專利名稱：一種單向差動(dòng)壓電諧振式力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種測(cè)量力的裝置，特別是一種差動(dòng)壓電諧振式力傳感器。
差動(dòng)壓電諧振式力傳感器是利用兩個(gè)壓電諧振器作為敏感元件。受力時(shí)，兩個(gè)諧振器分別產(chǎn)生方向相反的頻率改變量，取兩個(gè)改變量的絕對(duì)值之和來(lái)反映被測(cè)量的大小，這種測(cè)量方式可以改善傳感器的線性、溫度穩(wěn)定性和量程等性能。美國(guó)專利US4020448介紹了一種用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)壓力差值的差動(dòng)傳感器。如

圖1所示，該傳感器用了兩個(gè)敏感諧振器30和31，在非工作狀態(tài)下，兩個(gè)敏感諧振器均處于預(yù)緊狀態(tài)下；工作時(shí)，當(dāng)兩側(cè)壓力F1和F2相等時(shí)，兩側(cè)作用于構(gòu)件45的力相互抵消，此時(shí)敏感元件30和31的受力狀態(tài)不變，傳感器輸出也不變。當(dāng)兩側(cè)壓力不等時(shí)，F(xiàn)1和F2的不均衡作用將導(dǎo)致構(gòu)件45上出現(xiàn)一個(gè)與兩側(cè)壓力差成正比的繞膜片38幾何中心轉(zhuǎn)動(dòng)的力偶矩，使得作用在30，31上的壓力一個(gè)變大一個(gè)變小，進(jìn)而使兩個(gè)諧振器的諧振頻率一個(gè)增大，一個(gè)減小，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)輸出。這項(xiàng)專利不僅結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，而且也不實(shí)用，由于工作時(shí)構(gòu)件45上將存在附加彎矩，這對(duì)抗彎能力較低的敏感諧振器30和31將產(chǎn)生強(qiáng)度削弱作用。
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的單向差動(dòng)壓電諧振式力傳感器，使敏感元件只承受單向作用力，從而提高其強(qiáng)度和可靠性。
本發(fā)明所說的傳感器包括兩個(gè)敏感元件，上壓塊、墊塊及兩個(gè)電極，兩個(gè)敏感元件平行固定于上壓塊和墊塊之間，其特征是敏感元件采用AT切型圓片型諧振器，作用于上壓塊的外力通過上壓塊和墊塊分別對(duì)兩個(gè)敏感元件產(chǎn)生對(duì)徑壓力，且其中一個(gè)敏感元件的X軸方向與作用力方向一致，另一個(gè)敏感元件的Z’軸方向與作用力方向一致。
由于AT切型圓片型諧振器沿X軸方向和沿Z’軸方向分別具有正的和負(fù)的力靈敏度，如圖4所示，所以同向作用的力在兩個(gè)敏感諧振器上將分別產(chǎn)生正的和負(fù)的頻率改變，借助傳感器的信號(hào)電路即可形成差動(dòng)信號(hào)輸出，如圖5所示。這就是本發(fā)明的原理。
本發(fā)明所說的差動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，且由于兩個(gè)敏感元件相對(duì)壓塊成簡(jiǎn)支配置，不存在附加彎矩的作用，故強(qiáng)度和可靠性均較高。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1，現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2，本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理圖。
圖3，圖2的左視圖。
圖4，AT切型石英諧振器的力靈敏度系數(shù)Knf與加載方位角ψa的關(guān)系。
圖5，傳感器的前置電路框圖。
如圖2所示，敏感元件4，5借助墊塊6、11和支架7、10分別固定于底座9上，殼體3，上壓塊1和膜片2與底座9一起構(gòu)成對(duì)敏感元件4、5的密閉環(huán)境。上壓塊1由膜片2準(zhǔn)確定位，從上面壓在敏感元件4、5上，與墊塊6、11聯(lián)合作用產(chǎn)生對(duì)兩個(gè)敏感元件4、5的壓力作用。其中敏感元件4的X軸方向與作用力方向一致，敏感元件5的Z’軸方向與作用力方向一致，當(dāng)然也可以相反。敏感元件4和5均采用AT切型圓片型諧振器。
用于測(cè)量時(shí)，被測(cè)外力F垂直向下作用于壓塊1，然后以一定的比例分成兩個(gè)分力F1和F2分別作用于敏感諧振器4和5，具體的分配關(guān)系由兩個(gè)力臂長(zhǎng)l1和l2決定，l1=l2時(shí)為對(duì)稱分布，l1≠l2時(shí)為非對(duì)稱分布。特殊確定的加載方式使敏感諧振器4的受力方向沿晶片的X軸方向，而敏感諧振器5的受力方向沿晶片的Z’軸方向；由于諧振器(AT切型圓片型諧振器)沿X軸方向和沿Z’軸方向分別具有正的和負(fù)的靈敏度，如圖4所示，所以兩個(gè)同向作用的力F1和F2在兩個(gè)敏感諧振器上將分別產(chǎn)生正的和負(fù)的頻率改變，借助傳感器的信號(hào)電路形成差動(dòng)信號(hào)輸出。如圖5所示。
本發(fā)明還可將壓塊1，定位膜片2和殼體3做成一體，在壓塊1與敏感諧振器4、5的接觸處的定位槽上設(shè)置V型導(dǎo)入槽，以方便定位，減化裝配工藝。
本發(fā)明所涉及的差動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩個(gè)敏感諧振器4，5相對(duì)壓塊1成簡(jiǎn)支配置，不存在附加彎矩的作用，因而強(qiáng)度和可靠性均較高。
權(quán)利要求
1.一種差動(dòng)壓電諧振式力傳感器，包括兩個(gè)敏感元件(4)、(5)，上壓塊(1)、墊塊(6)、(11)及電極引線，兩個(gè)敏感元件(4)、(5)平行固定于上壓塊(1)與墊塊(6)、(11)之間，其特征是敏感元件采用AT切型圓片型諧振器，作用于上壓塊(1)的外力通過上壓塊(1)和墊塊(6)、(11)分別對(duì)兩個(gè)敏感元件產(chǎn)生對(duì)徑壓力，且其中一個(gè)敏感元件的X軸方向與作用力方向一致，另一個(gè)敏感元件的Z’軸方向與作用力方向一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)壓電諧振式力傳感器，其特征是兩個(gè)敏感元件(4)、(5)相對(duì)壓塊(1)是對(duì)稱布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的差動(dòng)壓電諧振式力傳感器，其特征是上壓塊(1)由膜片(2)準(zhǔn)確定位，上壓塊(1)、膜片(2)、殼體(3)和底座(9)一起構(gòu)成一密閉環(huán)境，將兩個(gè)敏感元件(4)、(5)及其支撐結(jié)構(gòu)封閉于其中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的差動(dòng)壓電諧振式力傳感器，其特征是上壓塊(1)、膜片(2)、殼體(3)為一體，上壓塊(1)與敏感元件(4)、(5)接觸處的定位槽處都設(shè)有V型引導(dǎo)槽。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，用于集中力的測(cè)量本發(fā)明所涉及的傳感器利用兩個(gè)壓電石英諧振器作為敏感元件，兩個(gè)敏感諧振器同時(shí)受壓，特殊設(shè)計(jì)的加載方式使得其中一個(gè)諧振器受壓后產(chǎn)生正向的頻率改變而另一個(gè)諧振器受壓后產(chǎn)生負(fù)向的頻率改變，經(jīng)混頻后獲得一個(gè)反映被測(cè)力大小的差動(dòng)頻率信號(hào)。本發(fā)明兩個(gè)敏感諧振器呈簡(jiǎn)支配置，不存在附加彎矩的作用，因而強(qiáng)度和可靠性均較高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01L1/16GK1118435SQ95105998
公開日1996年3月13日 申請(qǐng)日期1995年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月9日
發(fā)明者馮冠平, 朱惠忠 申請(qǐng)人:清華大學(xué)