[发明专利]振动型力测定设备

说明书

本发明涉及使用装有转动体的振梁的测定力用的设备。

振动型力传感器对于从事测定力的人是众所周知的，振动型力传感器的优点是其结构简单，因为它直接产生振动波数的数值，所以不需要使用模数转换器。一台振动型设备中，一根振梁受到激励以特定频率振动，该频率与施加到振梁上的应力量有关。振动频率也取决于振梁的刚性，振动频率对于长度和截面（纵横比）一定的振梁应当保持相对的恒定。

包括作为力传感器的振梁的设备的机械Q值正比于在每个振动周期内振梁贮存的能量与振梁损失的能量的比值。Q值低的系统是不希望的，因为用于测定力的振动将会产生阻尼，造成更不太稳定的谐振频率，串渡到不需要的揩振频率的倾向增加了。Q值高的系统将维持振梁的振荡，可以利用较小的外部能源来激励振梁，并将具有较稳定的揩振频率。

当振梁被用作设备中的力传感器时，由待测力引起的应力被加到振梁的第一端部上，而传感器被稳定地安装在振梁的第二端部上，但是，当一根单独的振梁被用作传感器时，振动能量在振梁的安装端部处损失掉，导致系统的Q值较低和振动产生阻尼。利用一根单独的振梁，在传感器的安装端部不存在于力的平衡。单独的振梁发生振动，而在传感器的安装端部给传感器施加一个力矩。为了避免在传感器安装端部处由于阻尼而引起能量损失，可以提供一对形成双端部音叉的平行振梁作为传感器，另一种被用来尽可能减小由趋向于使单根振梁的安装端部转动的力所导致的能量损失（及伴随的Q值的降低）的办法在于，将单根振梁的每一个端部连接到惯性大的沉重的中间体上，该中间体用柔软部件连接到设备的座上。但是，这种方法不可能完全消除在安装端部上施加的力和损失的能量，并且增加称重设备的费用、体积和复杂性。

在一个双端部音叉型传感器中，通常利用一根振梁上的一个压电元件来激励音叉，而利用第二根振梁上的第二个压电元件作为振动检测元件。两根振梁在其相应的第一和第二端部处被联接在一起。这对振梁将在一个测定频率振荡，该频率由两根振梁的长度、截面、刚性和测量力时施加到两根振梁上的应力决定，当两根振梁实际上相同时，它们将在同一测定频率振荡，但振荡的相位相差180°。结果，在每根振梁的端部，每根振梁的振动将互相抵消，从而避免有力矩加到传感器的安装端部。因此，在振梁的端部传感器的振动能量损失较少，因而一台利用一对平行振梁的力测定设备具有比一套利用单根振梁的类似系统更高的Q值。

但是，在常规的使用振梁的设备中，制造Q值高的传感器是非常困难的。因此，对于一个利用一对平行振梁的传感器，在制造期间需要紧的公差，以保证两根振梁之间不发生失配，这种失配将使两根振梁的揩振频率产生差别。特别是，制造者必须保证，两根振梁的长度、截面和刚性相等，并且由待测力引起的应力必须相等地施加到两根振梁的每个第一端部上。否则，频率差别降低Q值并最终导致在振荡回路中的这些振梁处于双稳态工作，在有些情况下，振动会停止。因为必须要有紧的公差（在微米以内）所以振梁要使用精密的切削方法来制造。结果，例如说，常规的振动型设备不是铸造或利用压制工具制造的。

实际上，用铸造或用压制工具制造的传感器所获得的Q值仅为约150～250的量级，因此，需要一种具有一或多根振梁的力传感器，它能获得较高的Q值，并具有较大的允许公差，可用较低廉的方法来制造，例如用铸造或用压制工具来制造。

此外，诸如美国专利NO.4215570中公开的典型的力传感器，显示了一种由压电石英制成的双端部音叉。这类传感器存在若干缺点。传感器需要正确的晶体取向，以便把传感器的谐振频率对温度的依赖减到最小。这些传感器是用光刻法或用金钢石加工制造的，生产成本相当贵。其次，石英传感器非常脆弱，不能负担大的载荷。实际上，它们被用来传感只有几千克的重量。当测定大的重量时，有关的力并不直接加到易碎的石英传感器上。相反，它们借助于一个杠杆系统将一个正比于重量的应变加到传感器上，因此，此类传感器必须包括若干额外的部件，进一步提高了设备的生产成本。

本发明的一个目的是提供一种具有高Q值的振动型力传感器。

本发明的进一步的目的是提供一种在振梁的制造过程中允许较大公差的传感器。

本发明的更进一步的目的是提供一种能够方便地价格不贵地生产的力传感器。

本发明的另一个目的是提供一种称重设备用的结构紧固的传感器。

本发明的一个额外的目的是提供一种力传感器，在这种传感器中待测力可以直接加到振梁的端部上而不使用杠杆装置。

本发明的又一个目的是提供一种称重设备用的测量范围增大的振梁。