CN1091251C

CN1091251C - 一种量程设计可变的石英谐振式力传感器

Info

Publication number: CN1091251C
Application number: CN 99122159
Authority: CN
Inventors: 朱惠忠; 王喆垚; 冯冠平
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2002-09-18
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: CN1254832A

Abstract

本发明涉及一种量程设计可变的石英谐振式力传感器，包括弹性体、敏感谐振器、承载杆和紧固螺母。承载杆置于弹性体的上梁上，弹性体为整体的平行双梁结构，六个柔性铰链分别构成上下两个平行梁的弹性支撑，传感器为对称结构，敏感谐振器置于平行梁之间，上梁为双梁并联结构，下梁为单梁结构。通过合理设计柔性铰链的参数，使上梁的支撑刚度系数与下梁及敏感谐振器的刚度系数间取合理的比值，可以实现不同的量程设计要求。

Description

一种量程设计可变的石英谐振式力传感器

本发明涉及一种量程设计可变的石英谐振式力传感器，属于传感器技术领域。

石英谐振式力传感器是利用利用压电石英谐振器作为敏感元件的数字式力传感器。石英晶体谐振器是一个常用的频率元件，与外电路结合组成晶体振荡器，产生稳定的频率信号。当外力作用于谐振器晶片使晶片内部应力状态改变时，将使振荡电路的输出频率发生改变。此即石英晶体谐振器的力敏效应。利用此效应可以制作各种类型的石英谐振式力敏类传感器。这种传感器输出数字量信号，分辨率高、抗干扰能力强、可直接与计算机连接、信号处理简单。

按传感器的结构组成来分，石英谐振式力敏类传感器可分为两种：一种是整体式结构，这种结构形式中，敏感谐振器和周边结构件用同一块石英加工成一体，由于石英材料接近理想弹性，用整体式结构可以获得很高的精度；另一种是组合式结构，除敏感元件外，周边结构件都用弹性较好的金属材料加工而成，由于采用了一些分立部件，材料性能的差异和不同零件间的连接将对传感器的精度产生一定的影响。但由于组合式结构加工方便，制造成本低，因此目前研究石英谐振式力敏类传感器主要还是采用组合式结构。

石英晶体谐振器力敏感元件通常取一定切型和频率的石英谐振器，有着一定的承载能力，当所需的传感器量程与敏感谐振器量程不符时，需要通过结构设计将力分流来达到量程要求。如果设法尽可能地减少结构件数量，将有助于提高传感器的测量精度。

中国专利No.98103030公开了一种通过结构分流达到不同量程要求的石英谐振式力传感器结构，如图1所示。此传感器由一个整体加工的由杆和柔性铰链组成的弹性体和力敏谐振器组成。该传感器为悬臂式，用于测量集中力，使用时，右侧固定在机座上，左侧受力。左侧受力部分(连杆)和由柔性铰链11、12、13、14所连接的两个平行杆组成一个平行四边形，限制承载连杆只能作上下平移；敏感元件2支撑在杠杆5和支撑悬臂4之间；位于柔性铰链17和18之间的拉杆连接杠杆5和承载连杆，载荷通过连杆、拉杆、杠杆传至敏感元件。通过合理设计各个柔性铰链的刚度，可以适应不同量程的需要。但由于杠杆5和支撑悬臂4均为悬臂结构，受力时将发生挠曲，对脆性材料制成的敏感谐振器形成附加弯矩，削弱其强度，因而影响承载能力的进一步提高。

本发明的目的是设计一种量程设计可变的石英谐振式力传感器，使弹性体变形过程中不会对敏感元件产生弯矩作用，因而可有助于提高系统的综合强度和可靠性。

本发明设计的量程设计可变的石英谐振式力传感器，包括弹性体、敏感谐振器、承载杆和紧固螺母。承载杆置于弹性体的上梁上，且位于弹性体的中心线上；弹性体为整体的平行双梁结构，六个柔性铰链分别构成上下两个平行梁的弹性支撑，传感器为对称结构，敏感谐振器置于上下两个平行梁之间且位于两个梁的对称面上；上梁为双梁并联结构，下梁为单梁结构，在下梁的中心处设有工艺螺钉孔。

本发明的特点是：传感器为对称结构，敏感谐振器置于上下两个平行梁之间且位于两个梁的横向对称面上；上梁为双梁并联结构，由对称分布的四个柔性铰链A、B、C、D构成弹性支撑；下梁为单梁结构，由对称分布的两个个柔性铰链E、F构成弹性支撑；外力F沿承载杆的轴线向下作用，通过两个梁和敏感谐振器的对称中心。因此通过合理设计柔性铰链的参数，使上梁的支撑刚度系数与下梁及敏感谐振器的刚度系数间取合理的比值，可以实现不同的量程设计要求。

附图简要说明：

图1是已有技术的结构示意图。

图2是本发明设计的力传感器的结构图示意图。

图3是图2的M-M剖视图。

图4是本发明的等效力学原理图。

图5是敏感谐振器的受力示意图。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。

图1中，1是弹性体，2和3是敏感元件，4是支撑悬臂，5是杠杆，11-18为柔性铰链，图2中，21是弹性体，22是敏感谐振器，23是承载杆，24是紧固螺母，A、B、C、D、E、G是柔性铰链，H、I为传感器固定孔，图3中，J为承载杆插入孔，L为工艺螺钉孔，图5中，25是石英片，26是镀于石英片表面的电极，27为电极引线。

如图2所示，本发明所说的量程设计可变的石英谐振式力传感器由弹性体21、敏感谐振器22、承载杆23和紧固螺母24组成。基本部件是弹性体21和敏感谐振器22，承载杆23和紧固螺母24为附件。弹性体21由整快弹性金属材料加工而成，上下两个平行弹性梁，上梁设计成双梁组合结构，目的是在不提高横向刚度的情况下尽量提高上梁的抗弯截面模量，提高传感器抗横向偏载的能力；下梁为单梁且刚度较小，适应传感器装配过程中的预紧力控制要求。传感器使用时取底面支承，螺钉孔H和I用于传感器的固定；L为工艺螺钉孔，用于安装敏感谐振器时拉开两个梁的间距，便于敏感谐振器的安装。柔性铰链是仪表弹性元件中广泛使用的微位移铰链结构，可以避免摩擦力的出现。本发明的结构中采用了六个柔性铰链来控制上下两个弹性固支梁的横向刚度，在铰链圆弧半径R一定的情况下，弹性梁的横向刚度分别取决于铰链壁厚t和t₁。

敏感谐振器22置于上下两个平行梁之间，柔性铰链A、B、C、构成上梁的弹性支撑，支撑刚度由柔性铰链的厚度t决定；柔性铰链E、G构成下梁的弹性支撑，支撑刚度由柔性铰链的厚度t₁决定；待测力F沿承载杆23的轴线向下作用，通过敏感谐振器22的对称面；由于结构的对称性，敏感谐振器22与弹性体21的上下连接处均不会发生侧弯。记上下梁的弹性支撑刚度系数分别为k₁和k₂，敏感谐振器22的变形刚度系数为k_s，图2所示系统可等效为图4所示的力学系统。

由力学分析可得：敏感元件上的受力F₁和外部所加的力F之间的关系为：

F = (1 + \frac{k_{1}}{k_{2}} + \frac{k_{1}}{k_{s}}) F_{1}

对于特定的敏感谐振器，具有确定的刚度系数k_s和量程F_1m，由上式可得传感器的量程为

由上式可知，传感器的量程总是大于敏感元件的量程。通过合理设计

F_{m} = (1 + \frac{k_{1}}{k_{2}} + \frac{k_{1}}{k_{s}}) F_{1 m}

柔性铰链的参数，使各刚度系数间取合理的比值，可以适应不同的量程设计要求。

使用时，传感器中敏感谐振器的两个引线接入信号电路，通电后可产生稳定的频率信号。当外加力发生变化时，信号电路的输出频率也发生响应的变化；待测力的变化通过电路输出频率的变化准确反映出来。从而实现对外力的测量。

Claims

1、一种量程设计可变的石英谐振式力传感器，包括弹性体、敏感谐振器，其特征在于还包括承载杆和紧固螺母，承载杆置于弹性体的上梁上，且位于弹性体的中心线上；弹性体为整体的平行双梁结构，六个柔性铰链分别构成上下两个平行梁的弹性支撑，传感器为对称结构，敏感谐振器置于上下两个平行梁之间且位于两个梁的对称面上；上梁为双梁并联结构，下梁为单梁结构，在下梁的中心处设有工艺螺钉孔。