[发明专利]应变差动电容式负荷传感器

说明书

本发明涉及一种高分辨率、高稳定性测量线路相连接的应变差动电容式负荷传感器。

在测力、测重领域中，现有技术主要是采用应变电阻式负荷传感器，在线性度、滞后、重复性和蠕变方面，虽然达到一定标准，但存在着加工工艺复杂，成本高、稳定性差等缺点。

鉴于上述，本发明的任务在于，设计一种以高分辨率、高稳定性的带有温度补偿电路的测量电路，与单片微型计算机构成的应变差动电容式负荷传感器，最后经过打印、数字显示结果、使其达到了测力、测重精度高、工作稳定性能好，适用温度范围广，成本低等优点。

本发明由于采用了悬臂臂梁式、垂直梁式和圆环式的应变差动电容器，根据需要将不同类型的差动电容器分别接入两个高频振荡电路中，经过整形、数字混频器、锁相倍频器频率计数器、温度补偿电路和微型计算机进行数据处理、经过打印、数字显示结果。改善了测量的线性度，从而提高了精确度，使其测量误差不超出±0.05%，并且将其频率转换成数字量，从而提高了工作稳定性和抗干扰能力。使工作稳定度不大于0.1%/3个月;应变差动电容器采用了镀银的石英玻璃的耐温材料、器件和具有绝缘性能的粘合胶，从而由于上述具体措施，应变差动电容式负荷传感器，结构简单、工艺性能好、稳定性高、抗干扰性强、线性度、精确度都达到较高的要求、成本低廉，应用广泛，是一种理想的传感器件。

以下结合附图对该发明作进一步的详细描述：

图1是本发明应变差动电容式负荷传感器的总体方框图。

图2、图3、图4是本发明几种悬臂梁式差动电容器的结构图。

图5、图6是本发明垂直横梁式应变差动电容器的结构图。

图7是本发明圆环式应变差动电容器的结构图。

图8是本发明应变差动电容式负荷传感器的振荡器和放大器原理线路图。

图9为本发明的锁相倍频电路原理线路图。

图10为本发明的温度补偿电路原理线路图。

参考图1，与弹性体相绝缘的两应变差动电容器[1]和[8]，分别接到两个晶体振荡器[2]和[9]的负载电容器位置上，两个晶体振荡器[2]和[9]的振荡频率分别为5MHz，5.5MHz的信号，（电源电压+15V），分别经过整形电路[3]和[10]加到数字混频器[4]中，进行差频，为了提高灵敏度，将混频器输出的信号，经过锁相倍频器[5]进行倍频、送入到频率计数器[6]进行计数。

参照图5，当有被测的力或重量信号作用到应变差动电容器的应变体[3]上时，则应变体受力作用而产生变形，由镀银的石英玻璃组成的两个电容器[1]和[2]的极板间的距离S₁和S₂发生了一个增大和一个缩小的变化，这样使两个晶体振荡器如图1中的[2]和[9]的频率，一个增加，另一个减小，结果使混频后的频率差值增加。锁相倍频器输出增加，频率计数器的输出增加。为了补偿环境温度变化对测量结果的影响，本发明设有温度补偿电路，它是由固定在应变体[3]上的测温元件如图10中的热敏元件[3]，放大电路如图10中的[1]和A/D转换电路如图10中的[2]和[4]所组成。频率计数器和A/D转换电路，分别如图1中的[6]和[14]的两个输出信号，同时作用到单片微型计算机的输入端，进行数据处理，然后以数字的方式打印和显示输出结果。

图2至图7为应变差动电容器的结构图，其几何尺寸（厚度为20mm）适用于100N的力或重量的测量，应变体所用的材料为50CrUA。两差动电容器如图5中[1]和[2]在无负荷的情况下，其电容量为7-10PF。由镀银的石英玻璃制成电容器的极板与弹性体均是绝缘的。将图5中的应变差动电容器[1]和[2]分别接入到图1中的[1]和[8]的位置上，在无负荷的情况下，两个晶体振荡器[2]和[9]要有一个频率差，便于信号处理。本发明在给出了硬件的基础上为了进一步提高测量的精确度和稳定性，采用了软件措施。

由图1进一步说明：图1中的[1]和[8]就是图2至图7中几种不同类型之中的应变差动电容器，是把被测的力和重量参数转换成电容量的变化（即改变电容器极板间的距离）来实现的。将其接入晶体振荡器[2]和[9]中，为了获得较高的频率稳定度，采用5MHz和5.5MHz两个调频晶体振荡器[2]和[9]。这两个振荡器的原理电路是相同的，它们的输出作用到一个数字混频器上。为了获得一个稳定的和标准输出电压，采用了整形电路[3]和[10]，为了提高检测灵敏度，将其输出接入到锁相倍频电路[5]，它的输出信号亦是数字信号。