CN114414010B - 双弯曲梁称重传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种双弯曲梁称重传感器，由基础支架、双弯曲梁式弹性体、加载端部、光学干涉仪和信号处理装置组成；所述双弯曲梁式弹性体的一端固定安装在基础支架上，另一端为加载端部；中部设有工字形的通槽，工字形通槽上下双梁为该传感器的变形梁；工字形通槽中间的左右两个悬臂梁为参考臂和测量臂；两路光分别在参考臂和测量臂表面反射，并在光谱仪上形成干涉条纹；通过观察条纹变化量实现对被称重物质量的称量。所述光源采用宽带光，利用宽带光的多波长差分效应，结合频率估计算法，可实现纳米级的高精度测量。因此，该传感器具有分辨率高、灵敏度高，滞后、蠕变和进回程差小，同时抗环境干扰能力强的优势，可实现对待测物的高精度快速测量。
Description
技术领域
本发明属于称重传感器技术领域，尤其涉及一种双弯曲梁称重传感器，适用于对实验加载、精密仪器等待测物的重量检测。
背景技术
称重计量技术遍布冶金、交通、化工、食品和卫生等各个领域，在生产过程或工艺流程中，对各种配料称重、定量称重及现场称重技术的要求越来越高。称重传感器就是称重计量的最核心部分，在工业过程控制和贸易结算等方面倍受重视。
常见称重传感器有电阻应变式、压电式和压磁式等几种。应变式主要包括电阻应变式和光栅光纤应变式等。外载荷作用下，应变式传感器的弹性元件发生变形，该变形传递到粘贴在弹性元件上的敏感元件（如应变片、光纤光栅等），通过测量电信号或光信号的变化，实现载荷的测量。压电式传感器一般采用各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体等压电材料，压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。磁致伸缩式传感器以磁致伸缩材料作为敏感元件，利用磁致伸缩逆效应将外载荷转换为电压信号，从而完成对外载荷的精确测量。
对于应变式称重传感器，由外载荷产生的变形需经过弹性体—胶结层—敏感元件多层传递，才能被传感测得，因此存在较大的迟滞特性。特别是当称重过程需要反复加卸时，迟滞变形容易累加，从而使测量结果产生较大的进回程差和示值偏差。此外，该传感器易受环境影响，抗电磁干扰能力差。对于压电式称重传感器由于需要采集压电效应中产生的电荷量，故无法对静态和准静态的载荷进行测量。磁致伸缩式称重传感器是通过检测磁致伸缩材料在外载荷下的磁化强度变化来测量外部载荷大小。稀土超磁致伸缩材料虽磁致伸缩应变大、响应速度快，但其仍然存在脆性大的缺点；铁—镓合金磁致伸缩材料改善提高了磁致伸缩材料的抗拉强度等力学性能，可用于实现交变载荷的测量，但其磁致伸缩应变较小，且对工作环境要求高，容易受外界电磁干扰。
发明内容
针对现有技术的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种双弯曲梁称重传感器，其具有分辨率高、灵敏度高，滞后、蠕变和进回程差小，同时抗环境干扰能力强的优势，可实现对待测物的高精度快速测量。
本发明具体采用以下技术方案：
一种双弯曲梁称重传感器，其特征在于，包括：基础支架、双弯曲梁式弹性体、加载端部、光学干涉仪和信号处理装置；
所述双弯曲梁式弹性体的一端固定安装在基础支架上，另一端带有加载端部；中部设有工字形的通槽；工字形通槽上下双梁为该传感器的变形梁；工字形通槽中间的左右两个悬臂梁为参考臂和测量臂，基础支架一侧的为参考臂和加载端部一侧的为测量臂；工字形通槽的上梁在参考臂和测量臂上方的对称位置分别设有垂直于通槽的通孔；
所述光学干涉仪包括一光源、一光纤耦合器、一参考臂光学探头、一测量臂光学探头、一光谱仪；所述参考臂光学探头对准参考臂的通孔；所述测量臂光学探头对准测量臂的通孔；光源发出的光经过光纤耦合器，一分为二进入参考光路和测量光路；该两路光分别在参考臂和测量臂表面反射，并在光谱仪上形成干涉条纹；
所述信号处理装置用于采集并处理干涉条纹。
进一步地，所述光源采用宽带光，利用宽带光的多波长差分效应，结合频率估计算法，以实现纳米级的高精度测量。
进一步地，被称重物的载荷施加于加载端部，所述上下双梁发生弯曲变形，从而导致测量臂水平向下平移，该平移量与所施加的载荷成正比，而参考臂保持不动。
进一步地，测量臂水平向下平移，使光谱仪上形成干涉条纹发生变化。所述信号处理装置采集并处理干涉变化的条纹，得到与测量臂水平向下平移量成正比的条纹变化量。通过观察条纹变化量实现对被称重物质量的称量。
相比于现有技术，本发明及其优选方案利用宽带光干涉原理测量外载荷作用下的弹性体双梁弯曲变形，将载荷的测量转换成变形的测量，精度更高，抗温度干扰和抗电磁干扰能力强。采用的基于光学位移传感测量的称重传感器避免了传统应变式称重传感器的弹性体—胶结层—敏感元件多层结构，避免了变形的滞后，有效减小了传感器的滞后、蠕变和进回程差，同时提高了传感器的分辨率和灵敏度。采用的弹性体为双弯曲梁，弯曲梁结构弹性体产生的热弹性损耗小于柱式和剪切梁结构，所以可以有效的减小弹性体的热弹性内耗造成的滞弹性，提高传感器的精度。此外，采用的光源为宽带光，利用宽带光的多波长差分效应，结合频率估计算法，可实现对弹性体形变的纳米级高精度测量，最终实现对待测重物的高精度测量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例双弯曲梁称重传感器整体结构示意图；
图2为本发明实施例双弯曲梁式弹性体结构示意图；
图3为本发明实施例加载后双弯曲梁式弹性体结构示意图。
图中：1-基础支架；2-双弯曲梁弹性体（包括：21-上梁；22-下梁；23-参考臂；24-测量臂；25-测量臂通光孔；26-参考臂通光孔；3-光学干涉仪（31-光源；32-光纤耦合器；33-参考臂光学探头；34-测量臂光学探头；35-光谱仪）；4-加载端部；5-信号处理装置。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1和图2所示，本实施例提供的双弯曲梁称重传感器，其主体结构包括：基础支架1，双弯曲梁式弹性体2，光学干涉仪3，加载端部4，信号处理装置5。
其中，基础支架1为双弯曲梁弹性体固定支架，图中支架结构仅为本实施例列举，其他应用场景下固定支架可以视具体安装条件而定。双弯曲梁弹性体2，包括了上梁21、下梁22、参考臂23、测量臂24；其靠近参考臂一端与基础支架1固定连接，测量臂一端与加载端部固定连接。在上梁部分，参考臂的正上方开有参考臂通光孔26；测量臂的正上方开有测量臂通光孔25；
如图3所示，当在加载端部施加一被测重物。该重物产生的重量G使双弯曲梁弹性体的上梁与下梁发生弯曲变形。从而导致测量臂24水平向下平移，该平移量与所施加的载荷成正比，而参考臂23保持不动；
采用宽带光作为光源，光源31发出的光经过光纤耦合器32，一分为二进入参考光路和测量光路。参考光路和测量光路的光分别由参考臂光学探头33和测量臂光学探头34，经参考臂通光孔和测量臂通光孔，照到参考臂23和测量臂24上。测量臂和测量臂反射的光经各自的原光路返回，并在光谱仪35上形成干涉条纹；
由于参考臂23保持不动，测量臂24水平向下平移，使光谱仪上形成干涉条纹发生变化。所述信号处理装置采集并处理干涉变化的条纹，得到与测量臂水平向下平移量成正比的条纹变化量。通过观察条纹变化量实现对被称重物质量的称量。利用宽带光的多波长差分效应，结合频率估计算法，可实现纳米级的测量臂位移变形量的高精度测量，从而实现对重量的高准确度测量。
利用光学干涉原理测量外载荷作用下的弹性体变形，将质量的测量转换成变形的测量，精度更高，抗温度干扰和抗电磁干扰能力强。如果要提升传感器的最大承重量，可以将弹性体尺寸加大，厚度加厚，则承载能力会明显的提高。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的双弯曲梁称重传感器，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种双弯曲梁称重传感器，其特征在于，包括：基础支架、双弯曲梁式弹性体、加载端部、光学干涉仪和信号处理装置；
所述双弯曲梁式弹性体的一端固定安装在基础支架上，另一端带有加载端部；中部设有工字形的通槽；工字形通槽上下双梁为该传感器的变形梁；工字形通槽中间的左右两个悬臂梁为参考臂和测量臂，基础支架一侧的为参考臂和加载端部一侧的为测量臂；工字形通槽的上梁在参考臂和测量臂上方的对称位置分别设有垂直于通槽的通孔；
所述光学干涉仪包括一光源、一光纤耦合器、一参考臂光学探头、一测量臂光学探头、一光谱仪；所述参考臂光学探头对准参考臂的通孔；所述测量臂光学探头对准测量臂的通孔；光源发出的光经过光纤耦合器，一分为二进入参考光路和测量光路；两路光分别在参考臂和测量臂表面反射，并在光谱仪上形成干涉条纹；
所述信号处理装置用于采集并处理干涉条纹；
所述光源采用宽带光，利用宽带光的多波长差分效应，结合频率估计算法，以实现纳米级的高精度测量；
被称重物的载荷施加于所述加载端部，所述上下双梁发生弯曲变形，从而导致测量臂水平向下平移，平移量与所施加的载荷成正比，而参考臂保持不动；
所述测量臂水平向下平移，使光谱仪上形成干涉条纹发生变化；所述信号处理装置采集并处理干涉变化的条纹，得到与测量臂水平向下平移量成正比的条纹变化量；通过观察条纹变化量实现对被称重物质量的称量。
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