CN101287977A - 振动梁传感器中的或者涉及振动梁传感器的改进 - Google Patents
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Abstract
来自振动梁(11)的力被施加到力传感器(10)，激励压电装置(12)引起梁以其共振频率振动，以及测量压电装置(12)测量该频率，该频率表征施加到梁(11)的力。激励和测量压电装置(12)连接于梁(11)的一个末端且互相邻近。
Description
本发明涉及振动梁传感器中的或者涉及振动梁传感器的改进。
振动梁传感器通常被用于测量力。为实现该功能，梁被激励以在梁的机械的共振频率振动。如果由于力的施加，梁中的张力发生变化，那么梁的共振频率将变化，并且这种变化能够被测量并用于确定该施加的力的大小。通常使用的振动的方式是这样的模式，即其中传感器的中心梁以与图中平面垂直的两个外侧梁反相地振动。
迄今为止，梁的激励和检测通过多种途径被执行，例如通过静电的、光学的、电磁的或压电的装置。使用由石英材料制成的梁的非常精确的传感器已经被研发，该梁通过石英材料自身固有的压电特性被驱动和检测。由于石英材料的易碎的特性，该特性可以导致梁的机械故障以及因此产生的传感器的机械故障，使用上述装置就产生了问题。作为这种装置的替代，表面上粘接有压电材料以激励和检测梁的振动的金属梁被应用。然而，已经证明，这种方法制造的传感器不能对于需要高度精确的测量的装置中的内含物有足够精确地操作，例如在精确的称量设备中。
由于以下一个或多个原因，现有的装置也存在其他问题：
a)通过施加到梁的力，粘接(bond)到梁的压电材料的应力能够引起梁的频率读数随时间的不稳定性。
b)在梁的两个末端粘接压电材料，一个末端用于激励梁，而另一个末端用于测量振动的程度。由于压电材料粘合剂和通常用于与压电材料连接具有比单独的梁更低的Q值的导体层的组合，在存在相对高的振幅的振动和张应力的位置布置压电材料可以导致振动的Q(品质因数)减小，这种布置容易遭受由于上述的事实所引起的不可接受的误差。可以理解，传感器的精度需要高的Q。每一个粘接的压电装置上同样需要一条或更多导线来连接该装置与驱动或检测装置。这些导线中的力产生压力作用于梁的末端并与被测量梁上的力组合，以在力的测量值中产生误差。
因此，这些装置容易出现显著水平的误差以至于不能应用于精确的称量传感器中。
本发明的目的是克服与现有布置方式相关联的上述问题，或者至少将其减少到最低限度。
因此，根据本发明，提供了一种力传感器，包括：梁；激励设备，所述激励设备可操作地激励所述梁以在所述梁上产生其共振频率的振动；测量设备，所述测量设备测量所述梁振动的频率，当力被施加到所述梁时，共振频率与当力作用在传感器上时测量的振动的共振频率的差值表征施加的力；其中，所述的激励设备和所述的测量设备朝向其一个末端连接在所述梁并且实质上互相临近。
利用这样的布置有可能避免与现有布置方式相关联的问题，或者至少将其减少到最低限度。
优选地，所述激励设备和所述测量设备包含有合适属性均压电装置。在具体优选的实施方式中，激励设备和测量设备以已知的方式粘接于梁上。可替换地，激励设备和/或测量设备中的一个或两个通过被印刷到所述梁上而被连接到其上。
在一些优选的实施方式中，提供了一个单独的激励设备以及一对测量设备。该对测量设备可以如此布置，它们测量实质上彼此反相的振动信号。这可以通过设置测量设备之一紧邻于振动梁的中间梁，并且另一测量设备紧邻于外侧梁之一而实现，其中振动梁的类型为包括一个中间梁和两个外侧梁。
为了更清楚地理解本发明，下面仅以实施例的方式并参照附图对其进行进一步描述，其中：
图1显示了依据本发明的力传感器的一个具体实施方式；以及
图2显示了依据本发明的力传感器的可替换的具体实施方式。
首先参考图1，力传感器10被设置为振动梁11的形式。振动梁11被设置为其中具有一个中间梁和两个外侧梁的形式。朝向梁11的一个末端装配一对压电装置12，压电装置12按照传统的方式被牢固地粘接到梁11。电导线13被连接到每个压电装置12，并且将装置12连接到外部处理和控制装置(未显示)。
可替换地，能够利用带有两个电极的一个单独的压电装置12，或者可以利用能够在驱动频率和梁的共振频率被检测的设置之间切换的一个单独的压电装置12。
在使用中，第一压电装置12被外部装置激励，并引起梁在其共振频率振动。实质上布置在毗邻该第一压电装置12的第二压电装置12检测梁11的振动频率。
当力被施加到梁11时，梁的共振频率变化，并且如上所述，这种变化表征施加到梁11的力。频率的变化由电连接线13连接于其上的外部的测量和控制装置处理，并且，如果需要的话，由例如施加在梁11上的重力、扭矩或压力产生的被检测的力，能够以任意适当的方式被显示。
可以理解，本发明的布置允许由用于此目的的与已知的振动梁力传感器相关联的问题被克服或至少减少到最低限度。特别地，压电装置12彼此相邻布置，并且在梁11的一个末端，意味着它们处于当梁11振动时产生的应力场的边缘。在这个位置由梁振动产生的应力远小于在梁11的这个末端的应力。这使得测量不会被相对于梁11的理想性质的偏离不适当地影响，直到导致较少的误差的任何显著程度。进一步地，由于两个压电装置12的布置，外部控制装置的连接线彼此相邻，并且因此比现有技术中对以定间距间隔的装置的容纳更为简单。本发明中装置12，以及连接在其上的连接线，对梁11的测量末端的影响也大为减小，而导致测量的准确性的提高。
可以理解，压电装置12彼此相邻布置以及朝向梁11的一个末端不是本领域技术人员通常在振动梁传感器中将考虑到的，因为这将意味着装置12处于由梁振动产生的主应力场之外。这时，一个或多个压电装置12产生的信号小于当它们位于梁11相对的末端时产生的信号的十分之一。将压电装置12布置在梁11上的这一位置也意味着它们被布置以检测和驱动所有三个梁以垂直于图的平面的方式一起运动的方式。这比期望的方式产生更强的信号，并且它只是利用该方式被拒绝的有源的电子的过滤。同样地，由于他们之间的很小的距离，以此种方式布置压电装置12将会导致压电装置12有效地互相驱动并且互相检测，而不是梁11。事实上此种情形不会发生，原因在于这种布置方式下的Q(品质因数)高于传统的布置方式。
现在来看附图2，显示了本发明的一个可选择的实施方式。除了采用三个压电装置12而不是两个，第二实施方式与第一实施方式在其他方面完全相同。在第二实施方式中，与第一实施方式相同地，压电装置12其中之一由外部设备激励并且引起梁以其共振频率振动。实质上临近第一个压电装置12布置的另外两个压电装置12检测梁11的振动频率。通常地，外围的压电装置12之一被用于驱动梁11并且中间的压电装置12和另一个外围的压电装置12被用于检测梁的振动。
用中间的和外围的压电装置12之一来检测梁的振动频率的优势在于由于中间梁与外侧梁反相振动，这些信号通常将会反相。这使得得到一个差动的测量成为可能，这种测量提供一个较为不易受外界影响的信号。另外，差动信号的大小将双倍于每一个压电装置12的单独信号大小。测量此差动信号也有助于通过抑制不想要的频率的方式保证梁11在其正确的基础频率下工作。
当然很容易理解，本发明并不意味着局限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅作为例子而被描述。
Claims (6)
1.一种力传感器，包括：梁；激励设备，所述激励设备可操作地激励所述梁以在所述梁上产生其共振频率的振动；测量设备，所述测量设备测量所述梁振动的频率，当力被施加到所述梁时，共振频率与当力作用在传感器上时测量的振动的共振频率之间的差值表征施加的力；其中，所述的激励设备和所述的测量设备朝向所述梁的一个末端连接到所述梁，并且实质上互相临近。
2.根据权利要求1所述的力传感器，其中，所述测量设备和所述激励设备包括压电装置。
3.根据权利要求1或2所述的力传感器，其中，所述激励设备和所述测量设备被粘接至所述梁。
4.根据权利要求1或2所述的力传感器，其中，所述激励设备和所述测量设备中的一个或两个被印刷到所述梁上。
5.根据上述权利要求中任一项所述的力传感器，其中，提供一个单独的激励设备和一对测量设备。
6.根据权利要求1所述的力传感器，其中，该对测量设备被定位以使得它们测量实质上彼此反相的振动信号。
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