CN109631741A - 一种高精度补偿的谐振式应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高精度补偿的谐振式应变传感器，包括：传感器部分和补偿电路部分，所述传感器部分包括感压膜片、非感压区、谐振工作梁、第一谐振补偿梁、第二谐振补偿梁，所述感压膜片位于整个传感器部分的中央，所述非感压区位于感压膜片的周边，所述感压膜片的周边固支在非感压区的内壁上，所述谐振工作梁的两端固支在所述感压膜片上表面中心处，所述第一谐振补偿梁和第二谐振补偿梁对称固支在所述谐振工作梁的两侧。本发明极大的减少了误差，提高了精确度。

Description

一种高精度补偿的谐振式应变传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种高精度补偿的谐振式应变传感器。

背景技术

谐振式应变传感器主要通过外加压力的变化转换为对应谐振频率的变化，然后通过频率与压力的关系得出应变力，谐振频率不论采取静电激励或者电磁激励，还是其他激励方式，都不可避免的因为温度等环境因素的变化，引起敏感元件谐振频率的变换，从而引起测量误差，目前，有的应变传感器只设置了温度补偿，但是温度补偿智能消除温度变化引起的测量，专利公开号为CN101281071B的专利中提出了采用双谐振梁的结构来消除其他环境因素影响引起的测量误差，但是，该技术方案中存在的问题是，必须保证补偿梁和工作梁的各种相关参数完全一致，才能达到最佳的补偿效果，但是实际情况中不可能完全保证一致，还是会有误差，无法保证精确。

因此本发明设计了一种高精度补偿的谐振式应变传感器，设计了两个谐振补偿梁，先计算两个谐振补偿梁的谐振频率的平均值，平均值会更加精确，但是还是难免避免误差，因此再设计一个差分运算放大电路，将差分运算放大电路与谐振工作量和谐振补偿梁之间形成闭环反馈结构，极大的减少了误差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种高精度补偿的谐振式应变传感器，极大的减少了误差，提高了精确度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，包括：传感器部分和补偿电路部分，所述传感器部分包括感压膜片、非感压区、谐振工作梁、第一谐振补偿梁、第二谐振补偿梁，所述感压膜片位于整个传感器部分的中央，所述非感压区位于感压膜片的周边，所述感压膜片的周边固支在非感压区的内壁上，所述谐振工作梁的两端固支在所述感压膜片上表面中心处，所述第一谐振补偿梁和第二谐振补偿梁对称固支在所述谐振工作梁的两侧，并位于非感压区上，所述第一谐振补偿梁和第二谐振补偿梁与所述谐振工作梁平行且几何尺寸大小一致；

所述补偿电路部分包括计算第一谐振补偿梁第二谐振补偿梁的谐振频率平均值的运算单元和计算所述平均值与谐振工作梁的谐振频率之间的差分电路单元。

进一步，所述感压膜片为圆形膜片。

进一步，所述感压膜片、非感压区、谐振工作梁和第一谐振补偿梁、第二谐振补偿梁所采用的材质均相同。

进一步，所述感压膜片、非感压区、谐振工作梁和第一谐振补偿梁、第二谐振补偿梁所采用的材质为单晶硅。

进一步，所述谐振工作梁与感压膜片之间设有绝缘二氧化硅层，所述第一谐振补偿梁和第二谐振补偿梁与非感压区之间也设有绝缘二氧化硅层。

进一步，所述谐振工作梁的一端连接有第一激励电极，另一端连接有第一检测电极，以固定支撑所述谐振工作梁实现电学引出，所述第一谐振补偿梁的一端连接有第二激励电极，另一端连接有第二检测电极，以固定支撑所述第一谐振补偿梁实现电学引出，所述第二谐振补偿梁的一端连接有第三激励电极，另一端连接有第三检测电极，以固定支撑所述第二谐振补偿梁实现电学引出。

进一步，所述计算第一谐振补偿梁第二谐振补偿梁的谐振频率平均值的运算单元包括第一电阻至第七电阻、反相运算放大器、衰减运算放大器，所述第一电阻的一端连接所述第二检测电极，所述第一电阻的另一端分别连接所述第三电阻的一端和反相运算放大器的反相输入端，所述第二电阻的一端连接所述第三检测电极，所述第二电阻的另一端连接所述反相运算放大器的反相输入端，所述反相运算放大器的正相输入端串联第六电阻后接地，所述第三电阻的另一端连接反相运算放大器的输出端，所述反相运算放大器的输出端串联第四电阻后连接至衰减运算放大器的反相输入端，所述衰减运算放大器的正相输入端串联第七电阻后接地，所述衰减运算放大器的反相输入端与输出端之间串联第五电阻。

进一步，所述差分电路单元包括差分运算器、滤波电路、模拟示波器、A/D转换模块、DC/DC隔离器、处理器、显示模块、线性电源、12V直流电压、D/A转换模块、基准电压、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电容、第二电容、第三电容，所述第一检测电极分别连接所述第一电容的一端和第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端接地，所述第一电容的另一端连接至差分运算器的反相输入端，所述衰减运算放大器的输出端分别连接所述第二电容的一端和第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端接地，所述第二电容的另一端连接所述差分运算器的正相输入端，所述第十电阻并接在差分运算器的反相输入端和输出端之间，所述差分运算器的输出端依次串联连接所述滤波电路、模拟示波器、A/D转换模块、DC/DC隔离器、处理器、D/A转换模块、第三电容，所述第三电容连接所述第一激励电极，其中，所述处理器的输出端还连接所述显示模块，所述12V直流电压为所述显示模块提供工作电压，所述基准电压为所述DC/DC隔离器和D/A转换模块提供基准电压，所述线性电源为所述处理器提供工作电压，其中，所述DC/DC隔离器由电压隔离和信号隔离组成。

进一步，所述处理器采用S3C2410处理器，所述显示器是2.8寸TFTLCD液晶显示器，所述A/D转换模块采用16位的ADS8319模数转换器，所述DC/DC隔离器是型号为ADUM5000的DC/DC隔离器，所述D/A转换模块采用16位的DAC8531数模转换器，所述线性电源是LD0线性电源，所述滤波电路是带通滤波电路。

进一步，所述第一激励电极、第二激励电极和第三激励电极分别连接同一激励元件，采用相同的激励方式。

本发明的优点在于：本发明设计了两个谐振补偿梁，先计算两个谐振补偿梁的谐振频率的平均值，相较于现有技术的一个补偿梁，两个补偿梁的平均值会更加精确，再设计一个差分运算放大电路，将差分运算放大电路与谐振工作量和谐振补偿梁之间形成闭环反馈结构，极大的减少了误差，提高了精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种高精度补偿的谐振式应变传感器的工作结构图。

其中：1、非感压区；2、感压膜片；3、谐振工作梁；4、第一谐振补偿梁；5、第二谐振补偿梁；6、第一激励电极；7、第一检测电极；8、第二激励电极；9、第二检测电极；10、第三激励电极；11、第三检测电极；12、滤波电路；13、模拟示波器；14、处理器；15、D/A转换模块；16、基准电压；17、A/D转换模块；18、电压隔离；19、信号隔离；20、线性电源；21、显示模块；22、12V直流电压。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，一种高精度补偿的谐振式应变传感器，包括：传感器部分和补偿电路部分，所述传感器部分包括感压膜片2、非感压区1、谐振工作梁3、第一谐振补偿梁4、第二谐振补偿梁5，所述感压膜片2位于整个传感器部分的中央，所述非感压区1位于感压膜片2的周边，所述感压膜片2的周边固支在非感压区1的内壁上，其中，非感压区1为中间开孔的结构，开孔的长宽尺寸沿厚度方向在感压膜片2的厚度范围内，与感压膜片2的长宽尺寸完全一致，在其他厚度位置处，与感压膜片2的长宽方向的尺寸保持一致，感压膜片2和非感压膜片2在结构上由相互独立的部分组成或加工成为一个整体，感压膜片2同时敏感被测压力和环境因素的共同作用并产生相应变形，非感压区1只受环境因素的影响，不敏感被测压力的作用，所述谐振工作梁3的两端固支在所述感压膜片2上表面中心处，所述第一谐振补偿梁4和第二谐振补偿梁5对称固支在所述谐振工作梁3的两侧，并位于非感压区1上，所述第一谐振补偿梁4和第二谐振补偿梁5与所述谐振工作梁3平行且几何尺寸大小一致；

所述补偿电路部分包括计算第一谐振补偿梁4第二谐振补偿梁5的谐振频率平均值的运算单元和计算所述平均值与谐振工作梁3的谐振频率之间的差分电路单元。

进一步，所述感压膜片2为圆形膜片。

进一步，所述感压膜片2、非感压区1、谐振工作梁3和第一谐振补偿梁4第二谐振补偿梁5所采用的材质均相同。

进一步，所述感压膜片2、非感压区1、谐振工作梁3和第一谐振补偿梁4第二谐振补偿梁5所采用的材质为单晶硅。

进一步，所述谐振工作梁3与感压膜片2之间设有绝缘二氧化硅层，所述第一谐振补偿梁4和第二谐振补偿梁5与非感压区1之间也设有绝缘二氧化硅层。

进一步，所述谐振工作梁3的一端连接有第一激励电极6，另一端连接有第一检测电极7，以固定支撑所述谐振工作梁3实现电学引出，所述第一谐振补偿梁4的一端连接有第二激励电极8，另一端连接有第二检测电极9，以固定支撑所述第一谐振补偿梁4实现电学引出，所述第二谐振补偿梁5的一端连接有第三激励电极10，另一端连接有第三检测电极11，以固定支撑所述第二谐振补偿梁5实现电学引出。

进一步，所述计算第一谐振补偿梁4第二谐振补偿梁5的谐振频率平均值的运算单元包括第一电阻至第七电阻、反相运算放大器D1、衰减运算放大器D2，所述第一电阻R1的一端连接所述第二检测电极9，所述第一电阻R1的另一端分别连接所述第三电阻R3的一端和反相运算放大器的反相输入端，所述第二电阻R2的一端连接所述第三检测电极11，所述第二电阻R2的另一端连接所述反相运算放大器的反相输入端，所述反相运算放大器D1的正相输入端串联第六电阻R6后接地，所述第三电阻R3的另一端连接反相运算放大器的输出端，所述反相运算放大器D1的输出端串联第四电阻R4后连接至衰减运算放大器的反相输入端，所述衰减运算放大器D2的正相输入端串联第七电阻R7后接地，所述衰减运算放大器的反相输入端与输出端之间串联第五电阻R5。其中，为了取平均值，R3的阻值必须为R3＝(R1或R2)1/2，反相运算放大器D1将两路模拟输入信号进行相加计算，然后输出给衰减运算放大器D2，衰减为1/2即可。

进一步，所述差分电路单元包括差分运算器D3、滤波电路12、模拟示波器13、A/D转换模块17、DC/DC隔离器、处理器14、显示模块21、线性电源20、12V直流电压22、D/A转换模块15、基准电压16、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，所述第一检测电极7分别连接所述第一电容C1的一端和第八电阻R8的一端，所述第八电阻R8的另一端接地，所述第一电容C1的另一端连接至差分运算器D3的反相输入端，所述衰减运算放大器D2的输出端分别连接所述第二电容C2的一端和第九电阻R9的一端，所述第九电阻R9的另一端接地，所述第二电容C2的另一端连接所述差分运算器D3的正相输入端，所述第十电阻R10并接在差分运算器的反相输入端和输出端之间，所述差分运算器D3的输出端依次串联连接所述滤波电路12、模拟示波器13、A/D转换模块17、DC/DC隔离器、处理器14、D/A转换模块15、第三电容C3，所述第三电容C3连接所述第一激励电极6，其中，所述处理器14的输出端还连接所述显示模块21，所述12V直流电压22为所述显示模块21提供工作电压，所述基准电压16为所述DC/DC隔离器和D/A转换模块15提供基准电压16，所述线性电源20为所述处理器14提供工作电压，其中，所述DC/DC隔离器由电压隔离18和信号隔离19组成。

进一步，所述处理器14采用S3C2410处理器14，所述显示器是2.8寸TFTLCD液晶显示器，所述A/D转换模块17采用16位的ADS8319模数转换器，所述DC/DC隔离器是型号为ADUM5000的DC/DC隔离器，所述D/A转换模块15采用16位的DAC8531数模转换器，所述线性电源20是LD0线性电源20，所述滤波电路12是带通滤波电路12。

进一步，所述第一激励电极6、第二激励电极8和第三激励电极10分别连接同一激励元件，采用相同的激励方式。

工作方式:被测压力作用于感压膜片2的下表面，使膜片发生相应变形，该变形通过谐振工作梁3转化为内应力，从而改变谐振工作梁3的谐振频率，工作过程中，谐振工作梁3始终处于谐振状态，理想情况下，谐振工作梁3的谐振频率与外界压力的对应关系为f＝g(p)，其中，p为外界压力，f为与之对应的谐振工作梁3的谐振频率，故由检测到的谐振工作梁3的谐振频率可以结算处当前被测压力值，实现压力测量。但是在实际应用过程中，环境因素也将引起谐振频率变化，即f1＝h(a)，其中，a为环境因素，f1为环境因素引起的谐振工作梁3谐振频率的变化，故实际检测到的频率为f2＝f+f1＝g(p)+h(a)，环境因素对第一谐振补偿梁4和第二谐振补偿梁5的谐振频率的影响为f3＝f31+f32/2，其中，f3为第一谐振补偿梁4和第二谐振补偿梁5的谐振频率的平均值，f31为第一谐振补偿梁4的谐振频率，f32为第二谐振补偿梁5的谐振频率，谐振补偿梁与谐振工作梁3之间的环境因素引起的谐振频率的关系为f1＝f3+Δf，所以，f2＝f+f3+Δf，f2＝f+f31+f32/2+Δf，其中，f、f31、f32均可测量得到，Δf通过差分运算单元计算得出，因此，就能计算出实际的谐振频率，从而实现实时补偿的目的，大大提高传感器的测量精度和稳定性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，包括：传感器部分和补偿电路部分，所述传感器部分包括感压膜片、非感压区、谐振工作梁、第一谐振补偿梁、第二谐振补偿梁，所述感压膜片位于整个传感器部分的中央，所述非感压区位于感压膜片的周边，所述感压膜片的周边固支在非感压区的内壁上，所述谐振工作梁的两端固支在所述感压膜片上表面中心处，所述第一谐振补偿梁和第二谐振补偿梁对称固支在所述谐振工作梁的两侧，并位于非感压区上，所述第一谐振补偿梁和第二谐振补偿梁与所述谐振工作梁平行且几何尺寸大小一致；

所述补偿电路部分包括计算第一谐振补偿梁第二谐振补偿梁的谐振频率平均值的运算单元和计算所述平均值与谐振工作梁的谐振频率之间的差分电路单元。

2.根据权利要求1所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述感压膜片为圆形膜片。

3.根据权利要求2所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述感压膜片、非感压区、谐振工作梁和第一谐振补偿梁、第二谐振补偿梁所采用的材质均相同。

4.根据权利要求3所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述感压膜片、非感压区、谐振工作梁和第一谐振补偿梁、第二谐振补偿梁所采用的材质为单晶硅。

5.根据权利要求4所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述谐振工作梁与感压膜片之间设有绝缘二氧化硅层，所述第一谐振补偿梁和第二谐振补偿梁与非感压区之间也设有绝缘二氧化硅层。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述谐振工作梁的一端连接有第一激励电极，另一端连接有第一检测电极，以固定支撑所述谐振工作梁实现电学引出，所述第一谐振补偿梁的一端连接有第二激励电极，另一端连接有第二检测电极，以固定支撑所述第一谐振补偿梁实现电学引出，所述第二谐振补偿梁的一端连接有第三激励电极，另一端连接有第三检测电极，以固定支撑所述第二谐振补偿梁实现电学引出。

7.根据权利要求6所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述计算第一谐振补偿梁第二谐振补偿梁的谐振频率平均值的运算单元包括第一电阻至第七电阻、反相运算放大器、衰减运算放大器，所述第一电阻的一端连接所述第二检测电极，所述第一电阻的另一端分别连接所述第三电阻的一端和反相运算放大器的反相输入端，所述第二电阻的一端连接所述第三检测电极，所述第二电阻的另一端连接所述反相运算放大器的反相输入端，所述反相运算放大器的正相输入端串联第六电阻后接地，所述第三电阻的另一端连接反相运算放大器的输出端，所述反相运算放大器的输出端串联第四电阻后连接至衰减运算放大器的反相输入端，所述衰减运算放大器的正相输入端串联第七电阻后接地，所述衰减运算放大器的反相输入端与输出端之间串联第五电阻。

8.根据权利要求7所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述差分电路单元包括差分运算器、滤波电路、模拟示波器、A/D转换模块、DC/DC隔离器、处理器、显示模块、线性电源、12V直流电压、D/A转换模块、基准电压、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一电容、第二电容、第三电容，所述第一检测电极分别连接所述第一电容的一端和第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端接地，所述第一电容的另一端连接至差分运算器的反相输入端，所述衰减运算放大器的输出端分别连接所述第二电容的一端和第九电阻的一端，所述第九电阻的另一端接地，所述第二电容的另一端连接所述差分运算器的正相输入端，所述第十电阻并接在差分运算器的反相输入端和输出端之间，所述差分运算器的输出端依次串联连接所述滤波电路、模拟示波器、A/D转换模块、DC/DC隔离器、处理器、D/A转换模块、第三电容，所述第三电容连接所述第一激励电极，其中，所述处理器的输出端还连接所述显示模块，所述12V直流电压为所述显示模块提供工作电压，所述基准电压为所述DC/DC隔离器和D/A转换模块提供基准电压，所述线性电源为所述处理器提供工作电压，其中，所述DC/DC隔离器由电压隔离和信号隔离组成。

9.根据权利要求8所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述处理器采用S3C2410处理器，所述显示器是2.8寸TFTLCD液晶显示器，所述A/D转换模块采用16位的ADS8319模数转换器，所述DC/DC隔离器是型号为ADUM5000的DC/DC隔离器，所述D/A转换模块采用16位的DAC8531数模转换器，所述线性电源是LD0线性电源，所述滤波电路是带通滤波电路。

10.根据权利要求9所述的一种高精度补偿的谐振式应变传感器，其特征在于，所述第一激励电极、第二激励电极和第三激励电极分别连接同一激励元件，采用相同的激励方式。