一种单向差动压电谐振式力传感器制造技术

本发明专利技术属于传感器技术领域，用于集中力的测量本发明专利技术所涉及的传感器利用两个压电石英谐振器作为敏感元件，两个敏感谐振器同时受压，特殊设计的加载方式使得其中一个谐振器受压后产生正向的频率改变而另一个谐振器受压后产生负向的频率改变，经混频后获得一个反映被测力大小的差动频率信号。本发明专利技术两个敏感谐振器呈简支配置，不存在附加弯矩的作用，因而强度和可靠性均较高，且结构简单。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种测量力的装置，特别是一种差动压电谐振式力传感器。差动压电谐振式力传感器是利用两个压电谐振器作为敏感元件。受力时，两个谐振器分别产生方向相反的频率改变量，取两个改变量的绝对值之和来反映被测量的大小，这种测量方式可以改善传感器的线性、温度稳定性和量程等性能。美国专利US4020448介绍了一种用于测量两个压力差值的差动传感器。如附图说明图1所示，该传感器用了两个敏感谐振器30和31，在非工作状态下，两个敏感谐振器均处于预紧状态下；工作时，当两侧压力F1和F2相等时，两侧作用于构件45的力相互抵消，此时敏感元件30和31的受力状态不变，传感器输出也不变。当两侧压力不等时，F1和F2的不均衡作用将导致构件45上出现一个与两侧压力差成正比的绕膜片38几何中心转动的力偶矩，使得作用在30，31上的压力一个变大一个变小，进而使两个谐振器的谐振频率一个增大，一个减小，实现差动输出。这项专利不仅结构形式比较复杂，而且也不实用，由于工作时构件45上将存在附加弯矩，这对抗弯能力较低的敏感谐振器30和31将产生强度削弱作用。本专利技术的目的是针对上述现有技术的缺陷，提出一种结构非常简单的单向差动压电谐振式力传感器，使敏感元件只承受单向作用力，从而提高其强度和可靠性。本专利技术所说的传感器包括两个敏感元件，上压块、垫块及两个电极，两个敏感元件平行固定于上压块和垫块之间，其特征是敏感元件采用AT切型圆片型谐振器，作用于上压块的外力通过上压块和垫块分别对两个敏感元件产生对径压力，且其中一个敏感元件的X轴方向与作用力方向一致，另一个敏感元件的Z’轴方向与作用力方向一致。由于AT切型圆片型谐振器沿X轴方向和沿Z’轴方向分别具有正的和负的力灵敏度，如图4所示，所以同向作用的力在两个敏感谐振器上将分别产生正的和负的频率改变，借助传感器的信号电路即可形成差动信号输出，如图5所示。这就是本专利技术的原理。本专利技术所说的差动传感器结构十分简单，且由于两个敏感元件相对压块成简支配置，不存在附加弯矩的作用，故强度和可靠性均较高。下面结合附图进一步说明本专利技术。图1，现有技术结构简图。图2，本专利技术结构原理图。图3，图2的左视图。图4，AT切型石英谐振器的力灵敏度系数Knf与加载方位角ψa的关系。图5，传感器的前置电路框图。如图2所示，敏感元件4，5借助垫块6、11和支架7、10分别固定于底座9上，壳体3，上压块1和膜片2与底座9一起构成对敏感元件4、5的密闭环境。上压块1由膜片2准确定位，从上面压在敏感元件4、5上，与垫块6、11联合作用产生对两个敏感元件4、5的压力作用。其中敏感元件4的X轴方向与作用力方向一致，敏感元件5的Z’轴方向与作用力方向一致，当然也可以相反。敏感元件4和5均采用AT切型圆片型谐振器。用于测量时，被测外力F垂直向下作用于压块1，然后以一定的比例分成两个分力F1和F2分别作用于敏感谐振器4和5，具体的分配关系由两个力臂长l1和l2决定，l1=l2时为对称分布，l1≠l2时为非对称分布。特殊确定的加载方式使敏感谐振器4的受力方向沿晶片的X轴方向，而敏感谐振器5的受力方向沿晶片的Z’轴方向；由于谐振器(AT切型圆片型谐振器)沿X轴方向和沿Z’轴方向分别具有正的和负的灵敏度，如图4所示，所以两个同向作用的力F1和F2在两个敏感谐振器上将分别产生正的和负的频率改变，借助传感器的信号电路形成差动信号输出。如图5所示。本专利技术还可将压块1，定位膜片2和壳体3做成一体，在压块1与敏感谐振器4、5的接触处的定位槽上设置V型导入槽，以方便定位，减化装配工艺。本专利技术所涉及的差动传感器结构简单，两个敏感谐振器4，5相对压块1成简支配置，不存在附加弯矩的作用，因而强度和可靠性均较高。权利要求1.一种差动压电谐振式力传感器，包括两个敏感元件(4)、(5)，上压块(1)、垫块(6)、(11)及电极引线，两个敏感元件(4)、(5)平行固定于上压块(1)与垫块(6)、(11)之间，其特征是敏感元件采用AT切型圆片型谐振器，作用于上压块(1)的外力通过上压块(1)和垫块(6)、(11)分别对两个敏感元件产生对径压力，且其中一个敏感元件的X轴方向与作用力方向一致，另一个敏感元件的Z’轴方向与作用力方向一致。2.根据权利要求1所述的差动压电谐振式力传感器，其特征是两个敏感元件(4)、(5)相对压块(1)是对称布置。3.根据权利要求1或2所述的差动压电谐振式力传感器，其特征是上压块(1)由膜片(2)准确定位，上压块(1)、膜片(2)、壳体(3)和底座(9)一起构成一密闭环境，将两个敏感元件(4)、(5)及其支撑结构封闭于其中。4.根据权利要求3所述的差动压电谐振式力传感器，其特征是上压块(1)、膜片(2)、壳体(3)为一体，上压块(1)与敏感元件(4)、(5)接触处的定位槽处都设有V型引导槽。全文摘要本专利技术属于传感器
，用于集中力的测量本专利技术所涉及的传感器利用两个压电石英谐振器作为敏感元件，两个敏感谐振器同时受压，特殊设计的加载方式使得其中一个谐振器受压后产生正向的频率改变而另一个谐振器受压后产生负向的频率改变，经混频后获得一个反映被测力大小的差动频率信号。本专利技术两个敏感谐振器呈简支配置，不存在附加弯矩的作用，因而强度和可靠性均较高，且结构简单。文档编号G01L1/16GK1118435SQ95105998公开日1996年3月13日 申请日期1995年6月9日 优先权日1995年6月9日专利技术者冯冠平, 朱惠忠 申请人:清华大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差动压电谐振式力传感器，包括两个敏感元件（４）、（５），上压块（１）、垫块（６）、（１１）及电极引线，两个敏感元件（４）、（５）平行固定于上压块（１）与垫块（６）、（１１）之间，其特征是：敏感元件采用ＡＴ切型圆片型谐振器，作用于上压块（１）的外力通过上压块（１）和垫块（６）、（１１）分别对两个敏感元件产生对径压力，且其中一个敏感元件的Ｘ轴方向与作用力方向一致，另一个敏感元件的Ｚ’轴方向与作用力方向一致。

【技术特征摘要】

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