專(zhuān)利名稱(chēng)：金屬膜式脈沖輸出型鋼體彈性微變量傳感器及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器及其測(cè)量方法，特別是涉及一種金屬膜式脈沖輸出型鋼體彈性微變量傳感器及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
原傳統(tǒng)的力敏應(yīng)變片式傳感器的電氣符號(hào)為“LR”，又可以嚴(yán)格地定義為“半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片式鋼體彈性微變量傳感器”，這種傳感器屬于半導(dǎo)體器件類(lèi)，是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)量物體產(chǎn)生應(yīng)變的器件。由于物體受到外力的作用，產(chǎn)生相應(yīng)的形變，力敏應(yīng)變片式傳感器就可以間接地測(cè)量出外力的大小。
力敏應(yīng)變片式傳感器的測(cè)量原理為力敏應(yīng)變片型傳感器可以作為電阻器來(lái)等效，當(dāng)電阻導(dǎo)體的截面積和電阻率一定時(shí)，其電阻值與電阻導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比，在無(wú)外力的作用下應(yīng)變片型傳感器的輸出阻抗為一固定的電阻值。在使用時(shí)這個(gè)半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片傳感器用一定電路形式連接后，被牢固緊密的粘貼在被檢測(cè)金屬物體的表面。當(dāng)這個(gè)金屬體受到力的作用時(shí)，其金屬體表面就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的幾何機(jī)械形變，被牢固緊密粘貼的半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片傳感器也隨之發(fā)生幾何形變，或拉長(zhǎng)變細(xì)，或縮短變粗。由于半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片傳感器在鋼體彈性微變形的作用下發(fā)生形變，使得半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片傳感器內(nèi)部的半導(dǎo)體晶格也發(fā)生錯(cuò)位變形，因而使得半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片傳感器的輸出電阻隨著金屬?gòu)椥晕⒆兞康淖兓兓ㄟ^(guò)不同電路的連接形式，使得半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片傳感器輸出電壓的變量也隨著金屬?gòu)椥晕⒆兞康淖兓兓瑥亩_(dá)到將金屬?gòu)椥晕⒆兞康淖兓D(zhuǎn)換為電性參數(shù)變化的目的。
力敏應(yīng)變片型傳感器從它誕生到現(xiàn)在的發(fā)展，已有近半個(gè)多世紀(jì)的歷史了，在理想的客觀(guān)條件下，應(yīng)變片型傳感器呈現(xiàn)出良好地輸出的外特性、體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，因而應(yīng)變片型傳感器在很多的領(lǐng)域中被應(yīng)用。由于應(yīng)變片型傳感器的材料采用的是半導(dǎo)體材料，其基本物理特性，在某些特殊地場(chǎng)合條件的檢測(cè)要求下，又是它們的致命弱點(diǎn)。其弱點(diǎn)如下(1)半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片傳感器為半導(dǎo)體的硅材料所制，對(duì)其溫度有較高的靈敏度，因此不適合在溫度環(huán)境變化跨度較大的場(chǎng)合使用。
(2)半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片傳感器為半導(dǎo)體的硅材料和其它材料合成所制，其機(jī)械彈性的壽命有限。
(3)由于使用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片傳感器需要用粘接劑將半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片牢固緊密的粘貼在被檢測(cè)金屬物體的表面，因此在無(wú)損傷檢測(cè)時(shí)不宜使用。
(4)使用半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片傳感器時(shí)，需要用粘接劑將半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片牢固緊密的粘貼在被檢測(cè)取樣金屬物體的表面上，在一定程度上影響了檢測(cè)精度和范圍。
(5)粘接工藝復(fù)雜，難度高，不易操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述的半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片作為鋼體彈性微變量傳感器的弱點(diǎn)，提供了一種檢測(cè)范圍大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和穩(wěn)定性好的金屬共振膜式數(shù)字脈沖串輸出型的鋼體機(jī)械微變量傳感器的設(shè)計(jì)。
發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種金屬膜式脈沖輸出型的鋼體彈性微變量傳感器，其特征在于所述的傳感器包括一個(gè)金屬振動(dòng)膜I，位于金屬振動(dòng)膜I一端的固定端點(diǎn)A，位于金屬振動(dòng)膜I另一端的受力位置可移動(dòng)端點(diǎn)B，與金屬振動(dòng)膜I連接的基準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)諧器E，一端與共振選頻器Y相連接，另一端與金屬膜I連接的諧波驅(qū)動(dòng)器Z，共振選頻器Y另一端與檢測(cè)電路X相連接，檢測(cè)電路X一端與諧波驅(qū)動(dòng)器Z相連接，另一端與輸出負(fù)栽相接。
一種金屬膜式脈沖輸出型的鋼體彈性微變量傳感器的測(cè)量方法，其特征在于將傳感器通過(guò)金屬膜固定端點(diǎn)A，可移動(dòng)端點(diǎn)B及連接臂C和D與被測(cè)金屬鋼體連接，基準(zhǔn)頻率調(diào)諧器E與位于金屬膜固定端點(diǎn)A和可移動(dòng)端點(diǎn)B之間的金屬膜I連接，用于測(cè)量金屬膜基礎(chǔ)靜態(tài)共振頻率；諧波驅(qū)動(dòng)器Z一端與共振選頻器Y相連接，一端與金屬膜I連接，在諧波驅(qū)動(dòng)器Z的激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)下，金屬膜I獲得振動(dòng)所需的能量，使金屬膜I的固有頻率與電磁諧波分量中的響應(yīng)點(diǎn)共振，諧振跟隨器對(duì)激勵(lì)脈沖中的諧波分量進(jìn)行共振性的選擇，共振選頻器Y另一端與檢測(cè)電路X相連接，共振選頻器Y將金屬膜I固有頻率的振動(dòng)波轉(zhuǎn)換為同頻同相的正弦波電信號(hào)，輸入檢測(cè)電路X處理放大，檢測(cè)電路X一端與諧波驅(qū)動(dòng)器Z相連接，另一端與輸出負(fù)栽相接，檢測(cè)電路X輸出的信號(hào)一路輸入諧波驅(qū)動(dòng)器Z，作為金屬膜I振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能量，另一路作為本傳感器電變量信號(hào)響應(yīng)的輸出端。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)靈敏度高可以檢測(cè)鋼體從幾微米到幾百微米的金屬?gòu)椥园l(fā)生微變量；(2)響應(yīng)速度快由于本傳感器可動(dòng)部分的質(zhì)量較小，頻率響應(yīng)速度快；(3)輸出形式傳感器輸出為數(shù)字串行量的電信號(hào)；(4)自身發(fā)熱影響?。?5)工作穩(wěn)定性好選擇低溫度系數(shù)的材料，進(jìn)行良好的淬火工藝處理；(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝調(diào)試和修理；(7)適應(yīng)性好由于這種傳感器沒(méi)有特殊的有機(jī)材料和磁性材料，可以在有各種輻射的惡劣環(huán)境中工作；(8)抗干擾能力強(qiáng)，有良好的電磁兼容性。


附圖1是金屬膜式鋼體彈性微變量傳感器的基本原理示意圖；附圖2是金屬膜式脈沖輸出型鋼體彈性微變量傳感器的原理結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例金屬膜式脈沖輸出型的鋼體彈性微變量傳感器的基本設(shè)計(jì)思想如圖1所示，其中A是金屬膜參考位置的固定端點(diǎn)，B是金屬膜受力位置的端點(diǎn)，I是連接A和B的金屬膜。設(shè)金屬膜I有三種工作狀態(tài)。
狀態(tài)(1)金屬膜I在基準(zhǔn)張力為F2的狀態(tài)時(shí)，也就是金屬膜I在外力為零時(shí)的平衡位置時(shí)，設(shè)金屬膜I的固有頻率f2等于靜態(tài)工作點(diǎn)的基準(zhǔn)頻率f2。此時(shí)金屬膜I沒(méi)有受到外力的作用時(shí)，所對(duì)應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)波的頻率是f2，又可以稱(chēng)為零點(diǎn)基準(zhǔn)頻率。
狀態(tài)(2)金屬膜I在合成張力為F1的狀態(tài)時(shí)，也就是金屬膜I在負(fù)外拉力-ΔF的作用下，使金屬膜的合成張力減少，既基準(zhǔn)張力F2-ΔF＝合成張力F1，這時(shí)的金屬膜I縮短-d。此時(shí)的金屬振動(dòng)膜I受到負(fù)外拉力-ΔF后，所對(duì)應(yīng)金屬膜I的機(jī)械振動(dòng)波的頻率是f1，此時(shí)金屬膜I的機(jī)械振動(dòng)頻率f1小于零點(diǎn)基準(zhǔn)頻率f2。
狀態(tài)(3)金屬膜I在合成張力為F3的狀態(tài)時(shí)，也就是金屬膜I在正外拉力+ΔF的作用下，使金屬膜的合成張力增加，既基準(zhǔn)力F2+ΔF＝合成張力F3，這時(shí)的金屬膜I增長(zhǎng)+d。此時(shí)的金屬振動(dòng)膜I受到正外拉力+ΔF作用后，所對(duì)應(yīng)金屬膜I的機(jī)械振動(dòng)波的頻率是f3，此時(shí)金屬膜I的機(jī)械振動(dòng)頻率f3大于零點(diǎn)基準(zhǔn)頻率f2。
金屬膜式脈沖輸出型鋼體彈性微變量傳感器的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中A代表金屬膜參考位置的固定端點(diǎn)；B代表金屬膜受力位置的端點(diǎn)；C代表傳感器與被檢測(cè)金屬鋼體連接臂；D代表傳感器與被檢測(cè)金屬鋼體連接臂；E代表基準(zhǔn)調(diào)諧器；G代表傳感器的外殼；I代表金屬膜裝置；H代表待檢測(cè)金屬鋼體。
金屬膜式脈沖輸出型鋼體彈性微變量傳感器是把剛體彈性微變量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)變量的一種傳感器，它是由機(jī)械諧振跟隨器、共振選頻器、諧波驅(qū)動(dòng)器和檢測(cè)整形電路等部分所組成。當(dāng)本傳感器安裝在被檢測(cè)金屬鋼體的采樣部位時(shí)，被檢測(cè)金屬鋼體受到外力的作用，使鋼體產(chǎn)生微量的彈性變形，通過(guò)本傳感器與被檢測(cè)金屬鋼體的連接臂傳遞到本傳感器的機(jī)械諧振跟隨器上。這是作用力通過(guò)金屬變形信息傳遞的過(guò)程。由于機(jī)械諧振跟隨器金屬膜的截面積與被檢測(cè)金屬鋼體的截面積相比很小，在單位壓強(qiáng)方面對(duì)于作用力的分散可以忽略不計(jì)。
金屬膜式脈沖輸出型鋼體彈性微變量傳感器通常處于靜態(tài)的工作狀態(tài)，也就是在基準(zhǔn)位置上，對(duì)傳感器的金屬膜施加一個(gè)基礎(chǔ)的靜態(tài)張力，并設(shè)定此張力為本傳感器內(nèi)部的基礎(chǔ)靜態(tài)力，由這個(gè)基礎(chǔ)靜態(tài)張力所產(chǎn)生的金屬膜固有頻率為基礎(chǔ)靜態(tài)共振頻率。如圖2所示，所述的傳感器金屬膜的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)包括金屬膜參考位置是固定端點(diǎn)A，金屬膜受力位置是可移動(dòng)端點(diǎn)B，金屬振動(dòng)膜I連接固定端點(diǎn)A和移動(dòng)端點(diǎn)B，基準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)諧器E與金屬膜I和機(jī)械支架G連接，機(jī)械支架外殼G支撐著整個(gè)金屬膜裝置和電信息變換裝置，基準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)諧器E用于調(diào)節(jié)金屬膜I的基準(zhǔn)靜態(tài)振動(dòng)頻率。所述的傳感器信息傳遞及轉(zhuǎn)換的電子部分結(jié)構(gòu)包括電子共振選頻器Y、諧波驅(qū)動(dòng)電路Z和檢測(cè)整形電路X和輸出端口W等部分所組成。電子共振選頻器Y的輸出端是檢測(cè)整形電路X輸入端，檢測(cè)整形電路X輸出端是諧波驅(qū)動(dòng)電路Z和輸出端端口W的輸入端。
諧波驅(qū)動(dòng)器Z與共振選頻器Y相連接，傳感器在諧波驅(qū)動(dòng)器Z的激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)下，使金屬膜I獲得振動(dòng)所需的能量，這個(gè)驅(qū)動(dòng)激勵(lì)脈沖中含用豐富的高次諧波電磁分量，使金屬膜I的固有頻率與電磁諧波分量中的響應(yīng)點(diǎn)共振，諧振跟隨器對(duì)激勵(lì)脈沖中的諧波分量進(jìn)行共振性的選擇。共振選頻器Y與檢測(cè)電路X相連接，共振選頻器Y將金屬膜I固有頻率的振動(dòng)波轉(zhuǎn)換為同頻同相的正弦波電信號(hào)，輸入檢測(cè)電路X處理放大。檢測(cè)電路X與諧波驅(qū)動(dòng)器Z相連接，另一端與輸出負(fù)栽相接。檢測(cè)電路X輸出的信號(hào)一路輸入諧波驅(qū)動(dòng)器Z，作為金屬膜I振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能量，另一路作為本傳感器電變量信號(hào)響應(yīng)的輸出端。本傳感器諧振跟隨器的共振點(diǎn)是隨著機(jī)械剛體的微量變化而變化的，又可以稱(chēng)為跟隨型諧振傳感器，E是傳感器的基準(zhǔn)頻率調(diào)諧器與金屬膜I部分連接。
本發(fā)明提供的金屬膜式脈沖輸出型鋼體彈性微變量傳感器的設(shè)計(jì)思想，包括所述的機(jī)械諧振跟隨器、電子共振選頻器、諧波驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)整形電路等部分所組成。
其特征是A是金屬膜參考位置的固定端點(diǎn)，B是金屬膜受力位置的端點(diǎn)(又可以稱(chēng)為移動(dòng)端點(diǎn))，I是連接固定端點(diǎn)A和移動(dòng)端點(diǎn)B的金屬膜，E部分是傳感器的基準(zhǔn)頻率調(diào)諧器。金屬膜可分三種工作狀態(tài)，即狀態(tài)(1)；狀態(tài)(2)；狀態(tài)(3)。
狀態(tài)(1)時(shí)金屬膜I在外力為零時(shí)，合成張力為F2的狀態(tài)，金屬膜I的固有頻率等于本傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)的基準(zhǔn)頻率。由于金屬膜I沒(méi)有受到外力的作用，所對(duì)應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)波的頻率是傳感器的零點(diǎn)基準(zhǔn)頻率。
狀態(tài)(2)時(shí)金屬膜I在合成張力為F1的狀態(tài)時(shí)，也就是金屬膜I在負(fù)外拉力的作用下，金屬膜I縮短，從而使金屬膜I的合成張力減少。此時(shí)的金屬膜I受到負(fù)外拉力后，所對(duì)應(yīng)金屬膜I的機(jī)械振動(dòng)波的頻率小于傳感器的零點(diǎn)基準(zhǔn)頻率。
狀態(tài)(3)時(shí)金屬膜I在合成張力為F3的狀態(tài)時(shí)，也就是金屬膜I在正外拉力的作用下，金屬膜I增長(zhǎng)，從而使金屬膜I的合成張力增加。此時(shí)的金屬膜I受到正外拉力作用后，所對(duì)應(yīng)金屬膜I的機(jī)械振動(dòng)波的頻率是大于傳感器的零點(diǎn)基準(zhǔn)頻率。
當(dāng)本傳感器安裝在被檢測(cè)金屬鋼體的采樣部位時(shí)，被檢測(cè)金屬鋼體受到外力的作用，使鋼體產(chǎn)生微小的變形，通過(guò)本傳感器與被檢測(cè)金屬鋼體的連接臂傳遞到本傳感器的機(jī)械諧振跟隨器上，從而使得金屬膜所受的合力發(fā)生變化。由于金屬膜所受的合力發(fā)生了變化，使得金屬膜的固有機(jī)械共振頻率也發(fā)生相應(yīng)的變化。也就是在基準(zhǔn)的位置上，金屬膜式鋼體彈性微變量傳感器通常處于靜態(tài)的工作狀態(tài)。在調(diào)試中，我們通過(guò)基準(zhǔn)調(diào)節(jié)器對(duì)本傳感器的金屬膜施加一個(gè)靜態(tài)張力，并設(shè)定此張力為本傳感器內(nèi)部的基準(zhǔn)靜態(tài)張力，由這個(gè)基礎(chǔ)靜態(tài)張力所引起產(chǎn)生的金屬膜固有機(jī)械振動(dòng)頻率為金屬膜式鋼體彈性微變量傳感器的基準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)械共振波頻率。
諧波驅(qū)動(dòng)電路與電子共振選頻器相連接，各個(gè)部分采用一個(gè)公共接地。本傳感器在諧波驅(qū)動(dòng)電路的激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)下，使金屬膜發(fā)生振動(dòng)。此時(shí)電磁諧波中的驅(qū)動(dòng)分量與金屬膜的固有振動(dòng)頻率共振，諧振跟隨電路對(duì)激勵(lì)脈沖中的諧波分量進(jìn)行諧振性的選擇，而后金屬膜穩(wěn)定為共振性的正弦波振動(dòng)。共振選頻電路與檢測(cè)電路相連接，共振選頻器將金屬膜固有的振動(dòng)波轉(zhuǎn)換為同頻同相的正弦波電信號(hào)，輸入檢測(cè)電路進(jìn)行處理放大。檢測(cè)電路與諧波驅(qū)動(dòng)電路相連接，而另一端與輸出負(fù)載相接。檢測(cè)電路輸出的信號(hào)一路輸入諧波驅(qū)動(dòng)電路，作為金屬膜振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能量。另一路作為本傳感器電變量信號(hào)響應(yīng)的輸出端。本傳感器諧振跟隨器的共振點(diǎn)是隨著機(jī)械剛體的微量變化而變化的。
權(quán)利要求
1，一種金屬膜式脈沖輸出型的鋼體彈性微變量傳感器，其特征在于所述的傳感器包括一個(gè)金屬振動(dòng)膜(I)，位于金屬振動(dòng)膜(I)一端的固定端點(diǎn)(A)，位于金屬振動(dòng)膜(I)另一端的受力位置可移動(dòng)端點(diǎn)(B)，與金屬振動(dòng)膜(I)連接的基準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)諧器(E)，一端與共振選頻器(Y)相連接，另一端與金屬膜(I)連接的諧波驅(qū)動(dòng)器(Z)，共振選頻器(Y)另一端與檢測(cè)電路(X)相連接，檢測(cè)電路(X)一端與諧波驅(qū)動(dòng)器(Z)相連接，另一端與輸出負(fù)栽相接；
2，一種金屬膜式脈沖輸出型的鋼體彈性微變量傳感器的測(cè)量方法，其特征在于將傳感器通過(guò)金屬膜固定端點(diǎn)(A)，可移動(dòng)端點(diǎn)(B)及連接臂(C和D)與被測(cè)金屬鋼體連接，基準(zhǔn)頻率調(diào)諧器(E)與位于金屬膜固定端點(diǎn)(A)和可移動(dòng)端點(diǎn)(B)之間的金屬膜(I)連接，用于測(cè)量金屬膜基礎(chǔ)靜態(tài)共振頻率；諧波驅(qū)動(dòng)器(Z)一端與共振選頻器(Y)相連接，一端與金屬膜(I)連接，在諧波驅(qū)動(dòng)器(Z)的激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)下，金屬膜(I)獲得振動(dòng)所需的能量，使金屬膜(I)的固有頻率與電磁諧波分量中的響應(yīng)點(diǎn)共振，諧振跟隨器對(duì)激勵(lì)脈沖中的諧波分量進(jìn)行共振性的選擇，共振選頻器(Y)另一端與檢測(cè)電路(X)相連接，共振選頻器(Y)將金屬膜(I)固有頻率的振動(dòng)波轉(zhuǎn)換為同頻同相的正弦波電信號(hào)，輸入檢測(cè)電路(X)處理放大，檢測(cè)電路(X)一端與諧波驅(qū)動(dòng)器(Z)相連接，另一端與輸出負(fù)栽相接，檢測(cè)電路(X)輸出的信號(hào)一路輸入諧波驅(qū)動(dòng)器(Z)，作為金屬膜(I)振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能量，另一路作為本傳感器電變量信號(hào)響應(yīng)的輸出端。
全文摘要
本設(shè)計(jì)發(fā)明涉及一種信號(hào)檢測(cè)所用的金屬膜式脈沖輸出型鋼體彈性微變量的傳感器，它是一種把機(jī)械的剛體彈性微變化量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)變化量的一種傳感器。其中包括金屬膜式的機(jī)械諧振跟隨器、電子共振選頻器、諧波驅(qū)動(dòng)器和檢測(cè)整形電路。本傳感器被安裝在檢測(cè)金屬鋼體的被采樣部位時(shí)，被檢測(cè)金屬鋼體受到的外力使得金屬鋼體產(chǎn)生微量的彈性變形，該彈性變形通過(guò)本傳感器的機(jī)械諧振跟隨器、電子共振選頻器、諧波驅(qū)動(dòng)器傳送到檢測(cè)整形電路中，從而測(cè)出變量大小。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高。
文檔編號(hào)G01N3/00GK1512160SQ02159758
公開(kāi)日2004年7月14日 申請(qǐng)日期2002年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者趙亮, 趙 亮 申請(qǐng)人:趙亮, 趙 亮