石英谐振式力/称重传感器制造技术

本发明专利技术属于测量仪器技术领域，包括测量力用的石英谐振器和作为温度补偿的参考谐振器，还包括由四个双面圆弧组成的柔性铰链构成的平行四边形框架，该框架还设有两个平行的压梁和支撑梁；参考谐振器置于框架内不受力处，测量石英谐振器安装在两个平行梁中间。本发明专利技术具有组成部件少、误差环节少，装配简单；线性好、稳定性高、滞后小；频率量输出，易于微处理器处理；功耗低，直流低压供电等优点。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量仪器
，特别涉及一种由柔性铰链构成的弹性体结构和石英谐振器组成的石英谐振式力/称重传感器结构设计。力传感器应用很广泛，制造技术也相对成熟。常见的力传感器有电阻应变式、压电式、谐振式等几种，最为成熟且应用最广的是电阻应变式。在电子衡器领域也以电阻应变式应用最为广泛，谐振式因其稳定性好、数字式输出、分辨率高而近年有较快的发展。电阻应变式包括金属应变片式和半导体应变式。金属应变式是应用历史最长的一种力传感器。电阻应变式的特点是动态特性好、结构形式简单、并且使用方便，因此在称重、测力等方面都获得了较为广泛的应用。但这种传感器要使用胶粘剂粘贴应变片，所以存在由胶粘剂引起的蠕变和滞后，并且不适合于批量生产，以及零点、灵敏度漂移等缺点。在与微处理器连接时，要对输出的模拟信号进行A/D变换，增加了成本，并且降低了传感器的可靠性和响应速度。谐振式力传感器主要是振弦式和石英谐振式等几种。其共同的特点是以周期性的准数字信号输出，经过简单的数字电路即可转换成微处理器易于接收和处理的频率数字信号；有较高的灵敏度、分辨率和稳定性；抗干扰能力强，适于长距离传输。这类传感器中除石英谐振式外，其它几种传感器都较为复杂，对制造、装配和材料的性能要求较高。石英谐振式力/称重传感器最常见的是组合式，利用圆筒式外壳和金属膜片固定石英谐振器，并把被测力传递到石英谐振器上。其优点如前面所述，并且成本很低，但主要缺点是组成环节较多、装配较为复杂，精度不高。本专利技术的目的在于为克服已有技术的不足之处，提供一种新型结构的石英谐振式力/称重传感器。它是利用石英谐振器谐振频率对力敏感的力频效应，通过弹性体固定石英谐振器并把被测力传递到石英谐振器上，引起石英谐振器的谐振频率产生相应的改变，通过测量谐振频率的改变量对力或重量进行测量。具有组成部件少、误差环节少，装配简单；线性好、稳定性高、滞后小；频率量输出，经过简单的数字电路处理可以得到适合微处理器处理的数字信号；功耗低，直流低压供电等优点。本专利技术提出一种石英谐振式力/称重传感器，包括测量用的石英谐振器和作为温度补偿的参考谐振器及其电路，其特征在于，还包括一个平行四边形框架，该框架的水平两边分别设有两个由双面圆弧组成的柔性铰链，该四个柔性铰链的中心构成该框架的顶点，该框架还设有两个平行的压梁和支撑梁；所说的参考谐振器置于框架内不受力处，所说的测量石英谐振器安装在所说的两个平行梁中间。上述所说的支撑梁为悬臂梁，其一端与框架柔性或刚性连接，另一端悬空；所说的压梁可为与所说的支撑梁成反向的悬臂梁，所说的测量石英谐振器安装在所说的两个平行梁中间且位于所说的框架的中点处；所说的压梁可为双端固定，一端与框架柔性连接，另一端与框架刚性或柔性连接；所说的压梁也可分为不在同一水平线上的两部分，由一个竖直柔性铰链连接成一体；竖直柔性铰链的位置在平行四边形框架的中点处；所说的压梁还可为由框架的一水平边框构成，所说的支撑梁设于该边框外侧。如果采用双悬臂梁而没有竖直柔性铰链则将受力的石英谐振器安装在平行四边形的中点处。本专利技术所说的谐振器电路可采用常规的公知电路，在此不再详述。本专利技术的工作原理结合附图说明图1叙述如下图1中柔性铰链11、12、13、14构成弹性体框架1，该四个柔性铰链的中心位于框架的中点O，柔性铰链的作用是使框架在被测力的作用下产生的挠度与被测力的大小成正比，并且保证传感器上被测力的方向不变。支撑梁4为悬臂梁EF，压梁5由AB段和CD段组成，这两段之间由位于O点的竖直方向的柔性铰链17相连，其A端为刚性连接，D端为柔性连接。测量用的石英谐振器2安装在悬臂梁EF与压梁的CD段之间，作为温度补偿的参考谐振器3安装在压梁的AB段上。柔性铰链17的作用是消除框架横向位移对输出量的影响。当框架在被测力的作用下产生竖直方向的挠度时，B会随之产生横向的位移，这会导致C端的横向位移，从而对传感器的输出产生影响，这当被测力较大时影响更加明显。柔性铰链17对竖直方向的力和位移是刚性的，对横向的力和位移是柔性的，因此就保证了B点的竖直方向的力和位移能够被传递到C点，而横向的力和位移被隔离而不能传递到C点。柔性铰链15和16的作用是使梁CD和梁EF的挠度与力成正比，保证传感器的线性。通过下述设计，这种石英谐振式力/称重传感器能够只对力P敏感，而对力矩W不敏感。如果考虑将柔性铰链17在中心O处断开，则在图中所示力矩W的作用下柔性铰链12和13右边的竖直梁将产生向下的挠度和2a的顺时针转角，如图所示。这样悬臂梁AB既要随A点产生向下的位移，又要产生顺时针2a的一个转角，这就有可能通过恰当地选择O点的位置使得O点在这两个运动的综合作用下没有产生任何的位移，即力矩W作用所产生的影响不能通过O点传递给CD梁，故传感器对力矩是不敏感的，此时O点就是W作用下弹性体的转动中心。在力矩方向与图中所示反向时，仍有同样的结果。因此当这种传感器作为称重传感器使用来制造电子衡器时，不会产生四角误差。这是这种传感器最大的优点之一。经过计算，可以得到当O点在传感器的中心时，即lAB=12l11,12]]>时力矩对传感器的输出没有影响，传感器对力矩不敏感。弹性体传递到石英谐振器上的力与被测力成正比，这个比例系数与弹性体和柔性铰链的材料以及几何尺寸有关。通过改变弹性体尺寸和柔性铰链的尺寸，可以改变传感器的灵敏度和量程。例如增大柔性铰链半径R或减小柔性铰链中心处厚度t，会提高传感器的灵敏度并降低传感器的量程，相反，减小柔性铰链的半径R或增大柔性铰链中心处厚度t会降低传感器的灵敏度并提高传感器的量程。传感器采用两个相同的石英谐振器的差频作为输出信号，谐振器2受力而谐振器3不受力，把谐振器2和3的频率进行差频后得到的频率作为输出信号，这样可以降低信号处理的频率范围，并且由于谐振器2和3的特性相同，使干扰因素引起的两谐振器频率的共模变化量经差频后抵消，从而使传感器的零点几乎不受外界干扰(尤其是温度的变化)的影响。石英谐振器力灵敏度的温度系数随外力的作用方向(力的方位角)不同而不同。对于AT切型的石英谐振器，当方位角在40°左右时，力灵敏度的温度系数为零。当然也可以选用其它切型的石英谐振器。为了提高量程，可以对石英谐振器进行切边。本专利技术的特点是线性好、滞后小、重复性好；零点与灵敏度不受外界干扰的影响(尤其是温度)；传感器对加力点的力敏感而对力矩不敏感，因此当用作称重传感器制造电子衡器时无四角误差；调整弹性体的结构尺寸可以制造不同量程的传感器。另外，这种传感器以频率为输出量，适合计算机(微处理器)处理，不需要A/D变换；功耗很低，可以用直流低压供电。附图简要说明图1为本专利技术的实施例一结构示意图；图2为本专利技术的实施例二结构示意图；图3为本专利技术的实施例三结构示意图；图4为本专利技术的实施例四结构示意图；本专利技术设计出四种石英谐振式力/称重传感器实施例结构，如图1-图4所示，结合各图分别详细说明如下实施例一结构如图1所示，图中柔性铰链11、12、13、14构成弹性体框架1，该四个柔性铰链的中心构成框架的四个顶点，支撑梁4为悬臂梁EF，压梁5由AB段和CD段组成，这两段之间由位于框架的中点O处的竖直方向的柔性铰链17相连，其A端为刚性连接，D端为柔性连接。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石英谐振式力／称重传感器，包括测量用的石英谐振器和作为温度补偿的参考谐振器及其电路，其特征在于，还包括一个平行四边形框架，该框架的水平两边分别设有两个由双面圆弧组成的柔性铰链，该四个柔性铰链的中心构成框架的顶点，该框架还设有两个平行的压梁和支撑梁；所说的参考谐振器置于框架内不受力处，所说的测量石英谐振器安装在所说的两个平行梁中间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王喆垚，朱惠忠，程卫东，董永贵，冯冠平，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]