專利名稱：一種量程設(shè)計(jì)可變的石英諧振式力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種量程設(shè)計(jì)可變的石英諧振式力傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
石英諧振式力傳感器是利用利用壓電石英諧振器作為敏感元件的數(shù)字式力傳感器。石英晶體諧振器是一個常用的頻率元件，與外電路結(jié)合組成晶體振蕩器，產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號。當(dāng)外力作用于諧振器晶片使晶片內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)改變時，將使振蕩電路的輸出頻率發(fā)生改變。此即石英晶體諧振器的力敏效應(yīng)。利用此效應(yīng)可以制作各種類型的石英諧振式力敏類傳感器。這種傳感器輸出數(shù)字量信號，分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、可直接與計(jì)算機(jī)連接、信號處理簡單。
按傳感器的結(jié)構(gòu)組成來分，石英諧振式力敏類傳感器可分為兩種一種是整體式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式中，敏感諧振器和周邊結(jié)構(gòu)件用同一塊石英加工成一體，由于石英材料接近理想彈性，用整體式結(jié)構(gòu)可以獲得很高的精度；另一種是組合式結(jié)構(gòu)，除敏感元件外，周邊結(jié)構(gòu)件都用彈性較好的金屬材料加工而成，由于采用了一些分立部件，材料性能的差異和不同零件間的連接將對傳感器的精度產(chǎn)生一定的影響。但由于組合式結(jié)構(gòu)加工方便，制造成本低，因此目前研究石英諧振式力敏類傳感器主要還是采用組合式結(jié)構(gòu)。
石英晶體諧振器力敏感元件通常取一定切型和頻率的石英諧振器，有著一定的承載能力，當(dāng)所需的傳感器量程與敏感諧振器量程不符時，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將力分流來達(dá)到量程要求。如果設(shè)法盡可能地減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量，將有助于提高傳感器的測量精度。
中國專利No.98103030公開了一種通過結(jié)構(gòu)分流達(dá)到不同量程要求的石英諧振式力傳感器結(jié)構(gòu)，如

圖1所示。此傳感器由一個整體加工的由桿和柔性鉸鏈組成的彈性體和力敏諧振器組成。該傳感器為懸臂式，用于測量集中力，使用時，右側(cè)固定在機(jī)座上，左側(cè)受力。左側(cè)受力部分(連桿)和由柔性鉸鏈(11、12、13、14)所連接的兩個平行桿組成一個平行四邊形，限制承載連桿只能作上下平移；敏感元件2支撐在杠桿5和支撐懸臂4之間；位于柔性鉸鏈17和18之間的拉桿連接杠桿5和承載連桿，載荷通過連桿、拉桿、杠桿傳至敏感元件。通過合理設(shè)計(jì)各個柔性鉸鏈的剛度，可以適應(yīng)不同量程的需要。但由于杠桿5和支撐懸臂4均為懸臂結(jié)構(gòu)，受力時將發(fā)生撓曲，對脆性材料制成的敏感諧振器形成附加彎矩，削弱其強(qiáng)度，因而影響承載能力的進(jìn)一步提高。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種量程設(shè)計(jì)可變的石英諧振式力傳感器，使彈性體變形過程中不會對敏感元件產(chǎn)生彎矩作用，因而可有助于提高系統(tǒng)的綜合強(qiáng)度和可靠性。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的量程設(shè)計(jì)可變的石英諧振式力傳感器，包括彈性體、敏感諧振器、承載桿和緊固螺母。承載桿置于彈性體的上梁上，且位于彈性體的中心線上；彈性體為整體的平行雙梁結(jié)構(gòu)，六個柔性鉸鏈分別構(gòu)成上下兩個平行梁的彈性支撐，傳感器為對稱結(jié)構(gòu)，敏感諧振器置于上下兩個平行梁之間且位于兩個梁的對稱面上；上梁為雙梁并聯(lián)結(jié)構(gòu)，下梁為單梁結(jié)構(gòu)，在下梁的中心處設(shè)有工藝螺釘孔。
本發(fā)明的特點(diǎn)是傳感器為對稱結(jié)構(gòu)，敏感諧振器置于上下兩個平行梁之間且位于兩個梁的橫向?qū)ΨQ面上；上梁為雙梁并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由對稱分布的四個柔性鉸鏈A、B、C、D構(gòu)成彈性支撐；下梁為單梁結(jié)構(gòu)，由對稱分布的兩個個柔性鉸鏈E、F構(gòu)成彈性支撐；外力F沿承載桿的軸線向下作用，通過兩個梁和敏感諧振器的對稱中心。因此通過合理設(shè)計(jì)柔性鉸鏈的參數(shù)，使上梁的支撐剛度系數(shù)與下梁及敏感諧振器的剛度系數(shù)間取合理的比值，可以實(shí)現(xiàn)不同的量程設(shè)計(jì)要求。
附圖簡要說明圖1是已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的力傳感器的結(jié)構(gòu)圖示意圖。
圖3是圖2的M-M剖視圖。
圖4是本發(fā)明的等效力學(xué)原理圖。
圖5是敏感諧振器的受力示意圖。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1中，1是彈性體，2和3是敏感元件，4是支撐懸臂，5是杠桿，11-18為柔性鉸鏈，圖2中，21是彈性體，22是敏感諧振器，23是承載桿，24是緊固螺母，A、B、C、D、E、G是柔性鉸鏈，H、I為傳感器固定孔，圖3中，J為承載桿插入孔，L為工藝預(yù)留孔，圖5中，25是石英片，26是鍍于石英片表面的電極，27為電極引線。
如圖2所示，本發(fā)明所說的量程設(shè)計(jì)可變的石英諧振式力傳感器由彈性體21、敏感諧振器22、承載桿23和緊固螺母24組成?；静考菑椥泽w21和敏感諧振器22，承載桿23和緊固螺母24為附件。彈性體21由整快彈性金屬材料加工而成，上下兩個平行彈性梁，上梁設(shè)計(jì)成雙梁組合結(jié)構(gòu)，目的是在不提高橫向剛度的情況下盡量提高上梁的抗彎截面模量，提高傳感器抗橫向偏載的能力；下梁為單梁且剛度較小，適應(yīng)傳感器裝配過程中的預(yù)緊力控制要求。傳感器使用時取底面支承，螺釘孔H和I用于傳感器的固定；螺釘孔L為工藝預(yù)留，用于安裝敏感諧振器時拉開兩個梁的間距，便于敏感諧振器的安裝。柔性鉸鏈?zhǔn)莾x表彈性元件中廣泛使用的微位移鉸鏈結(jié)構(gòu)，可以避免摩擦力的出現(xiàn)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中采用了六個柔性鉸鏈來控制上下兩個彈性固支梁的橫向剛度，在鉸鏈圓弧半徑R一定的情況下，彈性梁的橫向剛度分別取決于鉸鏈壁厚t和t1。
敏感諧振器22置于上下兩個平行梁之間，柔性鉸鏈A、B、C、構(gòu)成上梁的彈性支撐，支撐剛度由柔性鉸鏈的厚度t決定；柔性鉸鏈E、G構(gòu)成下梁的彈性支撐，支撐剛度由柔性鉸鏈的厚度t1決定；待測力F沿承載桿23的軸線向下作用，通過敏感諧振器22的對稱面；由于結(jié)構(gòu)的對稱性，敏感諧振器22與彈性體21的上下連接處均不會發(fā)生側(cè)彎。記上下梁的彈性支撐剛度系數(shù)分別為k1和k2，敏感諧振器22的變形剛度系數(shù)為ks，圖2所示系統(tǒng)可等效為圖4所示的力學(xué)系統(tǒng)。
由力學(xué)分析可得敏感元件上的受力F1和外部所加的力F之間的關(guān)系為F=(1+k1k2+k1ks)F1]]>對于特定的敏感諧振器，具有確定的剛度系數(shù)ks和量程Flm，由上式可得傳感器的量程為由上式可知，傳感器的量程總是大于敏感元件的量程。通過合理設(shè)計(jì)Fm=(1+k1k2+k1ks)Flm]]>柔性鉸鏈的參數(shù)，使各剛度系數(shù)間取合理的比值，可以適應(yīng)不同的量程設(shè)計(jì)要求。
使用時，傳感器中敏感諧振器的兩個引線接入信號電路，通電后可產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號。當(dāng)外加力發(fā)生變化時，信號電路的輸出頻率也發(fā)生響應(yīng)的變化；待測力的變化通過電路輸出頻率的變化準(zhǔn)確反映出來。從而實(shí)現(xiàn)對外力的測量。
權(quán)利要求
1.一種量程設(shè)計(jì)可變的石英諧振式力傳感器，包括彈性體、敏感諧振器，其特征在于還包括承載桿和緊固螺母，承載桿置于彈性體的上梁上，且位于彈性體的中心線上；彈性體為整體的平行雙梁結(jié)構(gòu)，六個柔性鉸鏈分別構(gòu)成上下兩個平行梁的彈性支撐，傳感器為對稱結(jié)構(gòu)，敏感諧振器置于上下兩個平行梁之間且位于兩個梁的對稱面上；上梁為雙梁并聯(lián)結(jié)構(gòu)，下梁為單梁結(jié)構(gòu)，在下梁的中心處設(shè)有工藝螺釘孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種量程設(shè)計(jì)可變的石英諧振式力傳感器,包括彈性體、敏感諧振器、承載桿和緊固螺母。承載桿置于彈性體的上梁上,彈性體為整體的平行雙梁結(jié)構(gòu),六個柔性鉸鏈分別構(gòu)成上下兩個平行梁的彈性支撐,傳感器為對稱結(jié)構(gòu),敏感諧振器置于平行梁之間,上梁為雙梁并聯(lián)結(jié)構(gòu),下梁為單梁結(jié)構(gòu)。通過合理設(shè)計(jì)柔性鉸鏈的參數(shù),使上梁的支撐剛度系數(shù)與下梁及敏感諧振器的剛度系數(shù)間取合理的比值,可以實(shí)現(xiàn)不同的量程設(shè)計(jì)要求。
文檔編號G01L1/14GK1254832SQ99122159
公開日2000年5月31日 申請日期1999年10月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月29日
發(fā)明者朱惠忠, 王喆壵, 馮冠平 申請人:清華大學(xué)