(shè)計(jì)出四種石英諧振式力/稱重傳感器實(shí)施例結(jié)構(gòu)，如圖1-圖4所示，結(jié)合各圖分別詳細(xì)說明如下實(shí)施例一結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中柔性鉸鏈11、12、13、14構(gòu)成彈性體框架1，該四個(gè)柔性鉸鏈的中心構(gòu)成框架的四個(gè)頂點(diǎn)，支撐梁4為懸臂梁EF，壓梁5由AB段和CD段組成，這兩段之間由位于框架的中點(diǎn)O處的豎直方向的柔性鉸鏈17相連，其A端為剛性連接，D端為柔性連接。測量力用的石英諧振器2安裝在懸臂梁EF與壓梁的CD段之間，作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖贾C振器3安裝在壓梁的AB段上。本實(shí)施例的彈性體框架材料選用40CrNiMo，也可選用彈性較好的其它材料，如40Cr、30CrMnSi、LY12或LC4等。本實(shí)施例中選用的諧振器為AT切型3.579MHz和AT切型8.3MHz兩種。四個(gè)柔性鉸鏈的幾何尺寸相同，為R＝4mm，t＝1mm；l11，12＝60mm，l11，13＝60mm；其量程為20Kq。
實(shí)施例二結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)更為簡潔，柔性鉸鏈11、12、13、14構(gòu)成彈性體框架1，支撐梁4是懸臂梁，其一端與框架剛性連接，另一端懸空；壓梁5是與支撐梁4成反向的懸臂梁，其一端與框架柔性連接。參考諧振器3置于壓梁5的端部，測量石英諧振器2安裝在所說的兩個(gè)平行梁中間。四個(gè)柔性鉸鏈的幾何尺寸相同，為R＝8mm，t＝2mm；l11，12＝60mm，l11，13＝50mm；其量程為60Kq。
實(shí)施例三結(jié)構(gòu)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)的不同之處為支撐梁4是置于框架之外的懸臂梁，其一端與框架柔性連接，框內(nèi)沒有壓梁，而是用框架的一條邊框5作為壓梁。參考諧振器3置于邊框5的中部，測量石英諧振器2安裝在支撐梁4上直接使框架右端壓在石英諧振器上。
實(shí)施例四結(jié)構(gòu)如圖4所示，其結(jié)構(gòu)的不同之處為壓梁5左端與框架柔性連接，右端通過兩個(gè)豎直柔性鉸鏈與框架柔性連接。
權(quán)利要求
1.一種石英諧振式力/稱重傳感器，包括測量用的石英諧振器和作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖贾C振器及其電路，其特征在于，還包括一個(gè)平行四邊形框架，該框架的水平兩邊分別設(shè)有兩個(gè)由雙面圓弧組成的柔性鉸鏈，該四個(gè)柔性鉸鏈的中心構(gòu)成框架的四個(gè)頂點(diǎn)，該框架還設(shè)有兩個(gè)平行的壓梁和支撐梁；所說的參考諧振器置于框架內(nèi)不受力處，所說的測量石英諧振器安裝在所說的兩個(gè)平行梁中間。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所說的支撐梁是懸臂梁，其一端與框架柔性/剛性連接，另一端懸空；所說的壓梁是與所說的支撐梁成反向的懸臂梁，所說的測量石英諧振器安裝在所說的兩個(gè)平行梁中間且位于所說的框架的中點(diǎn)處。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所說的支撐梁是懸臂梁，其一端與框架柔性/剛性連接，另一端懸空；所說的壓梁雙端固定，一端與框架柔性連接，另一端與框架柔性/剛性連接。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，所說的壓梁分為不在同一水平線上的兩部分，由一個(gè)豎直柔性鉸鏈連接成一體；豎直柔性鉸鏈的位置在平行四邊形框架的中點(diǎn)處。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所說的壓梁由框架的一水平邊框構(gòu)成，所說的支撐梁設(shè)于該邊框外側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量儀器技術(shù)領(lǐng)域,包括測量力用的石英諧振器和作為溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖贾C振器,還包括由四個(gè)雙面圓弧組成的柔性鉸鏈構(gòu)成的平行四邊形框架,該框架還設(shè)有兩個(gè)平行的壓梁和支撐梁;參考諧振器置于框架內(nèi)不受力處,測量石英諧振器安裝在兩個(gè)平行梁中間。本發(fā)明具有組成部件少、誤差環(huán)節(jié)少,裝配簡單;線性好、穩(wěn)定性高、滯后小;頻率量輸出,易于微處理器處理;功耗低,直流低壓供電等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01L1/10GK1204051SQ98103030
公開日1999年1月6日 申請日期1998年7月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月17日
發(fā)明者王喆垚, 朱惠忠, 程衛(wèi)東, 董永貴, 馮冠平 申請人:清華大學(xué)