CN87105638A - 振动型重量测定设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用振动型力传感器的重量测定设备，它具有大大提高的Q值，价格不贵，易于生产。力传感器包括一根单独的振梁或一对振梁，振梁以特定的测量频率振荡，该测量频率与由重量外加到传感器上的应力有关。一个转动体被联接到振梁的测定频率对应节点上，并显著地影响振梁振动的频率。结果，力传感器的制造公差大为放宽，而转动体对双端部音叉型传感器的钟摆式运动有助于克服两根平行振梁之间的失配。

Description

本发明涉及使用装有转动体的振梁的测定重量用的设备。

振动型称重装置对于从事测定重量的人是众所周知的。振动型重量传感器的优点是其结构简单，因为它直接产生振动波数的数值，所以不需使用模数转换器。一台振动型称重设备中，一根振梁受到激励以特定频率振动，该频率与施加到振梁上的应力量有关。振动频率也取决于振梁的刚性，振动频率对于长度和截面（纵横比）一定的振梁应当保持相对的恒定。

包括作为重量传感器的振梁的称重设备的机械Q值正比于在每个振动周期内振梁贮存的能量与振梁损失的能量的比值。Q值低的系统是不希望的，因为用于测定重量的振动将会产生阻尼，造成振荡变小或振荡消失。Q值高的系统将维持振梁的振荡，可以利用较小的外部能源来激励振梁，并将具有较稳定的谐振频率。

当振梁被用作称重设备中的力传感器时，由待测重量引起的应力被加到振梁的第一端部上，而传感器被稳定地安装在振梁的第二端部上。但是，当一根单独的振梁被用作传感器时，振动能量在振梁的安装端部处损失掉，导致系统的Q值较低和振动产生阻尼。利用一根单独的振梁，在传感器的安装端部不存在于力的平衡。单独的振梁发生振动，而在传感器的安装端部给传感器施加一个力矩。为了避免在传感器安装端部处由于阻尼而引起能量损失，可以提供一对形成双端部音叉的平行振梁作为传感器。另一种被用来尽可能减小由趋向于使单根振梁的安装端部转动的力所导致的能量损失（及伴随的Q值的降低）的办法在于，将单根振梁的第二端部连接到惯性大的重量上。但是，这种方法不可能完全消除在安装端部上施加的力和损失的能量，并且增加称重设备的费用、体积和所用的材料量。

在一个双端部音叉型传感器中，通常利用一根振梁上的一个压电元件来激励音叉，而利用第二根振梁上的第二个压电元件作为振动检测元件。两根振梁在其相应的第一和第二端部处被联接在一起。这对振梁将在一个测定频率振荡，该频率由两根振梁的长度、截面、刚性和测量重量时施加到两根振梁上的应力决定。当两根振梁实际上相同时，它们将在同一测定频率振荡，但振荡的相位相差180°。结果，在每根振梁的端部，每根振梁的振动将相互抵消，从而避免有力矩加到传感器的安装端部。因此，在振梁的端部传感器的振动能量损失较少，因而一台利用一对平行振梁的重量测定设备具有比一套利用单根振梁的类似系统更高的Q值。

但是，在常规的使用振梁的称重设备中，制造Q值高的传感器是非常困难的。因此，对于一个利用一对平行振梁的传感器，在制造期间需要紧的公差，以保证两根振梁之间不发生失配，这种失配将使两根振梁的谐振频率产生差别。特别是，制造者必须保证，两根振梁的长度、截面和刚性相等，并且由待测重量引起的应力必须相等地施加到两根振梁的每个第一端部上。否则，频率差别会降低振动的振幅并降低Q值。因为为了防止振动的阻尼必须要有紧的公差（在微米以内）所以振梁要使用精密的切削方法来制造。结果，例如说，常规的振动型称重设备不是铸造或利用压制工具制造的。

实际上，以上述方式制造的称重装置所获得的Q值仅为约150～200的量级。因此，需要一种具有一或多根振梁的称重设备传感器，它能获得较高的Q值，并从而将振梁的在测量频率的振荡阻尼减到最小。

此外，诸如美国专利NO.4215570中公开的典型的力传感器，显示了一种由压电石英制成的双端部音叉。这类传感器存在若干缺点。传感器需要正确的晶体取向，以便把传感器的谐振频率对温度的依赖减到最小。这些传感器是用光刻法制造的，生产成本相当贵。其次，石英传感器非常脆弱，不能负担大的载荷。实际上，它们被用来传感只有几千克的重量。当测定大的重量时，有关的力并不直接加到易碎的石英传感器上。相反，它们借助于一个杠杆系统将一个正比于重量的应变加到传感器上。因此，此类传感器必须包括若干额外的动部件，进一步提高了称重设备的生产成本。

本发明的一个目的是提供一种具有高Q值的振动型称重设备。

本发明的进一步的目的是提供一种在振梁的制造过程中允许较大公差的传感器。

本发明的更进一步的目的是提供一种能够方便地价格不贵地生产的称重设备。

本发明的另一个目的是提供一种称重设备用的结构坚固的传感器。

本发明的一个额外的目的是提供一种力传感器，在这种传感器中待测重量可以直接加到振梁的端部上而不使用杠杆装置。

本发明的又一个目的是提供一种称重设备用的测量范围增大的振梁。

本发明的进一步的目的是提供一种双端部音叉型的称重设备，其中待测重量产生的应力相等地加到两根振梁的每一根上。

本发明的额外的目的和优点部分将在后面的描述中阐明，部分将从描述中明显见到，或者可从发明的实施中知道。通过附录的权利要求书中特别指出的器械手段和组合系统，可以理解和实现本发明的目的和优点。

为了达到目的并根据本发明的意图，如此处实施和广泛说明的，根据本发明所述的测定重量的设备包括：一根振梁，振梁的一段能以测定频率来回振动，该振梁具有一个并不以测定频率来回振动的节点，并具有一个第一端部和一个第二端部;用于支承待测重量的支承机构，将振梁的第一端部联接到支承机构上以便将应力加到振梁上的机构，该应力决定振梁振动的测定频率;以及一个联接到振梁的节点上的以测定频率转动的转动体。

在本发明的另一个实施例中，称重设备还包括一对平行的振梁，它们在每根振梁的第一端部和第二端部处联接在一起并形成一个音叉，每根振梁有一个并不以测定频率来回振动的节点。

被包括在说明书内并构成说明书一部分的附图，举例说明了本发明的最佳实施例，它结合文字描述阐明了本发明的原理。

图1是带一个联接到一个节点上的转动体的振梁的示意图。

图2是带一个联接到一个节点上的转动体的振梁的示意图。

图3是带一个联接到一个节点上的转动体的振梁的示意图。

图4是带一对联接到一对节点上的转动体的振梁的示意图。

图5是本发明的一个实施例的透视图。

图6是本发明的另一个实施例的透视图。

图7是本发明的又一个实施例的透视图。

图8是制造图7所示实施例的金属坯件的平面图。

图9是显示图7所示实施例的转动体的端视图。

现在详细地参考本发明当前的最佳实施例，附图说明了它的例子。

图1～3表示以特定测量频率操作的重量测定设备的最佳实施例。这种称重设备包括一根振梁，振梁的一段能以测量频率来回振动，该振梁具有一个并不以测量频率来回振动的节点，并具有一个第一端部和一个第二端部;如此处所图示，一个第一传感器100包括一根振梁或振杆102。振梁有一个第一端部112和一个第二端部113振梁102的第二端部即安装端部最好连接在安装机构103上，以固定振梁的第二端部。

按照本发明，有一个支承机构用来支承待测的重量。本发明包括将振梁的第一端部联接到支承机构上以便将应力加到振梁上的机构，该应力决定振梁振动的测量频率。如此处所图示，待测的重量悬挂在支承机构110上，支承机构通过联接机构114联接振梁的第一端部112上。结果，重量对振梁102施加一个应力，该应力正比于当振梁被激励时振梁振动的谐振频率。

本发明包括一个联接到振梁节点上的转动体，转动体以测量频率转动。如此处所图示，臂件104与振梁102成直角设置，臂的自由端连接到球形转动体106和108上。图1中的臂件104将转动体106和108联接到振梁102的节点120上。

合适的节点在振梁102上的位置取决于振梁振动的基本频率和选用来测定重量的测量频率。振梁和转动体的结合体有一个它能够振动的基本谐振频率，该频率取决于振梁的长度、截面和刚性，取决于转动体的重量和转动体偏离振梁节点的距离，取决于待测重量施加在振梁上的应力。在基本谐振频率时，振梁中心处来回出现最大振动，而节点位于振梁的第一端部和第二端部。但是，振梁102也能够以二次谐波的频率振动，它是基本频率的两倍。当以基本谐振频率的二次谐波的频率振动时，一个附加的节点刚巧位于振梁102的中点。在图1～3的实施例中，振梁102是以基本谐振频率的二次谐波振动的。因此，在图1～3的中心节点120上，不存在振梁102的来回振动。相反，节点120以测定频率转动。

振梁102可由石英之类压电型材料制成。但是，在最佳实施例中，振梁102是由合适的金属如铍铜之类非压电材料制成的。当不使用压电材料制造振梁102时，最好在振梁102上安装一个压电激励器（未图示），以激励振梁并使其振动。当所有其它因素保持不变时，加到振梁上的重量可以利用起振动检测元件作用的压电接收器（未图示）来测定，因为振梁102的振动频率将正比于由重量加在联接振梁第一端部112的支承机构110上的力。

最好是，联接机构直接将振梁102的第一（自由）端部连接到支承机构110上。但是，利用一个杠杆装置可以将应力加到振梁的自由端部112上，特别是在振梁102是由石英之类易碎材料制成的时候，石英通常不能支承超过1～2千克的重量。

如图1～3所示，在本发明中联接到节点上的转动体响应振梁的振动。图2和图3例示了钟摆式的运动，图中的运动被大大地放大了以有助于理解本发明的操作。转动体被联接到振梁102上，以便在决定振梁102振动的精密测量频率时成为主要的因素。当振梁从一个相位振荡到下一个相位时，联接到一个节点上的转动体沿振梁围绕节点以钟摆式运动的方式来回转动。

使用联接到振梁节点上的转动体，使本发明的称重设备比起常规的振动型称重设备来具有明显的优点。最重要的是，Q值获得戏剧性的提高，因为振梁的谐振频率现在是由振梁的参数和转动体的参数两者决定的。系统贮存的能量与系统损失的能量之比提高了，因为象钟摆一样运动的转动体其作用犹如一个机械飞轮，它吸收能量峰值，并增强传感器抵抗频率变化的能力，这种频率变化是由内部或外部来源的短期影响所引发的。本发明的称重设备的Q值显示出一个数量级的改善。常规称重设备的Q值约为150～200，它可能严重地阻尼振梁的振动，甚至可能导致系统中的振动消失，而根据本发明制造的称重装置的Q值约为2000～4000。另一个重要的优点是制造公差出现相当大的放宽，导致称重设备具有与常规称重设备同样的Q值，但生产起来能够方便得多和价格较低。这种公差的放宽归因于下列事实，就是谐振频率戏剧性地受呈现钟摆式运动的转动体的存在的影响，以致于振梁本身不再是决定传感器谐振频率的关键性因素。

本发明可以用于与基本谐振频率的任何谐波或泛音相对应的测量频率（和节点）。例如，在图4中振梁振动的测量频率是基本谐振频率的第一泛音。当以第一泛音振动时，振梁将有两个并不位于振梁端部的节点。如图4中所示，第一节点120a的位置靠近振梁的安装端部，而第二节点120b的位置靠近振梁102的自由端部。第一对转动体106a和108a被联接到第一节点120a，而第二对转动体106a和108b被联接到第二节点120b上。图4与图1～3的比较表明，不管与所用的特定测量频率相对应的节点数目是多少，本发明的操作方式都完全类似。当振梁102的振荡方式在特定的谐波或泛音出现变化时，可以通过提供转动体的办法来达到本发明的目的，这些转动体联接与该特定振动频率相对应的全部节点或选定的一些节点。

本发明可以包括一对平行的振梁，它们在每个振梁的第一端部和第二端部处联接在一起，形成一个音叉，每根振梁有一个并不以测量频率来回振动的节点。本发明的一个最佳实施例示于图5。如此处所图示，力传感器10包括两据平行的振梁12和14。第一振梁12和第二振梁14在第一端部部分16和第二端部部分18处联接在一起。假定传感器是以二次谐波振动的，每根振梁的中间节点将位于其中心。

如此处所图示，转动体13被联接到第一振梁12的节点上，而转动体15被联接到第二振梁14的节点上。最好是，转动体通过臂件13a和15a联接到节点上，而每个转动体取H截面的形状，具有分别联接到臂件13a和15a上的支臂13b、13c和15b、15c。

按照本发明的一个方面，传感器有一个第一端部部分和一个第二端部部分，它们分别将第一振梁和第二振梁的第一端部和第二端部联接在一起。如此处所图示，第一端部部分16将振梁12和14的第一（自由）端部联接在一起。第二端部部分18将第一和第二振梁的第二（安装）端部联接在一起。

最好是，每个端部部分包括一个向内突出的凸出部，以消除端部部分中的振动。如此处所图示，第一端部部分16有一个向振梁的第二端部延伸的凸出部36，而第二端部部分18有一个向振梁的第一端部延伸的凸出部38。当称重设备中的振梁振动时，在将双端部音叉的端部联接在一起的端部部分中，容易发生小的振荡。但是，使用了位于这些端部部分上的向内突出的凸出部，由于在端部部分16和18中稍许吸收或有助于消除这些振动，因而趋向于提高传感器的Q值。

在最佳实施例中，将第一和第二振梁的第一端部联接到支承机构上的机构，直接将支承机构联接到第一端部部分上而不用杠杆装置。这种直接连接消除了当称重设备中使用石英传感器时所需要的复杂而昂贵的杠杆系统，从而简化了称重设备，使它可以以低得多的成本生产。联接支承机构所用的机构最好为纵向延伸部。如此处所图示，第一端部部分16通过第一纵向延伸部22直接连接到载荷板32上。

在本发明的这一最佳实施例中，称重设备有一个安装机构，而且称重设备包括一个将第二端部部分联接到安装机构上以尽可能减小第一和第二振梁的阻尼用的机构。如此处所图示，第二端部部分18通过第二纵向延伸部20联接到安装机24上。

在双端部音叉的一个端部部分和待测重量用的支承机构之间与在双端部音叉的另一个端部部分和称重设备用的安装机构之间设置联接机构，可以起重要的作用。如此处所图示，纵向延伸部有助于减弱从端部部分16和18来的未消除的振荡，并使安装板24和载荷板32与振荡音叉相隔离。结果，在第一和第二振梁中将使所要的振动阻尼较小，而传感器的机构Q值提高了。此外，安装机构和音叉之间的隔离尽可能地减小了振梁的阻尼，这种阻尼可能作为安装板24的相对静止特性的结果而产生。

在本发明的最佳实施例中，有一个扭转的延伸部用来将第一端部部分联接到支承机构上，以便将大体上相同的应力施加到第一和第二振梁上。如此处所图示，第一纵向延伸部22将第一端部部分16直接连接到载荷板32上，载荷板有一个洞孔39。当传感器被用于重量测定时，可以利用洞孔39将重量加在载荷板上而使待测重量直接悬挂在传感器10上。于是，例如可以将一个悬挂在钩上的称重盘连接到载荷32上。如前所述，在一个利用双端部音叉的称重设备中，两个振梁的谐振频率互相匹配是重要的。但是，每个振梁的谐振频率将取决于加到该振梁上的应力的大小。因此要求由于待测重量而加到传感器上的应力对每根振梁是相等的。因此，在第一纵向延伸部22中最好存在一个90°的扭转。这种扭转对于加到两根振梁上的载荷进行平均是非常有效的。当每根振梁上的力用其它方法不能平均时（比如当重量偏离中心或称重盘摆动时），延伸部的扭转可使第一振梁12和第二振梁14之间的不同载荷进行平均。

最好是，将第二端部部分联接到安装机构上的机构也包括一个扭转的延伸部，用来对第一和第二振梁施加基本上相同的应力。如此处所图示，第二纵向延伸部20也扭转90°，以使第一和第二振梁上的不同载荷进行平均。

如图5中所示，安装板24大体上为C形。安装板的功用是将传感器牢固地固定在某种装置（未图示）上。在本实施例中，传感器利用安装板24中的一个安装孔或多个洞孔固定。如此处所图示，本实施例设有两个安装孔26和28，它们与传感器的纵轴等距离。安装孔的位置要使安装板24的中心区域30是自由的，从而尽可能减小每根振梁的阻尼。另一种办法是，可以在安装板24中沿传感器的纵轴设置单独一个安装孔，从而防止在两个振梁的每一个上施加不均匀的应力。通常最好使用单独一个安装孔而不用两个安装孔，以免在两根振梁上施加不均匀的应力;这种情况能够发生，因为当利用安装孔26和28中的一对螺栓固定时，在重量加到载荷板32上时安装板易于移动和弯曲。

本发明最好包括一个联接到振梁上的压电接收器，用来产生频率为振梁来回振动的测定频率的输出信号。如此处所图示，压电接收器42被安装在第一振梁14上。

当振梁是用金属之类非压电材料制成时，本发明可以包括一个联接到振梁上的压电激励器，当输入信号被加到激励器上时，激励器产生振动。如图5中所示，压电激励器40被安装在第一振梁12上。在操作中，一个脉冲输入信号被提供给压电激励器40，使激励器和安装激励器的振梁12产生振动。当振梁以谐振频率振动时，在振梁12来回振动到激励器40收到先前的脉冲输入信号时振梁所在的同一位置的那个准确时刻，后续的脉冲输入信号将激励激励器40和振梁12。在一个双端部音叉型传感器中，振梁12中的振动在第二振梁14中造成振动相位相差180°。振梁14中的这一振动被安装在振梁14上的压电接收器42所检测，它产生频率与振梁的振动频率相同的输出信号。从接收器42来的输出信号可以反馈给激励器40，造成一个在特定的测量频率振荡的系统。每根振梁振动的谐振频率在力学的基础上纯粹由一或多根振梁和一或多个转动体的特征所决定，以及由待测重量加到振梁上的应力所决定。

在本发明的最佳实施例中，微型计算机机构被联接到压电接收器上，并对输出信号作出响应，以测定重量的大小。如此处所图示，在安装板24上设有支脚33和34，作为将印刷电路板固定到传感器上的机构。为了避免与传感器10相互妨碍，支脚33和34是弯曲的，使得能够平行地安装印刷电路板。印刷电路板可以包括对压电接收器42来的输出信号进行传感和分析的电子线路，包括微型计算机机构。

通常，使用一台微处    理机和一台计数器来测量振梁的振动频率。在一种优选方法中，对输出脉冲的数目进行计数，直到达到一个固定的数目，而振动频率可以在固定的输出脉冲数产生之前出现的同步脉冲周期数的基础上测定。在一种替代方法中，对固定的同步脉冲周期数进行从压电接收器来的输出脉冲的计数，而计数的输出脉冲数被微处理机用来测定振梁振动的频率。在本发明的另一最佳实施例中，连接到传感器10的支脚33和34的电路板可以包括一个显示被测重量的数字显示器。如上所述振梁振动的频率正比于加到振梁上的应力，因此振梁振动的测量频率可以用来精确地测定传感器上的重量。微型计算机机构被用来测量当一个重量被支承机构支承时振梁的振动频率的变化，并以这种变化为基础计算出这一重量。

在本发明的一种最佳实施例中，一个压电接收器在振梁于测量频率下出现最大来回振动的极大点处被联接到振梁上。同样，在一种最佳实施例中一个压电接收器也在极大点被联接到振梁上。如此处所图示，图5的称重设备在每根振梁的中心有一个节点。假定二次谐波被用作测量频率，那末振动节点出现在振梁的中心和两端，而最大振动出现在每根振梁的中心和两端之间刚巧半中间的那些点上。因此，当一根振梁被一个压电激励器以二次谐波频率激励时，如果激励器安置在振梁上两个极大点中的一个处，那末在安装了激励器的振梁中将引发最大的振动量。另一方面，当振梁被激励而在特定的测量频率振动，并且压电激励器对于该测定频率被安置在节点附近时，振梁的来回振动将相当小。

同样，压电接收器最好位于用作测定频率的谐波或泛音的波峰处。当位于振梁上该测定频率的振动极大点时，由于大的来回运动，压电接收器将产生最强的输出信号。将压电接收器置于这一位置的另一个好处是，它有助于滤去其它谐振频率，这些其它谐振频率并不对应于所要的测量频率，但振梁可能以这些频率振动。例如，如果二次谐波被用作测量频率，接收器将安置在振梁长度的四分之一或四分之三的点上。在这些点上存在三次谐波频率时出现的振动节点，而基本频率或第一泛音的振动并不位于其最大振幅上。结果采用这种方式对压电激励器和压电接收器进行定位，可以获得同样的性能，但对除了所要的测量频率以外的频率的电子滤波较少。

在图5的实施例中，激励器40被安装在第一振梁12上，接收器42被安装在第二振梁14上。但是，考虑到传感器的对称性质，激励器和接收器的位置可以互换。

在本发明图7的实施例中，小于100千克的重量用一个包括一对振梁的传感器测量，振梁的尺寸为长38毫米、宽2毫米和厚0.55毫米。当利用这些尺寸按照本发明的实施例制造称重设备时，可以使用对二次谐波为约1.4千赫的测量频率作为测量频率。但是，本发明的操作不限于任何特定的频率，也可以利用任何谐波或泛音作为测量频率。如果制造没有联接振梁节点的转动体的重量测定设备，等价的测量频率将为约3～4千赫。

如此处所图示，每个重臂13b、13c、15b和15C以图1～3中所示的钟摆式运动的方式振荡。如上所述，转动体在决定传感器测量频率中是关键性的要素。由于装设了这些转动体，第一和第二振梁之间的任何失配很容易被克服。因此，得到约为4000至6000的大为改善的Q值，并且与常规的双端部音叉装置不同，为了保证两根振梁在同一频率振荡，并不需要非常紧的制造公差。在常规的单振梁或双振梁装置中，振梁的长度、截面和刚性是严格要求的。相反，在本发明的性能中，这三项参数对于转动体都不起关键性的作用。

装设一个联接振梁上节点的转动体并使其进行钟摆式运动，比起利用单振梁或双端部音叉装置制造的常规传感器来，具有重要的优点。不仅是系统的Q值大大提高了，，而且在制造公差方面可以得到大的放宽，并且传感器的生产成本大为降低。其次，当使用一对振梁时，在相应的转动体之间的较小差别并不象常规传感器的振梁之间的相似差别那样关键，尽管两个转动体彼此不能过分地不一致，否则两个振梁将会彼此独立地振荡。其次，转动体可以采取各种形状、大小和角度，虽然联接到一对振梁上的转动体最好是在一定程度上互相对称。同样，转动体原理可以应用于被用作测量频率的任何谐波或泛音，只要转动体被联接到对应于该频率的振梁节点上，当利用转动体时，影响测量频率的主要因素为转动体的重量和转动体与它所联接的节点之间的距离。这些参数可以调整，以便获得最高的Q值，虽然传感器对适当宽的公差也能运行良好。如此处所图示，最好采用H形的转动体。当转动体象钟摆一样运动时，这样一种形状形成最小的拍击空气的前沿区域，从而减小传感器的能量损失并提高系统的Q值。同时转动体最好是相当短而粗的，不要太长。这样一种装置将称重设备的测量频率受转动体的特征谐振频率的显著影响的可能性减到最小，该转动体的形状和动作类似一个独立的振梁。其它的转动体装置也有可能达到本发明的某些目的。例如，在节点处鼓出的振梁或节点处由较重材料制成的振梁可以具有以其它方式形成的转动体的某些相同优点。

在本发明的一种最佳实施例中，传感器元件的制造不使用石英之类脆弱材料。相反，传感器由任何合适的金属或合金制成。铍铜由于具有相当高的Q值和相当小的蠕变特性，是适于采用的优选材料。某些牌号的铝如2014Tb具有较高的Q值，但有蠕变较高的缺点，而牌号为7075T841的铝蠕变比较小，但仍高于铍铜2～4倍。也可以采用其它材料，如陶瓷、氧化铝、软钢、不锈钢或高抗拉钢。使用这些材料可以改善传感器的坚固耐用性，并能够做到更为方便并降低制造费用。

本发明的最佳实施例的另一优点是，传感器的大小可以容易地变化，以控制被测的最大载荷。代替石英之类易碎的材料，传感器可以使用更坚固的材料制造，这种传感器可以直接连接到支承机构上，不需要会增加成本和需添加若干动部件的复杂的杠杆系统。对图7中的传感器给定的每根振梁的尺寸可以支承100千克的重量。为了支承高达200千克的重量，通过使每根振梁的宽度由2毫米加倍到4毫米的办法可以很容易地使传感器改型。这样，对于相同的外加应力，振梁将能够载荷两倍的重量。但是，希望保持同样的振梁刚性，以便可以利用同样的测量频率。振梁的刚性直接正比于宽度。因此，通过使振梁宽度加倍以使可测重量加倍的办法，振梁的刚性也加倍了。但是，刚性与振梁长度的立方成反比。因此，为了维持同样的测量频率，振梁宽度的加倍通过振梁长度的较小变化来抵消。另一种办法是，可以改变振梁的厚度而不改变长度，但此时刚性正比于厚度的平方。这样，当必须生产一种称重设备以用来测量增加的重量时，可以通过制造振梁的一种简单变型来设计结构，而不需增加特殊的杠杆装置。

使用一个联接到振梁节点上的转动体，可以容易地降低传感器的制造成本。因为制造传感器零件的公差放宽了，所以不需要精密的切削方法。因此，传感器可以用氧化铝或陶瓷之类材料铸造而成，或者重量测定设备可以利用压制工具从金属坯料制成。在最佳实施例中，传感器是通过冲压金属而成型的。当传感器10是利用压制工具从金属坯料制成时，传感器的强度和刚性通过工件淬火而提高。另一种办法是，传感器可以通过机械加工而成型。

虽然在本发明的最佳实施例中振梁是由合适的非压电材料制成的并联接了一个压电激励器，但本发明也可以利用一个压电振梁，而不需要压电激励器。

图6展示本发明的一个替代的实施例，其中使用同样的参考编号表示图5中所示的实施例中有的那些相同的零件。在该实施例中，安装板24上没有用来将印刷电路板连接到安装板上的支脚。此外，第一纵向延伸部22和第二纵向延伸部20扭转约180°而不是90°虽然这有助于将第一和第二振梁上的外加应力的失配减到最小，但当利用90°扭转时，这一功用能更为有效地达到。

图7～9展示力传感器10的一种替代的实施例。在本发明的此种最佳实施例中，重量测定设备由金属坯料利用压制工具制成，获得如前所述的优点，力传感器10由图8所示的金属坯料130制成。如此处所图示，一块金属薄板被用于制造传感器10。因此，坯料130可以用铍铜薄板经过冲压而后制成。在这种实施例中第一和第二振梁12和14通常厚0.55毫米，这比图5和图6中所示的振梁的厚度要薄多了，后者厚约2.25毫米。这减少了制造传感器所用的材料费用，使得可以使用Q值更高的较昂贵的材料而不增加总费用。

如图7所示，第一和第二振梁12和14的平面取向相对于图5、图6所示的第一和第二振梁的配置成直角。在每种实施例中，振动沿测量振梁厚度的方向产生，而振梁的这种重新取向并不改变其性能。转动体13b和15b平行于相应的转动体13C和15C并同它们错开，所有这些转动体都垂直于相应振梁的平面。力传感器以类似于图5和图6所示的实施例的方式进行操作。由于转动体的存在，产生了公差的放宽-例如，如果转动体之间在支臂13b和13C相对。于臂13a弯曲的点上存在轻微的错开，那末传感器的性能将不会受很大的影响。支臂13b、13c、15b和15C的配置方式使得它们以钟摆方式转动时受到最小的空气阻力。

对于精通技术的人来说很明显的是，本发明的传感器可以做成各种改型和变型而不偏离本发明的范围或实质。例如，转动体可以制成各种形状，可以用各种方法联接到振梁的节点上。因此，如果本发明的改型和变型属于本专利所附权利要求书及其等价文件的范围内，那末我们要求本发明包括这些改型和变型。

Claims (22)

1、一种测定重量的设备，它包括：

一根振梁，振梁的一段能以测定频率来回振动，该振梁具有一个并不以测定频率来回振动的节点，并具有一个第一端部和一个第二端部：

用于支承待测重量的支承机构；

将振梁的第一端部联接到支承机构上以便将应力加到振梁上的机构，该应力决定振梁振动的测定频率；以及

一个联接到振梁的节点上的以测定频率转动的转动体。

2、一种如权利要求1所述的设备，其中装有：

一对平行的振梁，它们在每根振梁的第一端部和第二端部处联接在一起并形成一个音叉，每根振梁有一个并不以测定频率来回振动的节点。

3、如权利要求1所述的重量测定设备，它还包括：

一个连接到振梁第二端部上的安装机构。

4、如权利要求2所述的重量测定设备，它还包括：

一个连接到第一和第二振梁的第二端部上的安装机构。

5、如权利要求2所述的重量测定设备，它还包括：

在每根上述振梁上的用来将两根振梁的第一端部联接在一起的第一端部部分和在每根振梁上的用来将上述两根振梁的第二端部联接在一起的第二端部部分。

6、如权利要求5所述的重量测定设备，其中每个端部部分包括一个向内突出的凸出部，用来消除相应端部部分中的振动。

7、如权利要求5所述的重量测定设备，它还包括：

一个称重设备用的安装机构;以及

将第二端部部分联接到安装机构上以便尽可能减小第一和第二振梁的阻尼的机构。

8、如权利要求5所述的重量测定设备，其中将第一和第二振梁的第一端部联接到支承机构上的机构直接将支承机构连接到第一端部部分上。

9、如权利要求8所述的重量测定设备，其中联接到支承机构上的机构包括一个扭转的延伸部，用来对第一和第二振梁施加基本上相同的应力。

10、如权利要求9所述的重量测定设备，其中延伸部扭转约90°。

11、如权利要求7所述的重量测定设备，其中将第二端部部分联接到安装机构上的机构包括一个扭转的延伸部，用来对第一和第二振梁施加基本上相同的应力。

12、如权利要求11所述的重量测定设备，其中延伸部扭转约90°。

13、如权利要求1所述的重量测定设备，它还包括：

一个联接到振梁上的压电接收器，用来产生频率为振梁来回振动的测定频率的输出信号。

14、如权利要求2所述的重量测定设备，它还包括：

一个联接到振梁中的一根上的压电接收器，用来产生频率为那一根振梁来回振动的测定频率的输出信号。

15、如权利要求13所述的重量测定设备，其中振梁是由非压电材料制成的，而且它还包括：

一个联接到振梁上的压电激励器，当输入信号被加到激励器上时，激励器产生振动。

16、如权利要求14所述的重量测定设备，其中第一和第二振梁是由压电材料制成的，而且它还包括：

一个联接到振梁中的一根上的压电激励器，当输入信号被加到激励器上时，激励器产生振动。

17、如权利要求14所述的重量测定设备，其中压电接收器在那一根振梁于测量频率下出现最大来回振动的极大点处被联接到那一根振梁上。

18、如权利要求16所述的重量测定设备，其中压电激励器在那一根振梁于测量频率下出现最大来回振动的极大点处被联接到那一根振梁上。

19、如权利要求17所述的重量测定设备，其中压电激励器在另一根振梁于测量频率下出现最大来回振动的极大点处被联接到该另一根振梁上。

20、如权利要求13所述的重量测定设备，它还包括：

被联接到压电接收器上并对输出信号作出响应以测定重量大小的微型计算机机构。

21、如权利要求14所述的重量测定设备，它还包括：

被联接到压电接收器上并对输出信号作出响应以测定重量大小的微型计算机机构。

22、如权利要求16所述的重量测定设备，其中一对平行的振梁、支承机构、联接到支承机构上的机构以及转动体，都是利用压制工具从金属坯科制成的。

23、如权利要求16所述的重量测定设备，其中一对平行的振梁、支承机构、联接到支承机构上的机构以及转动体，都是用铍铜制成的。

Images