CN110462356B - 振弦式传感器和用于振弦式传感器的振弦 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振弦式传感器（20、30、40、50），其带有：振弦（21、31、41、51），振弦在测量条件下根据有待探测的当前的参量被不同地张紧；并且带有激励装置，用于对振弦（21、31、41、51）在其相应的固有频率的范围内进行激励，其中，该激励装置具有至少一个设置在振弦（21、31、41、51）的长度区段上的、带有压电的激活层（33、46、54）的激励层（22、32、42、52），该压电的激活层视激活状态而定具有不同的长度并且由此引起了振弦（21、31、41、51）的相应的其它的振动位置。由此能将振弦式传感器构造得更为结实耐用，其中，电流消耗还极大地变小。本发明此外涉及一种带有激励层（22、32、42、52）的振弦，该激励层具有压电的激活层。

Description

振弦式传感器和用于振弦式传感器的振弦

技术领域

本发明涉及按照本发明述的振弦式传感器和用于振弦式传感器的振弦。

背景技术

振弦式传感器是公知的并且使用在大量应用中，以便经常（但不是仅仅）测量当前的参量如形变或力。术语“形变”在当前指的是机器元件在运行中的弹性的也或者塑性的变形。这种形变可能对在任意类型的金属结构中或也在非金属的构造如建筑物或桥中监控安全的运行状态至关重要。此外，通过形变传感器能检测在运行中当前正在作用的负荷，例如为了控制运动。这种形变通过因此起到形变传感器/力传感器作用的振弦式传感器例如经由在测量点之间的移动加以检测，其中，是形变的尺度的力由此作用到传感器上。根据本发明的传感器同样也可以用作例如在天平（Waage）中的纯粹的力传感器。

振弦式传感器可以这样构造，使得它们高分辨能力地检测最小的形变或力变化并且此外在一段时间内几乎不具有漂移，就此而言振弦式传感器在质量上常常优于测力计（Messdosen）或应变计（Dehnmessstreifen）。

这种振弦式传感器的一种实施方式由CN 203 595 494 U公知并且在图1中示出。

可以看到在运行中的，也就是说在测量条件下的振弦式传感器1，其带有在此矩形构造的框架2，带有固定元件3、4，所述固定元件作用在框架2的横梁5、6上并且本身固定在通过它们的固定点7、8固定在为了简化附图而没有示出的构件上，应当测量所述构件的形变，或者例如天平的构件，在天平中确定有待称重的重量（固定可以通过简单的旋紧或通过任意方式的简单的夹紧发生）。在测量条件下，在此在构件形变的情况下或出现的有待测量的力的情况下，传感器1例如沿箭头K的方向（或其反向）受力，传感器的框架2因此在力作用下弹性地变形，这又导致了传递杆9、10的偏转，在传递杆的头部11、12上振弦15借助夹紧销16被夹紧。因为传递杆也弹性地变形，所以从固定点7、8到头部11、12或夹紧销16产生了一行程-力转化（Kraftübersetzung），因而振弦15视当前存在的形变或有待测量的力而定被不同地拉紧，其中，在传感器的静止位置中，也就是说在固定点7、8上没有周边影响时，振弦15当然被预先确定地张紧。头部11、12与夹紧销16形成了用于振弦15的夹紧部位。

此外还可以看到的是装置17，该装置在运行中产生了磁场，该磁场的场力线垂直地立在图平面上并且在装置17的左半部中离开观察者，在右半部中对准观察者。为此，交流电流I在运行中流过振弦15，交流电流由再次为了简化附图而略去的电子装置产生。因此对应交流电流I的洛伦兹力作用到振弦上，洛伦兹力使振弦以交流电流的频率发生振动，其中，在频率适当地改变时，振弦快速地进入其固有频率，固有频率又取决于作用到振弦上的拉力，即取决于作为形变的或力作用的结果的测量点7、8的移动。电子装置可以识别固有频率并且由此产生了用于形变/力作用的传感器信号。

图1概括性地示出了一种振弦式传感器，其带有振弦，振弦在测量条件下根据有待探测的当前的参量被不同地张紧，并且该振弦式传感器带有激励装置，用于对振弦在其相应的固有频率的范围内进行激励。

这种振弦式传感器是有缺点的，即，它的电流消耗非常高或者在粗处理时磁体能脱离其正确的位置，或者用于防碰撞的固定的耗费高。当桥设有形变传感器时，该形变传感器的电池必须不断地更换或备选用电缆连接时，高电流消耗例如起到了重要作用。

发明内容

本发明的任务是，改进振弦式传感器。

为了解决该任务，根据本发明的振弦式传感器具有本公开内容的特征并且根据本发明的振弦具有本公开内容的特征。

通过使振弦式传感器的振弦具有压电的激活层，可以相比传统的实施方案极大地降低电流消耗。此外，取消了用于产生磁场的磁体或其它元件以及因此取消了在粗处理时对传感器的灵敏度重要的元件。最后，根据本发明的振弦式传感器构造得较为紧凑。

通过使压电的激活层视激活状态而定具有不同的长度，产生了双金属弹簧类型的振弦在其长度上的形变，所述激活层特别适合在弦中产生振荡。

振弦式传感器的或振弦的根据本发明的实施方式具有按照本发明的特征。

附图说明

借助附图详细说明本发明。

图中：

图1是根据现有技术的振弦式传感器；

图2a是振弦式传感器的根据本发明的一个实施方式；

图2b是图2a的一个放大的截取部分，带有振动侧；

图3示意性示出了在振弦式传感器中的根据本发明的振弦的一个实施方式；

图4示意性示出了在振弦式传感器中的根据本发明的振弦的另一个实施方式；

图5a示意性示出了在振弦式传感器中的根据本发明的振弦的一个优选的实施方式；以及

图5b是图5a的振弦的视图。

具体实施方式

图2a借助振弦式传感器20的一个优选的实施方式示出了本发明的原理。在运行中示出的振弦式传感器20可以（但不是必须）具有和图1的振弦式传感器1一样的基本结构。但缺少用于产生磁场的装置17（图1）。可以看到振弦21，该振弦用通过虚线示出的具有压电的激活层的激励层22至少在一个长度区段上、在此在其整个长度上覆盖。激励层22的可能的实施方式在图中加以详细说明。

通过夹紧销23或接触元件向激励层22施加交流电压。该交流电压通过振弦式传感器20的为了简化附图而略去的电子装置产生。该图示出了一种运行状态，在该运行状态中，激励层22的压电的激活层基于所施加的交流电压而在左边的区段24中具有激活状态，激励层在该激活状态下变长，并且在右边的区段25中具有激活状态，激励层在该激活状态下缩短。

由此双金属弹簧（Bimetallfeder）类型的振弦21从左向右观察在区段24中向右弯曲，在区段25中则向左弯曲。这种弯曲对应带有在中心的振动节点的振弦的振动位置（超过听阈（Hörschwelle）的振动频率是值得期望的）。

图2b放大示出了在振弦21的区域内的振弦式传感器20的截取部分，但振弦相比图2a的示图具有另一个振动位置，对应之后作用在夹紧销23上的交流电压的半波。激励层22在左边的区段24中缩短，并且在右边的区段25中变长，因而振弦21在区段24中向左弯曲并且在区段25中向右弯曲。

振弦21对应所施加的交流电压地、以激发（angeregt）的方式通过激励层22的不同的激活状态在图2a和2b所示的振动位置之间来回振动，，其中，交流电压的频率通过电子装置改变，直至振弦21在其当前的固有频率下振动。当前的固有频率由振弦21的当前的应力决定，由夹紧销16、23给定，夹紧销对应测量点7、8（图1）的移动地拉紧振弦21。如上所述，电子装置基于当前的固有频率生成信号，该信号对应有待由传感器20探测的形变（Deformation）或力。

已经表明，根据本发明的振弦式传感器的激励装置具有至少一个设置在振弦的一个长度区段上的、带有压电的激活层的激励层，所述压电的激活层视激活状态而定具有不同的长度并且由此引起了振弦的相应的另一个振动位置。

此外根据本发明得到了一种振弦，该振弦具有设置在至少一个长度区段上的压电的激励层，该激励层视激活状态而定具有不同的长度并且由此引起了振弦在至少一个长度区段上的形变。

在一种备选的实施方式中，也可以在振弦21的端部区段27、28上施加交流电压。因此可能的是，为夹紧销（或任意类型的夹紧元件或保持元件）设置任意一种合适的材料。为了简化附图，略去了从端部区段27、28通往振弦式传感器20的电子装置的相应的导体。

振弦21在横截面中优选构造得薄而扁平，例如构造成矩形（但也可以大致是椭圆形或圆形），并且在振动平面中具有小的惯性矩（Trägheitsmoment），振弦是柔韧的，因此在偏转的位置中几乎没有因为弯曲而产生的弹簧弹性的复位力，结果是，振弦从偏转的位置基本上通过经由夹紧部位施加的拉力振动回到其拉伸的位置中。这种复位振动当然可以明显通过激励层22的相应定时（getaktete）的压电的激活层得到支持。

接下来的附图示出了带有根据本发明的振弦的振弦式传感器的不同的实施方式。

图3示意性地通过矩形示出了振弦式传感器30，该振弦式传感器除了在图3中示出的组件外例如可以如图1的振弦式传感器1那样构造。所述振弦式传感器30具有振弦31，振弦带有激励层32，激励层具有压电的激活层33和电极34，电极在激活层33的长度上延伸。振弦31夹紧（einspannen）在夹子35中，夹子优选构造成夹紧销（图1），但也可以不同地构造。振弦式传感器的示意性示出的电子装置36具有电压源37，该电压源通过导体38与振弦31连接并且通过导体39与电极34连接。振弦式传感器的其余的组成部分为了简化附图被略去，特别是头部11、12（图1），在头部中布置着夹子35。附图为了更好地图示而示出了失真的比例，振弦31实际上是长而薄的，例如0.4 mm宽0.3 mm高和20 mm长。激励层32根据制造工艺是薄的，参看下文。

振弦31优选由铍-铜合金制成，振弦极硬，在拉力下几乎不会变长和不会蠕变（kriecht），因此有助于振弦式传感器的精确的、防漂移的运行。

压电的激活层33优选构造成AIScN层，带有在15%至30%范围内的钪。但压电的激活层也可以由纯AIN构成。电极可以设计成用金制成的薄层。

进一步优选的是激活层33通过溅镀（Sputtern）涂敷（aufbringen）到振弦31上，电极也是如此。激活层33优选在溅镀之后被加热超过居里温度，通过合适的电场极化并且然后冷却，因而激活层能被压电地激活。也存在这样的可能性，即，压电层直接在溅镀时极化。溅镀过程也导致了晶体定向的或特定的晶体类型的成型（Ausprägung），这可能方便了在一定的定向中的后来的极化。技术人员知道所述类型的振弦以及由AIScN制成的压电的涂层，所述压电的涂层可以通过溅镀制造。

电子装置36如上所述那样构造，在运行中输出交流电压，例如具有接近在振弦式传感器30的静止状态中振弦31的固有频率的开始频率。之后频率被提高，直至振弦31处于其固有频率，这又可以通过电子装置在其阻抗上被识别到，在固有频率下，电极-压电的激活层-电极这样的布置的视在阻抗（Scheinwiderstand）z是最小的（这种布置提供了一电容）。如已经提到的那样，固有频率是作用到振弦31上的拉力的尺度，拉力又是有待探测的形变或力的尺度，因而电子装置36由振弦31的所识别到的当前的固有频率可以生成所探测到的当前的参量（形变、力）的信号。

已经表明，激励层32具有电极34、31，所述电极将激活层围在它们之间，并且其中，振弦31形成了电极之一。在这种情况下，振弦可以在压电的激活层33的一侧上本身用金涂层（beschichten），以便改善其导电能力。

图4示出了一种振弦式传感器40，带有振弦41的另一个实施方式，振弦仅在一个长度区段上设有激励层42。此外，激励层42相对振弦41通过在图中用虚线示出的例如由Al₂O₃氧化铝或ZnO氧化锌制成的绝缘层43电绝缘。除了上方的电极44外，相应地还设有下方的（也就是说布置在振弦41上的）电极45，电子装置36的电压源37通过导体38与下方的电极45连接并且用导体39与上方的电极44连接。压电的激活层46在其长度上被电极44、45围住（einfassen）。

所示的布置允许了，避免流过振弦41的电流，所述振弦基于其合金（很少的长度延展和很少的蠕变，参看上文）而具有高的欧姆电阻。因此在交流电压回路中仅存在较小的欧姆电阻。此外，激励层42的能量需求是基本的，并且在振弦41的固有频率下特别大。相比传统的振弦式传感器1（图1）产生了恰好30%至20%的电流消耗。

已经表明，在激励层的内侧上布置有电极，该电极基本上在激励层的长度上延伸。

所示的布置允许了，激发振弦发生带有振动节点的振动。

如在图3所示的实施方式中那样，电极34或44、45从振弦31或41的振动的区段起延伸通过相应的夹紧部位，夹紧部位由夹子35的地点给定。这允许了，将这些电极特别简单地与所分配（zuordnen）的导体38、39连接，因为在夹紧部位后的区域为了与电极34、44、45连接而更为容易地可达并且振弦31、41在那里为了适当的连接而变宽。

以附图所示的带有设置在振弦41的右侧上的激励层的实施方式为出发点，可以进一步将优选相同地构造的第二激励层设置在振弦41的左侧上，所述激励层进一步优选布置在其对置的侧面上。这样就设置有两个激励层，所述激励层处在振弦的不同的侧面上，这允许了，在运行中特别精确地推动振弦的正在形成的振动并且将所述振动引向振弦的当前的固有频率。

获得了一种振弦，在该振弦中设置有两个激励层，所述激励层布置在振弦的相同的侧面上或不同的侧面上。

图5a示出了本发明的一种优选的实施方式，带有又是仅示意性示出的振弦式传感器50，带有振弦51，振弦通过夹子35在夹子中夹紧。激励层52基本上在振弦51的整个长度上延伸，通过又用虚线示出的绝缘层53与这个振弦绝缘并且具有连续的压电的激活层54，所述激活层被外部的电极55、56和内部的电极57围住。

两个外部的电极55、56彼此分离，其中，电极55、56与电压源37的导体38连接，并且另一个电极56、55与导体39连接。这些导体38、39中的一个导体作为中性导体被连接，另一个导体39、38则作为引导电压的导体，也就是说相。

这种布置对应两个串联的电容器：若例如导体39作为引导电压的导体连接，那么在运行中在上方的电极56和下方的电极57之间产生了一个交变的电场，该电场一次性激活压电的激活层54的处于其间的右边的区段25（为此参看例如图2b），这视电场的方向和压电的层54的极化而定导致了这个区段的厚度变化并且因此也导致了长度变化以及因此导致了在右边的区段25中的振弦51的弯曲。

随着在右边的区段25中形成了这个电场，在下方的电极57中产生了电荷移动，所述下方的电极由此在左边的区段24中和其右边的区段25相反地充电，这又和外部的电极55一起导致了在左边的区段24中的电场，该电场与在右边的区段25中的电场相反地定向。区段24中的长度变化因此与区段25的长度变化相反，因此同样还有振弦51的弯曲，这表明了带有在振弦51的中心的振动节点的振动位置。

在所施加的交流电压的下一个半波中，振弦51相反地弯曲，因此占据相应的另一个振动位置。它的固有频率由电子装置36再次通过视在电阻z的最小值识别到。

图5b在分解图中以真实比例示出了图5a的振弦51的一个三维视图。端部区域58、59变宽，这改善了端部侧的夹紧。

根据图5a和5b的布置特别有利，因为振弦通过简单的结构（首先通过压电的激励层在其长度上的相同的极化）在其整个长度上可以为了有振动节点的期望的振动形式而被激发。

得出了一种根据本发明的振弦式传感器，在该振弦式传感器中，激励层从振弦51的一个夹紧区域58、59延伸至另一个夹紧区域59、58并且设置有两个电极55、56，所述电极在激励层52的相同的侧面上从对置的夹紧区域58、59起相对彼此延伸直至激励层52的中心，并且其中，在激励层52的对置的侧面上设置有在夹紧区域58、59之间的连续的电极53。所述连续的电极53在此如在图5a和5b中所示那样优选处在激励层52的内侧上。进一步优选的是，外部的电极55、56之一与交流电压源的引导电压的导体连接并且另一个外部的电极与中性导体连接。在此，进一步优选的是在压电的激活层54的外侧上设置有电极56、57，所述电极至少在激励层52的长度区段上延伸。

相应优选构造的振弦设有激励层52，该激励层在其一侧上连续地具有电极57并且在其对置的一侧上具有两个电极55、56，所述电极从端部区域58、59起直至达到振弦52的中心。

在附图中没有示出的、与根据图5a、5b类似的实施方式中，压电的激活层不是连续的，而是在振弦的中心中断，因而例如引导电压的导体可以与下方的连续的电极连接。

在具体情况下，技术人员可以适当地组合按照上面示出的实施例所述的不同的特征。

Claims (13)

1.振弦式传感器（20、30、40、50），其带有：唯一一个振弦（21、31、41、51），所述振弦在测量条件下根据有待探测的当前的参量被不同地张紧；并且带有激励装置，用于对振弦（21、31、41、51）在其相应的固有频率的范围内进行激励，其特征在于，所述激励装置具有至少一个设置在振弦（21、31、41、51）的长度区段上的、带有压电的激活层（33、46、54）的激励层（22、32、42、52），所述压电的激活层视激活状态而定具有不同的长度并且由此引起了振弦（21、31、41、51）的相应的其它的振动位置，其中，在所述压电的激活层（33、46、54）的外侧上设置有电极，所述电极至少在所述激励层（22、32、42、52）的长度区段上延伸，并且其中，由所述振弦（21、31、41、51）的所识别到的固有频率能够生成所探测到的形变或者力的信号。

2.按照权利要求1 所述的振弦式传感器，其特征在于，所述激励层具有至少两个电极，所述电极将所述压电的激活层围在它们之间，并且其中，所述振弦形成了电极之一。

3.按照权利要求1所述的振弦式传感器，其中，所述激励层在所述振弦上电绝缘。

4.按照权利要求1所述的振弦式传感器，其中，所述电极从所述振弦的振动的区段起延伸通过夹紧部位。

5.按照权利要求1所述的振弦式传感器，其中，在所述激励层的内侧上布置有电极，所述电极基本上在所述激励层的长度上延伸。

6.按照权利要求1所述的振弦式传感器，其中，设置有两个激励层，所述激励层处在所述振弦的不同的侧面上。

7.按照权利要求1所述的振弦式传感器，其中，所述激励层从所述振弦的一个夹紧区域（58、59）起延伸至另一个夹紧区域（59、58）并且设置有两个电极，所述电极在所述激励层的相同的侧面上从对置的夹紧区域（58、59）起相对彼此延伸至所述激励层的中心，并且其中，在所述激励层的对置的侧面上设置有在夹紧区域（58、59）之间的连续的电极。

8.按照权利要求7所述的振弦式传感器，其中，所述连续的电极处在所述激励层的内侧上。

9.按照权利要求6所述的振弦式传感器，其中，外侧的电极与引导电压的导体（38、39）连接并且另一个外侧的电极与交流电压源（37）的中性导体连接。

10.用于按照权利要求1所述的振弦式传感器的振弦，其特征在于，振弦具有设置在至少一个长度区段上的压电的激励层（22、32、42、52），激励层视激活状态而定具有不同的长度并且由此引起了振弦在至少一个长度区段上的形变。

11.按照权利要求10所述的振弦，其中，所述激励层相对所述振弦电绝缘。

12.按照权利要求10所述的振弦，其中，所述激励层在其一侧上连续地具有电极并且在其对置的一侧上具有两个电极，所述电极从端部区域出发直至达到所述振弦的中心。

13.按照权利要求10所述的振弦，其中，设置有两个激励层，所述激励层布置在所述振弦的相同的侧面上或不同的侧面上。

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