專利名稱：石英諧振式力/稱重傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于測量儀器技術領域，特別涉及一種由柔性鉸鏈構成的彈性體結構和石英諧振器組成的石英諧振式力/稱重傳感器結構設計。
力傳感器應用很廣泛，制造技術也相對成熟。常見的力傳感器有電阻應變式、壓電式、諧振式等幾種，最為成熟且應用最廣的是電阻應變式。在電子衡器領域也以電阻應變式應用最為廣泛，諧振式因其穩定性好、數字式輸出、分辨率高而近年有較快的發展。
電阻應變式包括金屬應變片式和半導體應變式。金屬應變式是應用歷史最長的一種力傳感器。電阻應變式的特點是動態特性好、結構形式簡單、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用。但這種傳感器要使用膠粘劑粘貼應變片，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，以及零點、靈敏度漂移等缺點。在與微處理器連接時，要對輸出的模擬信號進行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。其共同的特點是以周期性的準數字信號輸出，經過簡單的數字電路即可轉換成微處理器易于接收和處理的頻率數字信號；有較高的靈敏度、分辨率和穩定性；抗干擾能力強，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。其優點如前面所述，并且成本很低，但主要缺點是組成環節較多、裝配較為復雜，精度不高。
本發明的目的在于為克服已有技術的不足之處，提供一種新型結構的石英諧振式力/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，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生相應的改變，通過測量諧振頻率的改變量對力或重量進行測量。具有組成部件少、誤差環節少，裝配簡單；線性好、穩定性高、滯后小；頻率量輸出，經過簡單的數字電路處理可以得到適合微處理器處理的數字信號；功耗低，直流低壓供電等優點。
本發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償的參考諧振器及其電路，其特征在于，還包括一個平行四邊形框架，該框架的水平兩邊分別設有兩個由雙面圓弧組成的柔性鉸鏈，該四個柔性鉸鏈的中心構成該框架的頂點，該框架還設有兩個平行的壓梁和支撐梁；所說的參考諧振器置于框架內不受力處，所說的測量石英諧振器安裝在所說的兩個平行梁中間。
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平行梁中間且位于所說的框架的中點處；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處；所說的壓梁還可為由框架的一水平邊框構成，所說的支撐梁設于該邊框外側。
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處。
本發明所說的諧振器電路可采用常規的公知電路，在此不再詳述。
本發明的工作原理結合
圖1敘述如下圖1中柔性鉸鏈11、12、13、14構成彈性體框架1，該四個柔性鉸鏈的中心位于框架的中點O，柔性鉸鏈的作用是使框架在被測力的作用下產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，作為溫度補償的參考諧振器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。當框架在被測力的作用下產生豎直方向的撓度時，B會隨之產生橫向的位移，這會導致C端的橫向位移，從而對傳感器的輸出產生影響，這當被測力較大時影響更加明顯。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點的豎直方向的力和位移能夠被傳遞到C點，而橫向的力和位移被隔離而不能傳遞到C點。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。
通過下述設計，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右邊的豎直梁將產生向下的撓度和2a的順時針轉角，如圖所示。這樣懸臂梁AB既要隨A點產生向下的位移，又要產生順時針2a的一個轉角，這就有可能通過恰當地選擇O點的位置使得O點在這兩個運動的綜合作用下沒有產生任何的位移，即力矩W作用所產生的影響不能通過O點傳遞給CD梁，故傳感器對力矩是不敏感的，此時O點就是W作用下彈性體的轉動中心。在力矩方向與圖中所示反向時，仍有同樣的結果。因此當這種傳感器作為稱重傳感器使用來制造電子衡器時，不會產生四角誤差。這是這種傳感器最大的優點之一。經過計算，可以得到當O點在傳感器的中心時，即lAB=12l11,12]]>時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，這個比例系數與彈性體和柔性鉸鏈的材料以及幾何尺寸有關。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差頻后抵消，從而使傳感器的零點幾乎不受外界干擾(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，當方位角在40°左右時，力靈敏度的溫度系數為零。當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行切邊。
本發明的特點是線性好、滯后小、重復性好；零點與靈敏度不受外界干擾的影響(尤其是溫度)；傳感器對加力點的力敏感而對力矩不敏感，因此當用作稱重傳感器制造電子衡器時無四角誤差；調整彈性體的結構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，適合計算機(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為本發明的實施例一結構示意圖；圖2為本發明的實施例二結構示意圖；圖3為本發明的實施例三結構示意圖；圖4為本發明的實施例四結構示意圖；本發明設計出四種石英諧振式力/稱重傳感器實施例結構，如圖1-圖4所示，結合各圖分別詳細說明如下實施例一結構如圖1所示，圖中柔性鉸鏈11、12、13、14構成彈性體框架1，該四個柔性鉸鏈的中心構成框架的四個頂點，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，作為溫度補償的參考諧振器3安裝在壓梁的AB段上。本實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。
實施例二結構如圖2所示，其結構更為簡潔，柔性鉸鏈11、12、13、14構成彈性體框架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安裝在所說的兩個平行梁中間。四個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。
實施例三結構如圖3所示，其結構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。
實施例四結構如圖4所示，其結構的不同之處為壓梁5左端與框架柔性連接，右端通過兩個豎直柔性鉸鏈與框架柔性連接。
權利要求
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償的參考諧振器及其電路，其特征在于，還包括一個平行四邊形框架，該框架的水平兩邊分別設有兩個由雙面圓弧組成的柔性鉸鏈，該四個柔性鉸鏈的中心構成框架的四個頂點，該框架還設有兩個平行的壓梁和支撐梁；所說的參考諧振器置于框架內不受力處，所說的測量石英諧振器安裝在所說的兩個平行梁中間。
2.如權利要求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平行梁中間且位于所說的框架的中點處。
3.如權利要求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處。
5.如權利要求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成，所說的支撐梁設于該邊框外側。
全文摘要
本發明屬于測量儀器技術領域,包括測量力用的石英諧振器和作為溫度補償的參考諧振器,還包括由四個雙面圓弧組成的柔性鉸鏈構成的平行四邊形框架,該框架還設有兩個平行的壓梁和支撐梁;參考諧振器置于框架內不受力處,測量石英諧振器安裝在兩個平行梁中間。本發明具有組成部件少、誤差環節少,裝配簡單;線性好、穩定性高、滯后小;頻率量輸出,易于微處理器處理;功耗低,直流低壓供電等優點。
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 優先權日1998年7月17日
發明者王喆垚, 朱惠忠, 程衛東, 董永貴, 馮冠平 申請人:清華大學