專利名稱：用于鋼構(gòu)彈性角檢測的微角位移傳感器及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器及其測量方法，特別是涉及一種用于鋼構(gòu)彈性角檢 測的金屬弦式脈沖輸出型的角微位移傳感器及其測量方法。
技術(shù)背景測量角微位移的經(jīng)典傳統(tǒng)方法有兩種。其一是電阻應(yīng)變片式角微位移傳感 器、其二是電容式角微位移傳感器。1、應(yīng)變片式角微位移傳感器又可以嚴格地定義為"電阻式半導(dǎo)體角位移傳 感器"，這種傳感器屬于無源型半導(dǎo)體器件類，是一種專門用來測量鋼構(gòu)彈性角 受力時所發(fā)生應(yīng)變角位移的器件。由于物體受到角外力的作用，產(chǎn)生相應(yīng)的角 形變，電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器就可以間接地測量出外力作用在鋼構(gòu)彈性 角受力的大小。電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器的測量原理為電阻應(yīng)變型角微位移傳感器 可以作為電阻器來等效，當(dāng)電阻導(dǎo)體的截面積和電阻率一定時，其電阻值與電 阻導(dǎo)體的長度成正比，在無外力的作用下，該電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器用 一定的電路形式連接后，被牢固緊密地粘貼在被檢測的鋼構(gòu)彈性角的測量表面。 當(dāng)這個金屬鋼構(gòu)彈性角受到外力的作用時，其金屬鋼構(gòu)彈性角就會發(fā)生相應(yīng)幾 何角度的機械微形變，被牢固緊密粘貼的電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器也隨之 發(fā)生幾何形變，或拉長變細，或縮短變粗。由于電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器 的角采樣部分，在外力的作用下發(fā)生相應(yīng)角度的微形變時，使得電阻應(yīng)變片式 角微位移傳感器內(nèi)部的半導(dǎo)體晶格發(fā)生錯位變形，因而使得電阻應(yīng)變片式角微 位移傳感器的本體電阻也隨著金屬鋼構(gòu)彈性角的角微位移量的變換而變化，通 過不同電路的連接形式，使得電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器的輸出電壓也隨著 金屬鋼構(gòu)彈性角的角微位移量的變化而變化，從而達到進行金屬鋼構(gòu)彈性角的角微變量轉(zhuǎn)化為模擬電壓微變量的目的。電阻應(yīng)變片型傳感器從它的誕生到現(xiàn)在的發(fā)展，己有近三十多年的歷史， 在理想的環(huán)境條件下，微角位移電阻應(yīng)變片型傳感器呈現(xiàn)出良好的輸出的外特 性，因而微角位移應(yīng)變片型傳感器在一些領(lǐng)域中被應(yīng)用。由于微角位移應(yīng)變片 型傳感器材料采用的是半導(dǎo)體材料，其基本物理特性，在某些特殊地場合條件 下，有其致命的弱點。其弱點如下*電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器的核心部分為半導(dǎo)體的硅材料所制，對其溫 度有較高的靈敏度，因此不適合溫度變化跨度較大的場合使用。*電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器為半導(dǎo)體材料合成所制，其機械壽命有限， 在連續(xù)動態(tài)的工況下工作壽命不大于半年。*在制造電阻應(yīng)變片式角微位移傳感器時，需要用粘接劑將電阻應(yīng)變片牢固 緊密的粘貼在輔助工裝件上，在一定程度上影響檢測精度。*對成批產(chǎn)品，該傳感器核心部件只能抽樣檢測，無法對每一個核心部件進 行電氣參數(shù)的檢測，因此對每個產(chǎn)品的質(zhì)量把握是間接所為。2、電容式角微位移傳感器又可以定義為"電容式角微位移傳感器"，這種傳 感器屬于無源型器件類，是一種專門用來測量角所發(fā)生應(yīng)變角微位移的器件。 由于物體角度受到角外力的作用，將產(chǎn)生相應(yīng)的角微形變，電容式角微位移傳 感器就可以間接地測量出角外力作用在物體角受力的大小，以及外力對物體角 度作用變化的微變量。電容式角微位移傳感器的測量原理為電容式角微位移傳感器可以作為電 容器來等效，在物體被監(jiān)測角度上設(shè)置一對可以進行相對小位移的金屬片作為 電容器，兩個金屬片的投影面積或距離是決定該電容容量的重要參數(shù)。在無外力的作用下時，該電容式角微位移傳感器用一定的電路形式連接后， 被緊密地固定被測物體角測量面上。當(dāng)這個物體角沒用受到外力的作用時，其 兩個金屬片的投影面積或距離相對靜止，并保持著原始靜態(tài)電容的容量值。在有外力的作用下時，這個物體角受到外力的作用時，其被固定的兩個金 屬片的投影面積或距離將發(fā)生相對變化，因而使得電容式角微位移傳感器的基 準(zhǔn)電容也隨著物體角的角微位移的變換而變化，通過不同電路的連接形式，將 電容容量的變化量轉(zhuǎn)換為電壓量，使得電容式角微位移傳感器的輸出電壓隨著 被測物體角的角微位移量的變化而變化，從而達到進行物體角的角微變量轉(zhuǎn)化 為兩個金屬片的投影面積或距離相對變化，而后又使得兩個金屬片的投影面積 或距離相對變化轉(zhuǎn)換為電容容量的變化，進而達到將電容量變化轉(zhuǎn)換為模擬電 壓微變量的目的。其弱點如下1、對溫度有較高的靈敏度，不適合溫度變化跨度較大的場合 使用。2、機械往復(fù)回差大，使得往復(fù)測量精度誤差大。3、抗振動特性比較弱， 不適應(yīng)在非常惡劣的場合工作，在一定程度上影響檢測精度。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述的電阻式角微位移傳感器和電容式角微位移傳 感器作為鋼構(gòu)彈性角檢測的微角位移量傳感器的弱點，提供了一種檢測范圍大、 壽命長、動響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，又可進行產(chǎn)品全檢測機電性能，用于鋼構(gòu)彈性 角檢測的金屬弦式脈沖輸出型的微角位移傳感器。發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的 一根金屬弦(I)的一端被固定在參考端點(A) 上，并通過連接臂(C)與采樣部(E)的一端相連；金屬弦(I)的另一端被固 定在可微移動的釆樣端點(B)上，并通過對應(yīng)的連接臂(D)與采樣部(E) 的另一端相連，釆樣部(E)與輔助器(K)相接。用于檢測金屬弦(I)振動狀態(tài)的共振器(Y)的一端與檢波器(X)相連接， 共振器(Y)的另一端與驅(qū)動器(Z)的一端相連接；用于提取共振器(Y)電 信號的檢波器(X)的一端與驅(qū)動器(Z)的另一端相連接，同時檢波器(X) 的這一端作為輸出與外電路連接；檢波器(X)、共振器(Y)和驅(qū)動器(Z)將 機械共振量轉(zhuǎn)換為共振頻率電量。所述用于檢測鋼構(gòu)彈性角的金屬弦式脈沖輸出型的角微位移傳感器的測量方法包括傳感器的金屬弦(I)被固定在參考端點(A)和可微移動的采樣端點(b)之間，參考端點(A)的連接臂(C)和采樣端點(b)的連接臂(d) 被固定在采樣部(E)的上面，并與輔助器(K)緊密配合，輔助器(K)的兩 端直接與被檢測的鋼構(gòu)彈性角兩端延長的鋼構(gòu)臂(h)和鋼構(gòu)臂(j)相連，檢 測金屬鋼構(gòu)彈性角(O)的采樣部分，金屬弦(I)和參考端點(A)、采樣端點 (b)在工藝上緊密配合；在采樣部(E)的下面連接被測角探針(M)，所述被 測角探針(M)在測量時起定位作用；所述金屬弦(1)、采樣部(E)并與輔助 器(K)構(gòu)成角微位移三角探測敏感部分；當(dāng)無外力(F)作用于被測金屬鋼構(gòu)彈性角(O)相連的兩端延長鋼構(gòu)臂(H) 和鋼構(gòu)臂(j)時，角微位移三角探測敏感部分不發(fā)生金屬形變的角微位移，因 而探測金屬鋼構(gòu)彈性角(①)變化的角微位移三角探測敏感部分也沒有感知金屬 鋼構(gòu)彈性角(O)的變化量，此時金屬弦(I)在配合角微位移三角探測敏感部 分，保持著基本靜態(tài)角張力(F2),這個基本靜態(tài)角張力(F2)決定了金屬弦(I) 固有靜態(tài)振動的頻率(fi機)、共振器(y)的電氣選聘頻率(&電)和驅(qū)動器(Z) 的電氣激勵頻率(f2J;當(dāng)外力(F)作用于被測金屬鋼構(gòu)彈性角(O)時，作用于相連兩端延長鋼 構(gòu)臂(h)和鋼構(gòu)臂(j)上，并傳遞給角微位移三角探測敏感部分，該部分將 發(fā)生金屬彈性角形變的角微位移變化量(±JO)，同時也使得輔助器(K)長度 的線位移也發(fā)生(±ZL)的線微位移變化量，用于探測金屬鋼構(gòu)彈性角變化的 角微位移三角探測敏感部分感知到金屬鋼構(gòu)彈性角(0±」0)的變化量，此時 金屬弦(I)在配合角微位移三角探測敏感部分時，金屬弦(i)的共振頻率高速 響應(yīng)動態(tài)角張力(F2±」F)的變化，這個動態(tài)變化的角張力(F2±」F)決定了 金屬弦(i)動態(tài)振動的頻率(f2機士」f機)、共振器(y)的電氣選聘頻率(&電± 電)和驅(qū)動器(Z)的電氣激勵頻率(f2驅(qū)士」f驅(qū))的變化。用于檢測金屬弦a)動態(tài)振動的頻率(f2tt±」f機)的共振器(y)的輸出 端與檢波器(x)的輸入端相連，以完成金屬弦a)的固有機械振動頻率信號(f2機士」f機)向電頻率信號(f2電士Jf電)的轉(zhuǎn)換；檢波器(x)的輸出端與驅(qū)動 器(Z)的輸入端相連，在其電氣激勵頻率(f23E±Jfffi)的驅(qū)動下，使得金屬弦a)獲得振動所需要的能量，并使金屬弦a)固有振動的頻率(f2ft±」ftt)與諧波驅(qū)動電磁分量中的共振點響應(yīng)；檢波器(X)輸出的另一路，作為本傳感器電氣頻率變量響應(yīng)的輸出。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、靈敏度高在同等角度檢測半徑的條件下，與電阻式角微位移傳感器和電容式角微位移傳感器的測量精度相比，可對角度測量精度提高大于一個數(shù)量的等級；2、適應(yīng)性好可以在各種不同能量形式的輻射環(huán) 境中進行工作；3、響應(yīng)速度快由于采樣敏感部分質(zhì)量較小，頻率相應(yīng)速度快； 4、輸出形式頻率數(shù)字串形量的電信號，便于數(shù)字化信號傳遞與處理；5、工 作壽命長連續(xù)工作壽命不小于十年；6、環(huán)境兼容好有很強的抗干擾能力， 并有很好的電磁兼容性；7、自功耗低自身發(fā)熱影響極??；8、結(jié)構(gòu)簡單便 于安裝調(diào)試和維修。


圖1是微角位移傳感器的物理參量傳遞關(guān)系圖； 圖2a:角微位移傳感器原理結(jié)構(gòu)關(guān)系；圖2b:對鋼構(gòu)角的角微位移傳感器安裝及物理參量傳遞關(guān)系圖。
具體實施方式
實施例實施結(jié)構(gòu)用于鋼構(gòu)彈性角的金屬弦式脈沖輸出型角微位移傳感器的基本 設(shè)計思想如圖l所示，其中一條用于振動的金屬弦I、被測角探針M、采樣部E 并與輔助器K比例配合構(gòu)成三角機械配置以及將機械共振量轉(zhuǎn)換為共振頻率電 量的裝置；金屬弦I的一端被固定在參考端點A上，并通過連接臂C與采樣部 E—端相連；金屬弦I的另一端被固定在可微移動的采樣端點B上，并通過連接 臂D與采樣部E的另一端相連，采樣部E與輔助器K相接，構(gòu)成幾何狀的角微 位移三角探測敏感部位；用于檢測金屬弦I振動狀態(tài)的共振器Y的一端與檢波 器X相連接，共振器Y的另一端與驅(qū)動器Z的一端相連接；用于提取共振器Y 電信號的檢波器X的一端與驅(qū)動器Z的另一端相連接，同時檢波器X的這一端 作為輸出與外電路連接。當(dāng)外力F作用于被測金屬鋼構(gòu)彈性角①時，作用在相連兩端延長鋼構(gòu)臂H 和鋼構(gòu)臂J上，并傳遞給角微位移三角探測敏感部分，該部分將發(fā)生金屬彈性角 形變的角微位移變化量i」0，同時也使得輔助器K長度的線位移也發(fā)生士」L的 線微位移變化量，用于探測金屬鋼構(gòu)彈性角變化的角微位移三角探測敏感部分 感知到金屬鋼構(gòu)彈性角O±zJ0>的變化量，此時金屬弦I在配合角微位移三角探 測敏感部分時，金屬弦I的共振頻率高速響應(yīng)動態(tài)角張力F2士z1F的變化，這個 動態(tài)變化的角張力F2±』F決定了金屬弦I動態(tài)振動的頻率f2機士」f機、共振器Y 的電氣選聘頻率f21±」f fe和驅(qū)動器Z的電氣激勵頻率f2 tft」f ffi。用于檢測金屬弦I動態(tài)振動的頻率f^士ZlU的共振器Y的輸出端與檢波器 X的輸入端相連，以完成金屬弦I的固有機械振動頻率信號f2m土」"向電頻率 信號f2*±」f電的轉(zhuǎn)換。檢波器X的輸出端與驅(qū)動器Z的電氣激勵頻率&驅(qū)± Jf 雙的激勵下，使得金屬弦I獲得振動所需要的能量，并使金屬弦I固有振動的頻 率f2tt士Jfm與諧波驅(qū)動電磁分量中的響應(yīng)點共振。檢波器X輸出的另一路，作 為本傳感器電氣頻率變量響應(yīng)的輸出。設(shè)本傳感器有三種工作狀態(tài)。狀態(tài)1:本傳感器在該狀態(tài)時，監(jiān)測金屬鋼構(gòu)彈性角O的金屬弦I在外角力 為零時，此時的工作狀態(tài)又稱為該傳感器的靜態(tài)工作點，這是傳感器基本零位 的工作狀態(tài)。金屬弦I在基準(zhǔn)角張力為F2的狀態(tài)時，也就是安裝在當(dāng)無外力F 作用于被測金屬鋼構(gòu)彈性角①相連的兩端延長鋼構(gòu)臂H和鋼構(gòu)臂J時，用于探 測金屬鋼構(gòu)彈性角O變化的角微位移三角探測敏感部分沒有感知金屬鋼構(gòu)彈性 角0)的變化量，角微位移三角探測敏感部分也不發(fā)生金屬形變的角微位移，此 時金屬弦I在配合角微位移三角探測敏感部分，仍然保持著基本靜態(tài)角張力F2， 這個基本靜態(tài)角張力F2決定了金屬弦I固有靜態(tài)振動的頻率& 、共振器Y的電氣選聘頻率f2^和驅(qū)動器Z的電氣激勵頻率f2S。這時傳感器機械振動頻率f2tt 既等于選頻頻率f2電，也等于電氣激勵頻率f2驅(qū)，即f2m=f2*=f2ffi=f2，因此&可 以定義為傳感器靜態(tài)工作點的頻率。狀態(tài)2:當(dāng)外力F作用于被測金屬鋼構(gòu)彈性角O時，作用在相連兩端延長 鋼構(gòu)臂H和鋼構(gòu)臂J上，并傳遞給角微位移三角探測敏感部分，該部分將發(fā)生金屬彈性角形變的角微位移變化量-」0，同時也使得輔助器K長度的線位移也 發(fā)生-』L的線微位移變化量，用于探測金屬鋼構(gòu)彈性角變化的角微位移三角探測敏感部分感知到金屬鋼構(gòu)彈性角的變化量，此時金屬弦I在配合角微位移三角探測敏感部分時，金屬弦I的共振頻率高速響應(yīng)動態(tài)角張力F2-」F的 變化，這個動態(tài)變化的角張力F2-」F決定了金屬弦I動態(tài)振動的頻率f2機-」f機= &機、共振器Y的電氣選聘頻率f2 Jf fe= f\ J卩驅(qū)動器Z的電氣激勵頻率f2 J f 驅(qū)二&驅(qū)。用于檢測金屬弦I動態(tài)振動的頻率f2機-」f機=&機的共振器丫的輸出端 與檢波器X的輸入端相連，以完成金屬弦I的固有機械振動頻率信號f2W-」f機 =&機向電頻率信號f2電-Jf =&電的轉(zhuǎn)換。檢波器X的輸出端與驅(qū)動器Z的電氣 激勵頻率f^-」f^^f^的激勵下，使得金屬弦I獲得振動所需要的能量，并使金 屬弦I固有振動的頻率f2 r JftffH/i與諧波驅(qū)動電磁分量中的響應(yīng)點共振。檢波 器X輸出的另一路，作為本傳感器電氣頻率變量響應(yīng)的輸出。這時傳感器的機 械振動頻率f,機既等于選頻頻率f,電，也等于電氣激勵頻率f^。 g卩fltt=f1E&=f, f&，因此&可以定義為傳感器負向動態(tài)的工作頻率。此時狀態(tài)2傳感器負向動 態(tài)的工作頻率&小于狀態(tài)2傳感器靜態(tài)工作點的頻率f2。狀態(tài)3:當(dāng)外力F作用于被測金屬鋼構(gòu)彈性角O時，作用在相連兩端延長 鋼構(gòu)臂H和鋼構(gòu)臂J上，并傳遞給角微位移三角探測敏感部分，該部分將發(fā)生 金屬彈性角形變的角微位移變化量+」0，同時也使得輔助器K長度的線位移也 發(fā)生+」L的線微位移變化量，用于探測金屬鋼構(gòu)彈性角變化的角微位移三角探 測敏感部分感知到金屬鋼構(gòu)彈性角0+JO)的變化量，此時金屬弦I在配合角微 位移三角探測敏感部分時，金屬弦I的共振頻率高速響應(yīng)動態(tài)角張力F2+」F的 變化，這個動態(tài)變化的角張力F2+Z1F決定了金屬弦I動態(tài)振動的頻率f2tt+」F機 =f3機、共振器Y的電氣選聘頻率f2電+」f電=f3電和驅(qū)動器Z的電氣激勵頻率f2驅(qū) +」f^=f3 。用于檢測金屬弦I動態(tài)振動的頻率f2機+」F m=f3 w的共振器Y的輸出 端與檢波器X的輸入端相連，以完成金屬弦I的固有機械振動頻率信號f2tt+」f 機=fw幾向電頻率信號f2電+」f電=f3電的轉(zhuǎn)換。檢波器X的輸出端與驅(qū)動器Z的電 氣激勵頻率6 +」纟^= f^的激勵下，使得金屬弦I獲得振動所需要的能量，并 使金屬弦I固有振動的頻率f2m+」f^^f3m與諧波驅(qū)動電磁分量中的響應(yīng)點共振。 檢波器X輸出的另一路，作為本傳感器電氣頻率變量響應(yīng)的輸出。這時傳感器的機械振動頻率f3m既等于選頻頻率f^，也等于電氣激勵頻率f^。即f3m=f3ff =f3，因此f3可以定義為傳感器負向動態(tài)的工作頻率。此時狀態(tài)3傳感器正向動態(tài)的工作頻率f3大于狀態(tài)2傳感器靜態(tài)工作點的頻率f3。用于鋼構(gòu)彈性角檢測的金屬弦式脈沖輸出型角微位移傳感器的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。機械部分參考端點A是固定金屬弦I的參考位置，采樣端點B是固定金屬弦I的受力采樣位置，金屬弦I被連接在參考端點A和采樣端點B之間。C代表傳感器彈性角連接臂的一端；D代表傳感器彈性角連接臂的另一端；G代 表傳感器外殼；I代表金屬弦裝置；O代表待檢測金屬鋼構(gòu)彈性角；K代表輔助 器;E代表采樣部；M被測角探針。電氣部分X代表檢波器；Y代表共振器；Z代表驅(qū)動器；W代表輸出端□。鋼構(gòu)彈性角用金屬弦式脈沖輸出型角微位移傳感器是把鋼構(gòu)彈性角的彈性 角微變量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)變量的一種傳感器，它的機械部分是由金屬弦I、參考端點A、采樣端點B、彈性角連接臂C、彈性角連接臂D、傳感器外殼G、輔助器 K、采樣部E和被測角探針M所組成。它的電氣部分是由檢波器X、共振器Y、 驅(qū)動器Z和輸出端口 W。當(dāng)本傳感器安裝在被檢測金屬鋼構(gòu)彈性角的采樣部位時，金屬鋼構(gòu)彈性角O 受到外角力的作用，使金屬鋼構(gòu)彈性角O產(chǎn)生彈性的變形角微位移士O，在通過 本傳感器與被檢測金屬鋼構(gòu)彈性角的連接臂C和連接臂D傳遞到本傳感器的金 屬弦I上，這個動態(tài)作用角力的傳遞過程是通過金屬鋼構(gòu)彈性角O受力變形來 實現(xiàn)的。由于金屬弦I的截面積與被檢測金屬鋼構(gòu)彈性角H的截面積相比甚小， 在單位角張力及壓強方面對于作用力的分散完全可以忽略不計。傳感器的金屬弦I在基準(zhǔn)角張力為F2的狀態(tài)時，也就是安裝在金屬鋼構(gòu)彈 性角0>的金屬弦I在外力為零的靜態(tài)位置時，此時的傳感器處于靜態(tài)工作點的 狀態(tài)，也是傳感器處于機械零點角位移的工作狀態(tài)，設(shè)定傳感器的金屬弦I的固 有機械振動的頻率為f2m、共振器Y的電氣選頻頻率為f^以及驅(qū)動器Z的電氣 激勵頻率為f2雙。這時傳感器的機械振動頻率f^既等于選頻頻率f^，也等于電 氣激勵頻率f2驅(qū)，S卩f2m=f2!fe=f2S=f2，因此f2可以定義為傳感器靜態(tài)工作點的 頻率，如圖2所示。所述傳感器機械轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)包括固定端點A是金屬弦 I的參考位置，采樣端點B是金屬弦I的受力位置，金屬弦I被連接在固定端點 A和采樣端點B之間。金屬弦I和可微移動的采樣端點(B)緊密配合連接。C代 表傳感器與被檢測金屬鋼構(gòu)彈性角連接臂；D代表傳感器與被檢測金屬鋼構(gòu)彈 性角連接臂；G代表傳感器外殼；I代表金屬弦；(D代表待檢測金屬鋼構(gòu)彈性角。 外殼G支撐著整個金屬弦相關(guān)的機械轉(zhuǎn)換裝置和電信轉(zhuǎn)換裝置，所述傳感器電 信轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)包括共振器Y、驅(qū)動器Z、檢波器X和輸出端口 W等部分組 所成。共振器Y的輸出端是檢波器X輸入端，檢波器X輸出端既是驅(qū)動器Z的 輸入端，也是輸出端口W的輸出。驅(qū)動器Z與共振器Y相連接，傳感器在驅(qū)動器Z的激勵下，使金屬弦I獲 得機械振動所需的能量，并使金屬弦I的固有振動頻率與驅(qū)動器Z在激勵諧波 分量中的響應(yīng)點共振，驅(qū)動器Z對激勵諧波分量進行諧振性的選擇。共振器Y 與檢波器X相連接，共振器Y將金屬弦I固有頻率的機械振動轉(zhuǎn)換為同頻的電 信號，輸入檢波器X處理。檢波器X與驅(qū)動器Z相連接另一端與輸出負載R連 接。檢波器X輸出的信號一路輸入到驅(qū)動器Z，作為金屬弦I振動的驅(qū)動能量，另一路作為本傳感器電變量信號響應(yīng)的輸出端。本傳感器的金屬弦I的共振點是 隨著機械鋼構(gòu)彈性角的微變化而變化。本發(fā)明提供的鋼構(gòu)彈性角用金屬弦式脈沖輸出型角微位移傳感器的設(shè)計思 想，機械轉(zhuǎn)換部分包括金屬弦I、參考端點A、采樣端點B、金屬弦I被連接在固定端點A和采樣端點B之間，與金屬弦I和可移動的采樣端點(B)緊密配合 連接。彈性角連接臂C、彈性角連接臂D、傳感器外殼G、輔助器K、采樣部E 和被測角探針M所組成?？梢酝瓿赏饨橇τ跈C械角形變和弦共振的函數(shù)傳遞。 電氣部分包括是由檢波器X、共振器Y、驅(qū)動器Z和輸出端口W，可以完成將 機械感知的函數(shù)變量轉(zhuǎn)換位電性變量，達到輸出的目的。其特征是固定端點A是金屬弦I的參考位置，采樣端點B是金屬弦I的 受力位置，金屬弦I被連接在固定端點A和采樣端點B之間，并通過采樣部E 與輔助器K配合，共振器Y和驅(qū)動器Z位于這條金屬弦I的上方，并保持著恒 定極近地感知距離。共振器Y的輸出端與檢波器X的輸入端直接進行電氣相連， 檢波器X的輸出端既要與驅(qū)動器Z的輸入端相接。電氣部分的驅(qū)動器Z在共振器Y相連接，各個部分采用一個公共接地，本 傳感器在驅(qū)動器Z的激勵驅(qū)動下，使金屬弦I發(fā)生諧振振動。此時激勵中的驅(qū) 動分量與金屬弦的固有振動頻率共振，共振頻率器Y對驅(qū)動器Z驅(qū)動激勵中的 諧波分量進行諧振性的選擇，而后在金屬弦I上穩(wěn)定為共振性的機械正弦振動。 共振選頻電路Y與檢波器X相連接，共振器Y將金屬弦I固有的振動轉(zhuǎn)換為同 頻的正弦波電信號，輸入檢波器進行處理。檢波器X與驅(qū)動器Z相連接，而另 一端與輸出端口 W相連。檢波器X輸出的信號一路輸入驅(qū)動器Z作為金屬弦I 振動的驅(qū)動能量。另一路作為本傳感器電變量信號響應(yīng)的輸出端。本傳感器金 屬弦I的機械共振點是隨機械鋼構(gòu)彈性角①的變化而變化的。圖1中物理變量1、 2、 3之間的傳遞關(guān)系如下1、 狀態(tài)一函數(shù)對應(yīng)關(guān)系 0>1=<D2 —A①角位移減少； L1=L2 — AL線位移減少； fl= f2 _ Af 輸出頻率減少。.2、 狀態(tài)二函數(shù)對應(yīng)關(guān)系0)2 = 02 靜態(tài)基準(zhǔn)角度； L2 = L2 靜態(tài)基準(zhǔn)位移； ￡2 = f2 靜態(tài)基準(zhǔn)頻率。3、 狀態(tài)三函數(shù)對應(yīng)關(guān)系0)3=①2 +A0)角位移加大； L3=L2 + AL線位移加大； fi=f2 + Af輸出頻率加大。
權(quán)利要求
1. 一種用于檢測鋼構(gòu)彈性角的金屬弦式脈沖輸出型的角微位移傳感器，其特征在于一根金屬弦(I)的一端被固定在參考端點(A)上，并通過連接臂(C)與采樣部(E)的一端相連；金屬弦(I)的另一端被固定在可微移動的采樣端點(B)上，并通過對應(yīng)的連接臂(D)與采樣部(E)的另一端相連，采樣部(E)與輔助器(K)相接。
2、 如權(quán)利要求1所述用于檢測鋼構(gòu)彈性角的金屬弦式脈沖輸出型的角微位移傳感器，其特征還在于用于檢測金屬弦(I)振動狀態(tài)的共振器(Y)的一 端與檢波器(X)相連接，共振器(Y)的另一端與驅(qū)動器(Z)的一端相連接； 用于提取共振器(Y)電信號的檢波器(X)的一端與驅(qū)動器(Z)的另一端相 連接，同時檢波器(X)的這一端作為輸出與外電路連接；檢波器(X)、共振 器(Y)和驅(qū)動器(Z)將機械共振量轉(zhuǎn)換為共振頻率電量。
3、 一種用于檢測鋼構(gòu)彈性角的金屬弦式脈沖輸出型的角微位移傳感器的測 量方法，其特征在于傳感器的金屬弦(I)被固定在參考端點(A)和可微移 動的釆樣端點(B)之間，參考端點(A)的連接臂(C)和采樣端點(B)的連 接臂(D)被固定在采樣部(E)的上面，并與輔助器(K)緊密配合，輔助器(K)的兩端直接與被檢測的鋼構(gòu)彈性角兩端延長的鋼構(gòu)臂(H)和鋼構(gòu)臂(J) 相連，檢測金屬鋼構(gòu)彈性角(①)的采樣部分，金屬弦(I)和參考端點(A)、 采樣端點(B)在工藝上緊密配合；在采樣部(E)的下面連接被測角探針(M)， 所述被測角探針(M)在測量時起定位作用；所述金屬弦(1)、采樣部(E)并 與輔助器(K)構(gòu)成角微位移三角探測敏感部分；當(dāng)無外力(F)作用于被測金屬鋼構(gòu)彈性角(O)相連的兩端延長鋼構(gòu)臂(H) 和鋼構(gòu)臂(J)時，角微位移三角探測敏感部分不發(fā)生金屬形變的角微位移，因 而探測金屬鋼構(gòu)彈性角(O)變化的角微位移三角探測敏感部分也沒有感知金屬 鋼構(gòu)彈性角(O)的變化量，此時金屬弦(I)在配合角微位移三角探測敏感部 分，保持著基本靜態(tài)角張力(F2)，這個基本靜態(tài)角張力(F2)決定了金屬弦(I) 固有靜態(tài)振動的頻率(f2機)、共振器(Y)的電氣選聘頻率(&電)和驅(qū)動器(Z) 的電氣激勵頻率(f2驅(qū))；當(dāng)外力(F)作用于被測金屬鋼構(gòu)彈性角(O)時，作用于相連兩端延長鋼 構(gòu)臂(H)和鋼構(gòu)臂(J)上，并傳遞給角微位移三角探測敏感部分，該部分將 發(fā)生金屬彈性角形變的角微位移變化量(±」0)，同時也使得輔助器(K)長度 的線位移也發(fā)生(±」L)的線微位移變化量，用于探測金屬鋼構(gòu)彈性角變化的 角微位移三角探測敏感部分感知到金屬鋼構(gòu)彈性角(0)±」O)的變化量，此時 金屬弦(I)在配合角微位移三角探測敏感部分時，金屬弦(I)的共振頻率高速 響應(yīng)動態(tài)角張力(F2±」F)的變化，這個動態(tài)變化的角張力(F2±」F)決定了 金屬弦(I)動態(tài)振動的頻率(f2機士」f機)、共振器(Y)的電氣選聘頻率(f2E&±z1f 電)和驅(qū)動器(Z)的電氣激勵頻率(f^iJf^)的變化。
4、如權(quán)利要求3所述用于檢測鋼構(gòu)彈性角的金屬弦式脈沖輸出型的角微位 移傳感器的測量方法，其特征在于用于檢測金屬弦(I)動態(tài)振動的頻率(f2tt ±^f )的共振器(Y)的輸出端與檢波器(X)的輸入端相連，以完成金屬弦 (I)的固有機械振動頻率信號(f2機士」f機)向電頻率信號(f2*±Jf。的轉(zhuǎn)換； 檢波器(X)的輸出端與驅(qū)動器(Z)的輸入端相連，在其電氣激勵頻率(f2s±」f的驅(qū)動下，使得金屬弦(I)獲得振動所需要的能量，并使金屬弦(I)固有振動的頻率(f2tt±」fm)與諧波驅(qū)動電磁分量中的共振點響應(yīng)；檢波器(X)輸 出的另一路，作為本傳感器電氣頻率變量響應(yīng)的輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信號檢測所用的鋼構(gòu)彈性角用金屬弦式脈沖輸出型角微位移傳感器。本傳感器安裝在被檢測金屬鋼構(gòu)彈性角采樣部的輔助器上，當(dāng)被檢測金屬鋼構(gòu)彈性角受到角外力的作用，使得金屬鋼構(gòu)彈性角發(fā)生彈性形變的角微位移，該形變的角微位移量通過輔助器、采樣部、采樣端及連接臂、參考端和連接臂傳遞給金屬弦上，使得金屬弦所受的角張力發(fā)生比例性的微量變化，從而使得金屬弦的固有振動頻率也發(fā)生相應(yīng)變化，通過共振器將機械量固有頻率轉(zhuǎn)換為電量共振頻率，再傳送到檢波器中。檢波器輸出的一端作為驅(qū)動器的輸入，用以提供金屬弦機械振動所需要的能量。同時另一路用于提供檢測信號的輸出用。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強、靈敏度高，使用壽命長。
文檔編號G01D5/243GK101275858SQ20081009688
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日
發(fā)明者亮 趙, 趙志忠 申請人:無錫康華鋼構(gòu)安全監(jiān)測科技有限公司