專利名稱：一種光電振弦式測力傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及在振弦式傳感器中采用半導(dǎo)體激光器和光電位敏器件測量力的裝置。
背景技術(shù)：
《施工技術(shù)》雜志1997年12期第31頁指出，振弦式測力傳感器是一種常用的利用振弦的固有頻率同振弦受力之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行力的測量的傳感器。其結(jié)構(gòu)一般為在弓形的變形體上安裝一根作為諧振元件通常稱為振弦的張緊的金屬絲。在電磁激勵下，振弦按其固有頻率振動；通過改變振弦的張緊力T，可以得到不同的振動頻率f，即張緊力與諧振頻率之間呈函數(shù)關(guān)系。因此，可以通過電磁感應(yīng)測量振弦的振動頻率而得到傳感器的受力情況，從而最終達(dá)到測力的目的。
為了使振弦測力傳感器獲得較高的精確度，必須對振弦的振動頻率進(jìn)行精確的測量。因為振弦的張緊力和振弦的振動頻率之間呈函數(shù)關(guān)系，所以對振弦頻率的測量對提高傳感器的精度十分重要?，F(xiàn)有測量頻率的方法主要采用電磁法，通過振弦在磁場中切割磁力線，測量感應(yīng)電流，來獲得振弦的頻率。這種方法由于有線圈等感性負(fù)載，容易受到外界電磁場的干擾，穩(wěn)定性較差。至今未見利用光電位敏器件(PSD)原理測量力的裝置的報道。
技術(shù)內(nèi)容本實用新型提供一種精度較高且不受外界環(huán)境因素干擾的采用半導(dǎo)體激光器和光電位敏器件的光電振弦測量力的裝置。
這種光電振弦測量力的裝置，包括可以承受力的變形體(1)；兩端拉緊固定在變形體(1)中部的金屬弦(4)；金屬弦一端接地，一端接在一個脈沖電流源(5)上；固定在金屬弦兩側(cè)的磁場(3)；其特征在于在金屬弦一側(cè)設(shè)置有作為光源的激光器(2)以及相對固定在激光光路上于金屬弦另一側(cè)的用于接收金屬弦陰影的光電位敏器件(6)；光電位敏器件(6)輸出的光電流經(jīng)包括I/V轉(zhuǎn)換電路和頻率計的信號處理電路(7)轉(zhuǎn)換為光電壓的頻率；光電位敏器件和半導(dǎo)體激光器都封裝在荷重傳感器盒內(nèi)。
測量時，將金屬弦兩端拉緊固定在變形體中部，在變形體上外加的力通過變形體使金屬弦張力變化；在處于磁場中的金屬弦中通過脈沖電流使弦產(chǎn)生自由振蕩；將激光照射在金屬弦上，調(diào)節(jié)激光器和光電位敏器件與金屬弦距離，使光電位敏器件的光敏面上產(chǎn)生一個明顯放大的金屬弦的振動陰影，將光電位敏器件輸出的光電流轉(zhuǎn)換為光電壓，測量光電壓的頻率，即可得出與振弦頻率相關(guān)的張力即加載力信息。
本實用新型采用光電振弦測量荷重的方法，是根據(jù)光電位敏器件的原理光電位敏器件是一種側(cè)向效應(yīng)硅光電器件，通過平面擴散制造工藝，有一個完整的光敏面，在光敏面的兩端有兩個陽極接觸點。當(dāng)入射光斑照射在光敏面S位置處時，由入射光子產(chǎn)生的光生載流子被電場分開，在外電路形成光電流，流過其中的一個陽極的光電流可用下式表示I1＝I0(1-S/L)(1)另一個I2＝I0S/L (2)式中，I0為光生電流；L為兩陽極間的距離；S為入射光斑距陽極的距離；式(1)、(2)表明，光電流是和光斑位置S呈線性關(guān)系；光斑位置亦即金屬弦投射陰影位置變化即刻會引起光電流變化。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實用新型有以下優(yōu)點和積極效果由于本實用新型中采用的是以往在振弦式傳感器中沒有使用過的光電位敏器件和半導(dǎo)體激光器等光電器件，不屬于感性負(fù)載，且都封裝在荷重傳感器盒內(nèi)，沒有引入其它光源的干擾，故可避免電磁感應(yīng)法易受測量現(xiàn)場的強電磁干擾帶來的噪聲，因而采用光電激光測量能獲得比已有方法更穩(wěn)定的振弦頻率信號。
當(dāng)荷重改變隨之振弦張緊力也改變振弦的固有頻率時，由于光電位敏器件和半導(dǎo)體激光器頻率響應(yīng)都很高，所以采用這種光電法測量，傳感器能夠及時地反映出這種頻率的變化，同時擴大了測量范圍。
通過改變半導(dǎo)體激光器和光電位敏器件對金屬弦的位置，可以使投射到光電位敏器件光敏面陰影尺寸是弦徑的近十倍，因而將振弦振幅也放大近十倍，提高了荷重檢測能力。


圖1為采用半導(dǎo)體激光器和光電位敏器件的光電振弦測量荷重的裝置原理示意圖。
圖2為PSD信號處理電路原理圖。
圖3為自動功率控制的激光器驅(qū)動電路。
具體實施方式
實施例1本實施例的具體實施裝置采用直徑0.2mm、弦長30mm的京胡弦作為振弦(4)兩端拉緊固定在可以承受力的圓形變形體(1)中部，金屬弦一端接地，一端接在一個脈沖電流源(5)上，脈沖電流源采用電容放電的方法提供一個占空比可以達(dá)到百分之一的尖脈沖電流通過金屬振弦；采用兩塊永磁體固定在金屬弦兩側(cè)形成磁場(3)；把半導(dǎo)體激光器(2)和光電位敏器件(6)布置于金屬振弦(4)的兩側(cè)，金屬振弦(4)和光電位敏器件(6)均布置于激光光路上，這里采用時間響應(yīng)為1μs以內(nèi)的光電位敏器件(6)；由包括I/V轉(zhuǎn)換電路和頻率計的光電流經(jīng)信號處理電路(7)將光電位敏器件(6)輸出的轉(zhuǎn)換為光電壓的頻率；光電位敏器件和半導(dǎo)體激光器都封裝在荷重傳感器盒內(nèi)。
所述信號處理電路(7)如圖2所示。這里I/V轉(zhuǎn)換電路采用一個4558雙運放F1，PSD的兩個信號輸出分別接到F1的兩個正向輸入，R1，C1并聯(lián)、R2，C2并聯(lián)分別作為負(fù)反饋一端接在F1的輸出端和F1的負(fù)向輸入。F1的兩個輸出端接在一個頻率計上，來測量所得光電壓的頻率。將光電位敏器件輸出的光電流轉(zhuǎn)換為光電壓，并測量光電壓的頻率，本實施例采用的半導(dǎo)體激光器配有一個自動功率控制的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路，如圖3所示。該驅(qū)動電路中，LD和PD的一端一起接在正5伏電壓上；C5用來穩(wěn)定電源電壓，一端接正5伏，一端接地。R4和D1給K1提供穩(wěn)定的工作電壓，R4的一端接正5伏，一端接放大器K1發(fā)射極。D1的一端接地，一端接在K1的發(fā)射極。R3是用來提供K1的直流偏置，一端接地，一端接K1的基極。K1的基極接在PD的一端，集電極接在K2的基極上。K2用來提供LD的驅(qū)動電流。R5是限流保護(hù)電阻，一端接LD，一端接K1的基極。C4，C3是用來濾出高頻干擾對LD的影響。C4的一端接地，一端接K2的基極。C3的一端接正5伏，一端接K2的集電極。K2的發(fā)射極接地。利用半導(dǎo)體激光器自帶的PD來反饋LD的光強，通過K1控制LD的驅(qū)動電流從而實現(xiàn)光強的穩(wěn)定。
測試時，激光垂直照射在振弦上，在光電位敏器件的光敏面上產(chǎn)生一個陰影。在處于永磁體磁場中的振弦中通入脈沖電流，振弦會依據(jù)所受張力大小出現(xiàn)不同頻率的振動，由于采用占空比很低的脈沖電流，頻率很低，為幾個赫茲，所以產(chǎn)生的感應(yīng)力只能使振弦發(fā)生自由振動，而不會產(chǎn)生受迫振動，這樣測得的頻率就是振弦的固有頻率。同時該振動會使其陰影在光敏面里上下移動，光電位敏器件的光電流會隨著振弦振動的頻率變化產(chǎn)生同樣頻率的變化，光電流經(jīng)過放大變換成相應(yīng)的電壓信號，通過測量電壓信號的頻率，就可以得出與振弦的頻率相關(guān)的荷重大小。
本實用新型這種測量方法不會受到采用磁感應(yīng)式傳感器易受到的外界磁的干擾，能獲得穩(wěn)定的振弦頻率信號，該振弦頻率信號和所測量的力是線性關(guān)系的，所以可以獲得穩(wěn)定的力的信號?？梢允箓鞲衅鞯臏y量精度大幅提高，而且擴大了測量范圍，提高了荷重檢測能力。
權(quán)利要求1.一種光電振弦測量力的裝置，包括可以承受力的變形體(1)；兩端拉緊固定在變形體(1)中部的金屬弦(4)；金屬弦一端接地，一端接在一個脈沖電流源(5)上；固定在金屬弦兩側(cè)的磁場(3)；其特征在于在金屬弦一側(cè)設(shè)置有作為光源的激光器(2)以及相對固定在激光光路上于金屬弦另一側(cè)的用于接收金屬弦陰影的光電位敏器件(6)；光電位敏器件(6)輸出的光電流經(jīng)包括I/V轉(zhuǎn)換電路和頻率計的信號處理電路(7)轉(zhuǎn)換為光電壓的頻率；光電位敏器件和半導(dǎo)體激光器都封裝在荷重傳感器盒內(nèi)。
專利摘要本實用新型光電振弦式測力傳感器裝置，包括拉緊固定在變形體上的金屬弦，其一端接地，一端接在脈沖電流源上；金屬弦兩側(cè)設(shè)有磁場；特征是在金屬弦兩側(cè)分別設(shè)有激光器和光電位敏器件；外加的力通過變形體使金屬弦張力變化；在處于磁場中的金屬弦中通過脈沖電流使弦產(chǎn)生自由振蕩；激光照射在金屬弦上，使光電位敏器件的光敏面上產(chǎn)生金屬弦的振動陰影，輸出的光電流經(jīng)包括I/V轉(zhuǎn)換電路和頻率計的信號處理電路轉(zhuǎn)換為光電壓的頻率；測量光電壓的頻率，即可得出與振弦頻率相關(guān)的張力即加載力信息。本實用新型可避免電磁感應(yīng)法易受測量現(xiàn)場的強電磁干擾帶來的噪聲，獲得更穩(wěn)定的振弦頻率信號，擴大了測量范圍，提高了荷重檢測能力。
文檔編號G01L1/10GK2591601SQ0229289
公開日2003年12月10日 申請日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者李勝利, 凌晨, 竺長安, 徐敏, 鄭春陽 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)