CN1010126B - 振动型测力器 - Google Patents

Abstract

在一个振动型测力器中，用于激励振动元件的激励器获得了改善，使输出的激励电流仅取正比于振动元件振动所产生的电动势，而不受激励电流在振动元件上电压降的影响，振动元件产生的电压中的电压降分量被分配激励器的输出电压而预置的失调电压所抵消。如果失调电压被调整为等于振动元件上的电压降，激励器只能够放大电动势分量，从而，振动元件能够有效地被激励，而不考虑振动元件的电阻值和/或机械Q值。

Description

本发明涉及一种振动型测力器，该测力器是从一个施加力负荷而振动的振动元件的适当频率上获得该力的大小。

众所周知，任何固体都可以在某一振动频率上振动，这与施加在该固体上的力有关。例如：一个线性固体施以一拉申张力，可以在该张力垂直方向上，以正比例于该张力平方根的某一振动频率振动。这一现象已广泛用于诸如称重天平，加速度检测器等多种振动型测力器。用于这类测力器的振动元件通常是由石英片、石英棒、振动弦线或音叉构成的。在任何情况下，测力器均设计成使振动元件在一个适当的激励振动元件情况下，使振动元件连续地、无衰减地、稳定地振动。激励装置补给振动元件能量以补偿振动能量的损失。在利用弦线或音叉做为振动元件的情况下，振动的激励方式通常采用以下几种;（1）粘在振动元件上的压电元件，（2）一种与振动元件设置有磁偶合的电磁线圈;或（3）直接馈送激励电流在振动元件上，同时将振动元件置于静磁场中。然而，方式（1）有一个严重的缺点是粘合压电元件的粘合材料可能影响振动，使振动不稳定。而方式（2）把振动元件的材料限制为铁磁性物质。在利用方式（3）的情况下，对振动元件（由导电材料制成）馈送一个激励振动的电流，这一电流与振动元件在磁场中发生振动而产生的电压同步。这种方法只有一个限制，即振动元件必须是导电的。因此，没有如前所述的方式（1）和（2）所包括的那些缺点。但是，这种方式也有一个如下面所描述的问题，即振动元件的电阻大或振动元件的机械Q值低。使用上述方式（3）的现有技术测力器的工作原理结合图1描述如下;

在图1中，一个由金属制成的振动弦线以其上端固定在基体1和其下端加载一个重物4而振动，重物4施加给弦线3一个正比例于重物4重量的张力，如点划线2所示区域是施加静磁场的范围。由运算放大器5和电阻7、8构成一个具有增益为（1+R8/R7）的正增益放大器10其中;R7和R8分别是电阻器7和8的阻值。连结于输出点9和运算放大器5的非反向输入端之间的电阻器6是反馈电阻，通过电阻器6把激励电流从输出端9馈给振动元件。（反馈）电阻器6和放大器10构成振动元件激励电路11，使振动元件连续地、无衰减地、稳定地振动。换句话说，电路11与振动弦线3一起构成一个振荡器。在这种情况下，以容易理解的简单分析方式讲，对振动元件的激励电路11输入的电压等于弦线振动所产生的电动势与激励电流和振动弦线3电阻决定的电压降之间的差。因此，如果振动弦线3的电阻小或者如果由于振动弦线3的高机械Q值，而所要求的激励电流小，则维持整个电路（包括振动弦线3）的振荡条件是没问题的。然而，当振动弦线3不得不用低电导材料制造并且振动弦线3的机械Q值很低时，使该电路稳定地振荡是困难的。虽然有一种使低Q值弦线维持连续振动的方法，例如，在日本特许公开52-69677中提供的方法，但是该方法需要一种复杂的电路结构，用该方法实现预期的良好性能似乎是困难的。

本发明的一个目的是提供一种即使振动元件具有高电阻值和低机械Q值时也能维持其稳定振动的振动型测力器。

本发明的另一个目的是以简单的电路结构构成上述测力器。

根据本发明，振动元件激励电路具有由差分放大器形式构成的放大器，并且包括一个分压器以分配放大器的输出电压来获得一个“失调电压”。该失调电压预先调整使其恰等于由于激励电流在振动元件上的电压降。该失调电压输入至差分放大器的反向输入端，而振动元件上产生的电压输入至同一差分放大器的非反向输入端。因此，从振动元件上产生的整个电压中获得的电压降分量在放大器的输入侧被失调电压所抵消。这样，振动元件激励电路就把与振动元件振动产生的电动势成正比的激励电流供给了振动元件。

从而，本发明提供一种振动型测力器，这种测力器使用的振动元件可以不考虑其电阻值和机械Q值，而能够保持稳定的振动。

结合附图阅读本发明的详细描述可以较好地理解本发明，其中附图包括：

图1表示根据现有技术的振动型测力器的基本电路结构;

图2表示本发明基本实施例的电路结构;

图3表示对基本实施例改进了的第二实施例;

图4和5表示用于本发明的分压器电路的可能的替换方案;

图6、7和8说明振动元件是如何以较高的振动模式振动的;

参考表示本发明的基本实施例的电路组成的图2，一个加载重物4的振动弦线在由点划线2表示的磁场施加范围中振动。在振动弦线3（由导电材料制成的）上产生的电压输入到一个集成运算放大器5的非反向输入端，放大器5与电阻器12、13、14和15共同构成差分放大器10′。放大器10′（做集成运算放大器5）的输出通过反馈电阻6和电阻16做为激励电流反馈到振动元件3，并且同时施加到串联的电阻17和18上，电阻17和18构成分压器，在电阻18上得到失调电压，该失调电压输入到差分放大器10′的反向输入端。振动弦线3产生的合成电压是由弦线振动产生的电动势和由于从差分放大器10′反馈的激励电流在振动元件3上所呈现的电压降的代数和。因此，如果失调电压调整得恰等于包含在振动元件3产生的电压的电压降分量数值，则差分放大器仅输出一个与振动弦线3振动产生的电压成正比的电压。对于以电阻18输出的失调电压的调整可以在电阻16、17、18和6保持不变情况下适当选择电阻18与振动元件电阻的比值来进行。（原则上失调电压是由所有这些电阻确定的）。因此，始终有一个正比于弦线振动所产生的电压的激励电流加至振动弦线3，而不考虑振动元件3的电阻值和由振动弦线3的机械Q值决定的激励电流的大小。

图3表示本发明的第二个实施例，这一实施例提供一个AGC（自动增益控制）电路23，用来把振动弦线3的振动幅度控制在一个恒定的数值上。在这个实施例中，差分放大器10的输出电压不反馈到其输入侧，而是输入到包括在AGC电路23中的一个差分放大器19的非反向输入端。放大器19的输出电压被整流为直流电压，然后输入到另外的差分放大器20的反向输入端，放大器20的非反向输入端被施加了一个取自齐纳二极管22的恒定直流电压。放大器20的输出电压控制一个场效应晶体管（FET）21的栅极，场效应管的漏极直接连到差分放大器19的反向端，和经过一个电阻连到同一差分放大器的输出端，差分放大器19的输出端的激励电流经过反馈电阻6施加到振动弦线3上，弦线3振动的幅度增加（或减少）导致差分放大器19的输出电压减少（或增加），使振动的幅度回到原来的数值。

在上述的两个实施例中，电阻18最好由一个可变电阻构成，以便对于振动弦线3的机械Q值的可能的微小变化，也能够精确调整失调电压。

此外，用于得到失调电压的由电阻17和18构成的分压器，自然可以由如图4所示的电容代替，或如图5所示的由电感代替。

图6、7和8示意性地说明使振动弦线3以高于基本模式的振动模式振动的方法，在这些图中，圈起来的区域2a、2b、2c和2d规定了施加磁场方向彼此相反的范围，较高的模式振动降低了对外界系统的振动能量的耗散，从而提高了设备的性能。

Claims (1)

1、通过测量在因加有一个力而振动的一个振动元件的振动频率而得到该力的大小的一种振动型测力器，其特征在于：

一个在待测力的负载下振动的振动元件，该振动元件由导电材料制成，

一个由第一串联电路和第二串联电路组成的电桥电路，上述的第一串联电路由一个电阻器和上述振动元件串联而成，上述的第二串联电路由一个第一阻抗元件和一个第二阻抗元件串联而成，上述的电阻器和振动元件的电阻值相同，上述的第一、第二阻抗元件的阻抗也彼此相同，

一个放大器，用于放大上述的振动元件上建立的电压与上述的第二阻抗元件上建立的电压之差，

一个自动增益控制电路，上述的放大器的输出通过该电路反馈至上述的电桥电路使之激励，从而使上述的振动元件能以恒定的幅度连续振动，上述的自动增益控制电路与上述的放大器和电桥电路构成一个电子振荡电路。

Images