CN1170128C - 线性化的振弦式测力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种线性化的振弦式测力传感器，它涉及以振弦的频率变化而反映受力变化的传感器。它仍然包括振弦1和张紧振弦用的变形体2两部分，只是将传统的振弦式测力传感器中弓形变形体的一端改为呈对称六边形形状的六杆结构，使原先直接对受力情况(即待测负载)进行测量的一级结构改变为使待测负载分成两级传递到振弦上的结构。利用六杆结构使ΔL与Δl之间有接近于抛物线的非线性关系、从而使振弦的频率f同待测负载T之间有近似线性关系。本发明通过结构的改进实现了对振弦式传感器的非线性补偿。

Description

线性化的振弦式测力传感器

技术领域：

本发明涉及以振弦的频率变化而反映受力变化的传感器。

背景技术：

振弦式测力传感器是一种常用的测力传感器，它是利用振弦的固有频率同振弦受力之间的对应关系进行力的测量。其结构一般为在弓形的变形体上安装一根张紧的金属丝(作为谐振元件，通常称为振弦)。在电磁激励下，振弦按其固有频率振动。通过改变振弦的张紧力T，可以得到不同的振动频率f，即张紧力与谐振频率之间呈函数关系。因此，可以通过测量振弦的振动频率而得到传感器的受力情况，从而最终达到测力的目的。由振弦的振动频率f及振弦的变形量Δl公式：

$f=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{T}{\mathrm{\ρ}}}$ 及 $\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{Tl}}{\mathrm{EA}}$

可以得到振弦的变形量，即

$\mathrm{\Δl}=\frac{4\mathrm{\ρ}{f}^2{l}^3}{\mathrm{EA}}--a)$

式中：ρ——振弦的线密度，T——振弦的张紧力，λ——振弦的长度，E——振弦的弹性模量，A——振弦的横截面积。由公式可以看出，振弦的振动频率f与振弦变形量Δl之间的关系是一个接近于抛物线的非线性关系(其函数曲线如附图1所示)。

为了使传感器达到较高的技术指标，必须对它进行非线性补偿。即：需要对传感器的非线性特性进行线性化处理。因为，无论哪一种传感器在设计、制造或使用时，都希望输出量和输入量之间具有线性关系，同时这也是提高传感器精度的必要手段。目前，非线性补偿处理的方法很多，主要有：近似线性化、插值法、差动补偿法等，这些非线性补偿方法都是在后续补偿的前提下进行的，对测量元件的测量结果运用数学手段加以处理，或是难以达到所需的精度，或是要增加设备配置，或是受到硬件的限制、在某些场合实现上有一定困难。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种线性化的振弦式测力传感器，它可通过传感器本身的结构直接实现线性化，且精度较高。

本发明的技术解决方案如下：

整个传感器仍然由振弦和张紧振弦用的变形体所构成，其特征在于变形体的一端为六杆结构，其中相邻杆的端点之间为柔性铰链连接；待测负载通过杠杆结构传递到六杆结构中的变形输入端，振弦连接在六杆结构中的变形输出端。

本发明是通过对传感器本身的结构进行改变，从而对其非线性特性进行补偿。将原先直接对受力情况(即待测负载)进行测量的一级结构改变为使待测负载分成两级传递到振弦上的结构。

第一级为“力——变形”结构，输入为待测负载T，输出为变形量ΔL。该结构附加在变形体前，采用通用的杠杆结构使待测负载T同输出变形量ΔL之间有严格的线性对应关系，从而待测负载就可以表达为

                                T＝αΔL+b

式中α、b为定参数，由结构本身的特性决定。这样，传感器所需测量的负载就线性地转化为第一级的输出变形。

第二级为“变形——变形”结构，输入为第一级的输出变形量ΔL，输出为振弦的变形量Δl。采用六杆结构使ΔL与Δl之间有接近于抛物线的非线性关系、而且其弯曲方向与附图1所示的弯曲方向正好相反(见附图2)。这样，通过两者的共同作用，就可以使振弦的频率同第一级的输出变形之间有基本线性的对应关系，所以就最终建立了振弦频率同待测负载之间的近似线性关系。从而达到了对于传感器的非线性补偿目的(因此，这一级结构也可以称作是非线性补偿结构，或称线性化结构)。

根据以上设计思想，提出了如附图3所示的线性化的振弦式测力传感器。它仍然包括振弦1和张紧振弦用的变形体2两部分，只是将传统的振弦式测力传感器中弓形变形体的一端(左、右均可)改为呈对称六边形形状的六杆结构，六杆结构中的每两个相邻杆的端点之间为柔性铰链连接，即杆的端点处设计为颈缩状以起到铰链的作用；与振弦平行的杆称为横向杆3，与振弦相交的杆称为纵向杆4，横向杆上设置可用紧固件固定的节点，一个与杠杆结构相连作为变形输入端、相对应的另一个则与底座相连起定位作用，纵向杆与纵向杆相接的端点则作为变形输出端，振弦的一端即固定于六杆结构中的变形输出端。

假设一根固定长度的杆两端分别沿直角坐标系的两个轴线运动，此时两个端点的位移量之间所形成的关系就可以看作是上述第二级“变形——变形”结构中的输入变形与输出变形之间的关系。从附图4所示的几何等效图上可知，设B点为输入端，A点为输出端，那么两者位移之间的关系可以近似地看作是

                  (x_A+Δl)²+(y_B+ΔL)²＝k²                       b)

其中k为杆长。这样就使得输入位移与输出位移之间建立的函数关系即如附图2所示。它代表了输入变形ΔL与输出变形Δl之间的关系。

综上所述，本发明通过结构的改进从而实现了对振弦式传感器的非线性补偿。这种结构补偿不需要增加后续设备配置、也不会受到硬件的限制，而且，可以使传感器的测量精度大幅提高；同时，还具有结构简单可靠、加工容易、无间隙误差、应用范围广等优点，也很好地解决了现有传感器普遍存在的长时间漂移、蠕变等问题。

附图说明：

附图1为振弦振动频率f与振弦变形量Δl之间的函数关系曲线图。

附图2为本发明的非线性补偿结构中输入变形ΔL与输出变形Δl之间的函数关系曲线图。

附图3为本发明的传感器整体结构示意图。

附图4为本发明的非线性补偿结构的几何等效图。

附图5为本发明的传感器振弦振动频率f与待测负载T之间的函数关系曲线图。

具体实施方式：

在实例中，选择了5000～10000Hz频率段，采用直径0.2mm、弦长30mm的京胡弦作为振弦，并选择输入变形同输出变形之间的比例关系为ΔL∶Δl＝1∶10，由两者之间的几何关系也就确定了纵向杆之间的二分之一夹角α为84～85°。为了使“振弦的振动频率——变形曲线”同“输入变形——输出变形曲线”两者之间有很好的配合，还应对六杆结构中的纵向杆长k进行选择。k的长度不同，则“输入变形——输出变形曲线”的近似曲率半径就不同，两者成正比关系。根据已经选定的振弦频率段以及输入变形同输出变形之间的比例关系，通过计算就可以求出相应的k值为50mm。所得到的经非线性补偿后的“振弦频率——待测负载曲线”如附图5所示。

Claims (1)

1、一种线性化的振弦式测力传感器，整个传感器仍然由振弦(1)和张紧振弦用的变形体(2)所构成，其特征在于变形体的一端为呈对称六边形形状的六杆结构，其中相邻杆的端点之间为柔性铰链连接；与振弦平行的横向杆(3)上设置可用紧固件固定的节点，一个与杠杆结构相连作为变形输入端、相对应的另一个则与底座相连起定位作用，与振弦相交的纵向杆(4)的两杆相接的端点则作为变形输出端；待测负载通过杠杆结构传递到六杆结构中的变形输入端，振弦连接在六杆结构中的变形输出端。

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