單線圈電流型振弦式傳感器和激發器的製作方法

2023-07-29 05:06:11 1

專利名稱：單線圈電流型振弦式傳感器和激發器的製作方法
技術領域：
本發明屬於力、液體壓力傳感器。
多少年來巖土工程的監測，如大壩應力、孔隙水壓力以及建築的地基應力、鋼筋拉力等，長期埋設而能給出可靠數據，唯有振弦式傳感器。近20年來，各國都發展了雙線圈連續自激型鋼弦式傳感器。它不僅具有全鋼結構、密封防潮、防水、可接較長電纜、長壽命、有良好的長期穩定性；而且較之單線圈間斷他激型鋼弦式傳感器，具有工作電壓低、電流小、輸出信號頻率穩定，適於遠傳自動檢測，可直接與微機接口等一系列優點。發明人曾研製成功GH系列雙線圈自激型鋼弦式傳感器，用於煤礦測量支柱阻力，巷道壓力以及液壓支架的液體壓力。代表性專利有《活塞傳壓弦式液壓傳感器》(專利號88210950.2)和鋼弦式力傳感器(發明專利申請號96115680.5)，已在煤礦推廣應用。這類傳感器的主體結構是在殼體內設置工作膜，工作膜的鋼弦柱上固定鋼弦，鋼弦旁設置二個線圈，一個用於激發鋼弦起振，另一個用於接收振動並轉化為電信號。由於這類傳感器的雙線圈結構所致，存在兩個主要缺點(1)最短弦長約為50mm，傳感器外型體積較大；(2)容易出現倍頻振動，使之無法工作，不太適宜長電纜工作。
本發明的目的，是提出一種最短弦長25mm左右，無倍頻幹擾，可接很長電纜、激發電流小於5mA的鋼弦式傳感器和配套的激發器。不僅可取代原有的各種雙線圈連續自激型鋼弦式傳感器，而且結構更為簡單，工作更可靠，可以小型化。尤其是作為一種高可靠性、長壽命的高壓液體壓力傳感器，很適合煤礦等行業使用。
本發明的方案是1.在殼體的頂部設傳力裝置，在殼體中有一工作膜，用於感受力或液體壓力，傳力裝置與工作膜中心部位接觸，工作膜上裝有鋼弦，鋼弦垂直工作膜(豎式)或裝在鋼弦柱上平行工作膜(橫式)，鋼弦或鋼弦柱與工作膜和盒體絕緣。
2.在鋼弦的中部旁邊設置一個磁感應線圈。磁感應線圈由磁鋼、磁芯和線圈組成。
3.為使鋼弦連續振動輸出穩定的頻率信號，本發明設計了單線圈電流型振弦傳感器的通用激發器(激發放大電路)，該激發器由差分放大電路與外圍電阻，隔直輸出電容組成，可以安裝在傳感器殼體內，也可以安裝在二次測量儀表中。當連接相位正確，適當調節限流電阻，即可獲得穩定的鋼弦振動。具體電路將在後面的實施例中介紹。
本發明的優點是1.採用一個磁感應線圈放在弦的中部接收鋼弦振動，經放大限流後輸出電流通過鋼弦受磁力作用而引起自激振動，形成四線制接線法將激發放大電路的輸出與輸入完全分開，有利於消除電磁幹擾和倍頻幹擾振動，可使用長電纜，比雙線圈型工作更可靠，結構更簡單，可充分發揮振弦式傳感器的優點。2.只用一個磁感線圈，使鋼弦長度可大大減短(例如減短為25mm)，使傳感器的尺寸較之雙線圈型大為減小，適於製造高壓液體壓力傳感器，可為煤礦液壓支架工況監測等提供高可靠性、長壽命、比較準確的壓力傳感器。
下面結合


本發明的實施例。
圖1是本發明一個實施例「高壓液體壓力傳感器」的機械結構圖，圖2是單線圈電流型自激發工作原理圖，虛線框為單線圈電流型鋼弦激發電路，即激發器。圖3是另一個實施例「力傳感器」的結構剖面圖。
圖中，1-快速接頭，2-上部活塞，3-粘稠體，4-下部活塞，5-工作膜，6-鋼弦柱，7-磁頭板，8-磁性鋼弦，9-外殼體，10-後蓋，11-四芯插座，12-磁鋼，13-線圈，14-磁芯，15-差分放大電路，16-球面蓋，17-激發電路板。
實施例1，在圖1中，傳力裝置的結構是快速接頭(1)，連接在殼體(9)上，接頭(1)的空腔內有上部活塞(2)，殼體上部的空腔內有下部活塞(4)，兩活塞之間充滿粘稠體(3)，粘稠體(3)起傳力作用。這種傳力裝置的突出優點是，使液體推動活塞(4)形成很小的力，併集中作用在工作膜的中心，適於準確測量很高的液體壓力。同一尺寸工作膜，改變兩活塞直徑比，可製造不同量程的液體壓力傳感器，很容易形成系列化產品；並且當壓力突然變化時可實現緩衝，還能使被測液體不與工作膜直接接觸，起防腐作用。主體結構是殼體(9)中有工作膜(5)，工作膜(5)是一個活動膜，通過O型橡膠圈限定在殼體中，其優點是使鋼弦頻率不受殼體機械變形的影響，可提高傳感器的穩定性，保持測量精度並易於加工製作；工作膜(5)下面有兩個鋼弦柱(6)和磁頭板(7)，鋼弦柱上固定磁性鋼弦(8)。磁性鋼弦(8)由墊片夾持與鋼弦柱絕緣。磁頭板(7)上固定有磁鋼(12)、磁芯(14)和繞在磁芯上的線圈(13)。殼體(9)側面有加工孔用於固定插座(11)。因激發器安裝在二次儀表中，所以磁性鋼弦(8)的兩端和磁芯線圈的兩頭分別焊於接線板再焊接到四芯插座(11)上。
本傳感器的信號產生和輸出，由圖2所示的激發器電路實現。該激發器採用差分放大電路(15)，(15)的輸入端接磁感線圈，並聯電阻R3，兩個輸入端分別經R1、R2接地；(15)輸出端一是通過電容C輸出，二是通過可調電阻R4接三極體基極，三極體射極接鋼弦(8)一端，(8)另一端與(15)地端接線路地端。圖2的工作原理是，通電後磁性鋼弦(8)微振動在磁芯線圈(13)中產生感應電動勢，輸出到R3上的電壓，經差分放大電路(15)放大後，經限流電阻R4(或其他恆流源限流電路)和三極體放大後，回輸到磁性鋼弦(8)，產生電流i，載流鋼弦(8)在磁鋼(12)的作用下振動加強，直到能量平衡達到穩定，輸出比較穩定的頻率信號。適當調節R4使為弱激發，只產生弦的基頻振動，無倍頻成分，頻率非常穩定。當用來檢測液體壓力時，工作膜受壓撓曲繃緊鋼弦，鋼弦頻率升高，激發器輸出相應的頻率信號。經過老化處理性能已穩定的傳感器，進行頻率——壓力標定。以後使用時，測定頻率按數學模型確定壓力。
激發電路採用差分放大的目的，是為了形成四線制，將其輸出與輸入完全分開，不共地線，以消除共地幹擾；在此基礎上，R1和R2用於消除由外界感應進來的共模幹擾，R3衰減差模幹擾，然後由差分放大進一步消除共模幹擾、放大差模信號。這對於長電纜連接時保證激發可靠是十分必要的。用三極體射極跟隨是為了實現阻抗匹配。電阻R4用於調節激發電流的大小。
本激發器的優點是1.有效地消除了各種幹擾振蕩，激發可靠，允許接較長電纜。計量測試時用普通四芯電纜綣100m，能可靠激發。用雙絞通訊電纜長度可達1千米。2.適當調節限流電阻R4，控制激發電流(實施例為4mA)，很容易實現弱激發，只產生基頻振動，無倍頻成分，輸出頻率非常穩定。在溫度不變的情況下，可穩定到0.01Hz，在室內或煤礦井下環境中，可穩定到0.05Hz。傳感器滿量程輸出一般大於500Hz，因此解析度可達0.01％FS，屬國際先進水平。3.測定弱激發電流範圍，設定限流電阻為中間值，保證為弱激發，可做到多個激發器和長、短電纜，測量同一個傳感器，所獲頻率有良好的一致性(頻差可小於0.2Hz)，安裝此種激發器的各個二次儀表有良好互換性。4.本激發器具有很強通用性，單線圈電流型鋼弦傳感，不同弦長，不同線圈，長短電纜均可使用本激發器；此外本激發器還可用於雙線圈型傳感器。主要調試元件是限流電阻R4，必要時還需調整R3。
實施例2，如圖3所示，是本發明的另一個實施列，它與圖1所示實施例主要的不同在於1.傳力裝置為球面蓋(16)，球面蓋(16)與工作膜(5)球面接觸，用於力的測量。
2.激發器安裝在傳感器殼體內線路板(17)上，E+端，電容C輸出端與線路地端分別焊於插座(11)接線點上。然後在後蓋(10)上加上密封圈用螺釘緊固在外殼體(9)上。
實施本發明時，如將激發器安裝於實施例1的殼體中，就構成另一種實施例；當然如將實施例2中的激發器安裝在二次儀表中，又構成一種實施例。
權利要求
1.一種單線圈電流型振弦式傳感器，其構造是在殼體的頂部有傳力裝置，殼體的底部裝有後蓋，殼體內有一工作膜，工作膜下面有兩個鋼弦柱，鋼弦柱間固定有磁性鋼弦，其特徵在於磁性鋼弦與鋼弦柱絕緣，或鋼弦柱與工作膜絕緣，鋼弦的中部旁邊設置一個磁感線圈，鋼弦兩端和線圈兩端通過接線板分別連接在殼體側的四芯插座上，通過四芯電纜與二次儀表中的激發器電路連成迴路；其中差分放大器兩個輸入端與磁感線圈兩端連通，三極體射極與鋼弦一端連通，鋼弦另一端與激發器地端連通。
2.一種單線圈電流型振弦式傳感器，其構造是在殼體的頂部有傳力裝置，殼體的底部裝有後蓋，殼體內有一工作膜，工作膜下面有兩個鋼弦柱，鋼弦柱間固定有磁性鋼弦，其特徵在於磁性鋼弦與鋼弦柱絕緣，或鋼弦柱與工作膜絕緣，鋼弦的中部旁邊設置一個磁感線圈，殼體中安裝激發器，其中激發器輸入端、地端、三極體射極分別與磁感線圈兩端、鋼弦兩端聯接，其中E+端、激發器地端、信號輸出端分別焊接在殼體側的三芯插座(11)上，通過電纜分別與二次儀表中的電源正端、地端和信號輸入端連接。
3.如權利要求1或2所述傳感器的激發器，其特徵是採用差分放大電路(15)，差分放大電路兩個輸入端並聯有電阻R3，兩個輸入端分別經R1、R2接地；差分放大電路輸出端一是通過隔直電容C輸出信號，二是通過可調電阻R4接三極體基極，差分放大電路地端接電源負極。
全文摘要
一種單線圈電流型振弦式傳感器和激發器主要用於力和液體壓力的測量,其構造是在殼體內的工作膜上有與其絕緣的鋼弦,鋼弦中部旁邊設置一個磁感線圈,鋼弦的兩端和線圈的兩端分別聯接在由差分放大器等元件組成的激發器上,激發器設置在二次儀表中或設置在殼體內。其優點是傳感器工作電流很小,弦可以很短,體積可以很小,無倍頻幹擾,可靠性高,與二次儀表的連接電纜可達千米以上。特別適用於製造尺寸小的高壓液體壓力傳感器和必須使用長電纜的力、壓力、位移傳感器。
文檔編號G01L1/10GK1256410SQ98122129
公開日2000年6月14日 申請日期1998年12月8日 優先權日1998年12月8日
發明者鄧鐵六, 馬俊亭, 鄭豐隆 申請人:山東礦業學院儀器儀表研究所