[发明专利]一种高稳定度石英谐振式力传感器

说明书

本发明涉及一种力测器装置，特别是一种采用压电石英谐振器作敏感元件的力传感器。

早在六、七十年代，科学工作者就将石英谐振器的力一频特性用于力、压力、加速度传感器的开发中。由于压力传感器和加速度传感器的使用场合(如油气测井，导弹制导)通常可以允许有较高的成本，因而它们得到了比较快的发展。这两类石英谐振式传感器都是将谐振器与周边结构做成一体，这样便大大消除了周边结构对谐振器力一频特性的影响，从而保证了传感器有比较高的精度，而力传感器的使用场合(如称重)往往要求传感器要价廉、可靠，同时又要求有较高的精度，还要有批量生产的可能，这无疑阻碍了其发展。为了满足力传感器的以上要求，目前已研制了一种低成本、组合式结构的石英谐振式传感器，如中国专利申请95104981．X(公开号CN1113006A)，所公开的这种力传感器。但由于该传感器结构采用单膜片支撑晶体，传感器的稳定性较差，同时也限制了其精度和量程。另外，传感器构件之间的联接，如定位膜片与压块之间，晶体与压块和垫块之间的联接等，对传感器的稳定性影响也很大，且容易造成晶体较大的蠕变，使传感器很容易受到破坏。美国专利US PatNo．3891870所公开的传感器，虽然，也采用双膜片结构，但由于其上膜片的厚度只有0．003英寸，非常薄，故只能起到密封的作用，依然存在支撑不稳定的问题。

本发明的目的就是针对现有技术中的上述缺陷，提供一种蠕变小，稳定性好，精度高，量程大、寿命长的石英谐振式力传感器。

本发明所说的高稳定度石英谐振式力传感器，包括电极、上砧、石英谐振器、下砧和壳体，上砧的底部和下砧的上部分别开有宽度略大于谐振器厚度的凹槽，用于固定谐振器。谐振器由上砧和下砧支撑在传感器的壳体内，外力F通过上砧和下砧对谐振器产生对径压力。本发明的特征是：上砧的位置由膜片和上支撑板所组成的双膜片支撑结构限制，膜片与上支撑板之间用一柱体联接，构件与构件的联接均采用胶粘剂粘接，其中的上支撑板的厚度为0．15～2mm，粘接构件所用的胶粘剂的玻璃化转变温度为30℃以上。

本发明由于采用了双膜片支撑结构和使用玻璃化转变温度较高的胶粘接构件之间需要联接的部位，使谐振器的支撑条件更趋完善，传感器的滞后和蠕变明显减小，在测力的过程中传感器的稳定度和精度大大提高，尤其是疲劳寿命大大延长。

下面结合附图更进一步说明本发明。

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的右视图。

图3为本发明另一实施例结构示意图。

图中1-电极，2-壳体，3-下砧，4-谐振器，5-上砧，6-膜片，7-联接柱，8-垫环，9-上支撑板，10-保护盖，11-钢球，12-调整环，13-螺钉。

实施例1：

本实施例石英传感器的结构如图1所示。传感器4采用对称非完整态圆盘式结构，振动为厚度剪切模式，综合考虑获取尽量大的力灵敏度以及最佳的频率温度特性，谐振器采用AT切型，并将加力方向选择在ψ=0的方面上。谐振器4由上砧5和下砧3支撑在传感器的壳体2内，其电极引线与电极1的上端焊接在一起，并由电极1的两条腿引出壳体。上砧5的横向位置由膜片6和上支撑板9所组成的支撑结构限制，上支撑板厚度为0．18mm，膜片6厚约0．2mm，膜片6和上支撑板9中心用一柱体7连接，下砧3的位置由壳体底座限制。在上砧5的底部和下砧3的上部分别开有宽度略大于谐振器4厚度的凹槽，用于固定谐振器，使谐振器能够竖直地固定在传感器内。柱体7与支撑板9和膜片6之间，上砧5与膜片6之间，谐振器4与上砧5、下砧3之间，以及下砧3与底座之间，均采用H610这种粘结力强，蠕变小的应变胶粘贴，其玻璃化转变温度为30°。被测力F通过定心于上砧上部的锥形盲孔中的钢球11加在上砧5上并传给谐振器4。此外，在结构中，为了防止传感器承受意外的载荷，在上支撑板9上还加了保护盖10。表2是当膜片6和上支撑板9距离为1．5mm时，该传感器受横向脉动载荷疲劳实验各阶段性能数据。表1是厚度为0．18mm的单膜片在相同条件下试验的试验数据。表1中m01，m02，…m13和表2中n01，n02，…n13为传感器编号，a，b，…e分别为传感器受横向脉动载荷1kg／小时疲劳后的测试数据，f…i分别为传感器受横向脉动载荷4kg／小时疲劳后测试数据。由表可见，经同样疲劳后，双支撑结构传感器没有损坏，而单膜片传感器先后有5只损坏，损坏率达38％。

实施例2