線性化的振弦式測力傳感器的製作方法
2023-05-24 22:29:26
專利名稱：線性化的振弦式測力傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及以振弦的頻率變化而反映受力變化的傳感器。
為了使傳感器達到較高的技術指標，必須對它進行非線性補償。即需要對傳感器的非線性特性進行線性化處理。因為，無論哪一種傳感器在設計、製造或使用時，都希望輸出量和輸入量之間具有線性關係，同時這也是提高傳感器精度的必要手段。目前，非線性補償處理的方法很多，主要有近似線性化、插值法、差動補償法等，這些非線性補償方法都是在後續補償的前提下進行的，對測量元件的測量結果運用數學手段加以處理，或是難以達到所需的精度，或是要增加設備配置，或是受到硬體的限制、在某些場合實現上有一定困難。
本實用新型的技術解決方案如下整個傳感器仍然由振弦和張緊振弦用的變形體所構成，其特徵在於變形體的一端為六桿結構，其中相鄰杆的端點之間為柔性鉸鏈連接；待測負載通過槓桿結構傳遞到六桿結構中的變形輸入端，振弦連接在六桿結構中的變形輸出端。
本實用新型是通過對傳感器本身的結構進行改變，從而對其非線性特性進行補償。將原先直接對受力情況(即待測負載)進行測量的一級結構改變為使待測負載分成兩級傳遞到振弦上的結構。
第一級為「力——變形」結構，輸入為待測負載T，輸出為變形量ΔL。該結構附加在變形體前，採用通用的槓桿結構使待測負載T同輸出變形量ΔL之間有嚴格的線性對應關係，從而待測負載就可以表達為T＝aΔL+b式中a、b為定參數，由結構本身的特性決定。這樣，傳感器所需測量的負載就線性地轉化為第一級的輸出變形。
第二級為「變形——變形」結構，輸入為第一級的輸出變形量ΔL，輸出為振弦的變形量Δl。採用六桿結構使ΔL與Δl之間有接近於拋物線的非線性關係、而且其彎曲方向與附圖1所示的彎曲方向正好相反(見附圖2)。這樣，通過兩者的共同作用，就可以使振弦的頻率同第一級的輸出變形之間有基本線性的對應關係，所以就最終建立了振弦頻率同待測負載之間的近似線性關係。從而達到了對於傳感器的非線性補償目的(因此，這一級結構也可以稱作是非線性補償結構，或稱線性化結構)。
根據以上設計思想，提出了如附圖3所示的線性化的振弦式測力傳感器。它仍然包括振弦1和張緊振弦用的變形體2兩部分，只是將傳統的振弦式測力傳感器中弓形變形體的一端(左、右均可)改為呈對稱六邊形形狀的六桿結構，六桿結構中的每兩個相鄰杆的端點之間為柔性鉸鏈連接，即杆的端點處設計為頸縮狀以起到鉸鏈的作用；與振弦平行的杆稱為橫向杆3，與振弦相交的杆稱為縱向杆4，橫向杆上設置可用緊固件固定的節點，一個與槓桿結構相連作為變形輸入端、相對應的另一個則與底座相連起定位作用，縱向杆與縱向杆相接的端點則作為變形輸出端，振弦的一端即固定於六桿結構中的變形輸出端。
假設一根固定長度的杆兩端分別沿直角坐標系的兩個軸線運動，此時兩個端點的位移量之間所形成的關係就可以看作是上述第二級「變形——變形」結構中的輸入變形與輸出變形之間的關係。從附圖4所示的幾何等效圖上可知，設B點為輸入端，A點為輸出端，那麼兩者位移之間的關係可以近似地看作是(xA+Δl)2+(yB+ΔL)2＝k2b)其中k為杆長。這樣就使得輸入位移與輸出位移之間建立的函數關係即如附圖2所示。它代表了輸入變形ΔL與輸出變形Δl之間的關係。
綜上所述，本實用新型通過結構的改進從而實現了對振弦式傳感器的非線性補償。這種結構補償不需要增加後續設備配置、也不會受到硬體的限制，而且，可以使傳感器的測量精度大幅提高；同時，還具有結構簡單可靠、加工容易、無間隙誤差、應用範圍廣等優點，也很好地解決了現有傳感器普遍存在的長時間漂移、蠕變等問題。
附圖1為振弦振動頻率f與振弦變形量Δl之間的函數關係曲線圖。
附圖2為本實用新型的非線性補償結構中輸入變形ΔL與輸出變形Δl之間的函數關係曲線圖。
附圖3為本實用新型的傳感器整體結構示意圖。
附圖4為本實用新型的非線性補償結構的幾何等效圖。
附圖5為本實用新型的傳感器振弦振動頻率f與待測負載T之間的函數關係曲線圖。
權利要求1.一種線性化的振弦式測力傳感器，整個傳感器仍然由振弦(1)和張緊振弦用的變形體(2)所構成，其特徵在於變形體的一端為六桿結構，其中相鄰杆的端點之間為柔性鉸鏈連接；待測負載通過槓桿結構傳遞到六桿結構中的變形輸入端，振弦連接在六桿結構中的變形輸出端。
專利摘要本實用新型是一種線性化的振弦式測力傳感器，它涉及以振弦的頻率變化而反映受力變化的傳感器。它仍然包括振弦1和張緊振弦用的變形體2兩部分，只是將傳統的振弦式測力傳感器中弓形變形體的一端改為呈對稱六邊形形狀的六桿結構，使原先直接對受力情況(即待測負載)進行測量的一級結構改變為使待測負載分成兩級傳遞到振弦上的結構。利用六桿結構使ΔL與Δl之間有接近於拋物線的非線性關係、從而使振弦的頻率f同待測負載T之間有近似線性關係。本實用新型通過結構的改進實現了對振弦式傳感器的非線性補償。
文檔編號G01L1/10GK2526811SQ0126324
公開日2002年12月18日 申請日期2001年10月12日 優先權日2001年10月12日
發明者竺長安, 李勝利, 徐厚勝, 楊聖, 張屹, 王海 申請人:中國科學技術大學, 銅陵市三愛思電子有限公司