专利名称：用于钢构弹性角检测的微角位移传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感器，特别是涉及'种用于钢构弹性角检测的金属 弦式脉冲输出型的角微位移传感器。
背景技术：
测量角微位移的经典传统方法有两种。其一是电阻应变片式角微位移传感 器、其二是电容式角微位移传感器。
1、应变片式角微位移传感器又可以严格地定义为"电阻式半导体角位移传 感器"，这种传感器属于无源型半导体器件类，是一种专门用来测量钢构弹性角 受力时所发生应变角位移的器件。由于物体受到角外力的作用，产生相应的角 形变，电阻应变片式角微位移传感器就可以间接地测量出外力作用在钢构弹性 角受力的大小。
电阻应变片式角微位移传感器的测量原理为电阻应变型角微位移传感器 可以作为电阻器来等效，当电阻导体的截面积和电阻率一定时，其电阻值与电 阻导体的长度成正比，在无外力的作用下，该电阻应变片式角微位移传感器用 一定的电路形式连接后，被牢固紧密地粘贴在被检测的钢构弹性角的测量表面。 当这个金属钢构弹性角受到外力的作用时，其金属钢构弹性角就会发牛相应几 何角度的机械微形变，被牢固紧密粘贴的电阻应变片式角微位移传感器也随之 发生几何形变，或拉长变细，或縮短变粗。由于电阻应变片式角微位移传感器 的角采样部分，在外力的作用下发生相应角度的微形变时，使得电阻应变片式 角微位移传感器内部的半导体晶格发生错位变形，因而使得电阻应变片式角微 位移传感器的本体电阻也随着金属钢构弹性角的角微位移量的变换而变化，通 过不同电路的连接形式，使得电阻应变片式角微位移传感器的输出电压也随着 金属钢构弹性角的角微位移量的变化而变化，从而达到进行金属钢构弹性角的 角微变量转化为模拟电压微变量的目的。
电阻应变片型传感器从它的诞生到现在的发展，己有近三十多年的历史， 在理想的环境条件下，微角位移电阻应变片型传感器呈现出良好的输出的外特 性，因而微角位移应变片型传感器在一些领域中被应用。由于微角位移应变片 型传感器材料采用的是半导体材料，其基本物理特性，在某些特殊地场合条件 下，有其致命的弱点。其弱点如下
*电阻应变片式角微位移传感器的核心部分为半导体的硅材料所制，对其温 度有较高的灵敏度，因此不适合温度变化跨度较大的场合使用。
*电阻应变片式角微位移传感器为半导体材料合成所制，其机械寿命有限， 在连续动态的工况下工作寿命不大于半年。
在制造电阻应变片式角微位移传感器时，需要用粘接剂将电阻应变片牢固 紧密的粘贴在辅助工装件上，在一定程度上影响检测精度。*对成批产品，该传感器核心部件只能抽样检测，无法对每一个核心部件进 行电气参数的检测，因此对每个产品的质量把握是间接所为。
2、电容式角微位移传感器又可以定义为"电容式角微位移传感器"，这种传 感器属于无源型器件类，是一种专门用来测量角所发生应变角微位移的器件。 由于物体角度受到角外力的作用，将产生相应的角微形变，电容式角微位移传 感器就可以间接地测量出角外力作用在物体角受力的大小，以及外力对物体角 度作用变化的微变量。
电容式角微位移传感器的测量原理为电容式角微位移传感器可以作为电 容器来等效，在物体被监测角度上设置一对可以进行相对小位移的金属片作为 电容器，两个金属片的投影面积或距离是决定该电容容量的重要参数。
在无外力的作用下时，该电容式角微位移传感器用一定的电路形式连接后， 被紧密地固定被测物体角测量面上。当这个物体角没用受到外力的作用时，其 两个金属片的投影面积或距离相对静止，并保持着原始静态电容的容量值。
在有外力的作用下时，这个物体角受到外力的作用时，其被固定的两个金 属片的投影面积或距离将发生相对变化，因而使得电容式角微位移传感器的基 准电容也随着物体角的角微位移的变换而变化，通过不同电路的连接形式，将 电容容量的变化量转换为电压量，使得电容式角微位移传感器的输出电压随着 被测物体角的角微位移量的变化而变化，从而达到进行物体角的角微变量转化 为两个金属片的投影面积或距离相对变化，而后又使得两个金属片的投影面积 或距离相对变化转换为电容容量的变化，进而达到将电容量变化转换为模拟电 压微变量的目的。
其弱点如下1、对温度有较高的灵敏度，不适合温度变化跨度较大的场合 使用。2、机械往复回差大，使得往复测量精度误差大。3、抗振动特性比较弱， 不适应在非常恶劣的场合工作，在一定程度上影响检测精度。 发明内容
.本实用新型的目的在于克服上述的电阻式角微位移传感器和电容式角微位 移传感器作为钢构弹性角检测的微角位移量传感器的弱点，提供了一种检测范 围大、寿命长、动响应快、稳定性好，又可进行产品全检测机电性能，用于钢 构弹性角检测的微角位移传感器。
本实用新型目的是这样实现的 一根金属弦(I)的一端被固定在参考端点 (A)上，并通过连接臂(C)与采样部(E)的一端相连；金属弦(I)的另一
端被固定在可微移动的采样端点(B)上，并通过对应的连接臂(D)与采样部 (E)的另一端相连，采样部(E)与辅助器(K)相接。
用于检测金属弦(I)振动状态的共振器(Y)的一端与检波器(X)相连接， 共振器(Y)的另一端与驱动器(Z)的一端相连接；用于提取共振器(Y)电 信号的检波器(X)的一端与驱动器(Z)的另一端相连接，同时检波器(X) 的这一端作为输出与外电路连接；检波器(X)、共振器(Y)和驱动器(Z)将 机械共振量转换为共振频率电量。
本实用新型的优点在于1、灵敏度高在同等角度检测半径的条件下，与
电阻式角微位移传感器和电容式角微位移传感器的测量精度相比，可对角度测 量精度提高大于一个数量的等级；2、适应性好可以在各种不同能量形式的辐 射环境中进行工作；3、响应速度快由于采样敏感部分质量较小，频率相应速 度快；4、输出形式频率数字串形量的电信号，便于数字化信号传递与处理； 5、工作寿命长连续工作寿命不小于十年；6、环境兼容好有很强的抗干扰 能力，并有很好的电磁兼容性；7、自功耗低自身发热影响极小；8、结构简 单:便于安装调试和维修。
图1是微角位移传感器的物理参量传递关系图； 图2a:角微位移传感器原理结构关系；
图2b:对钢构角的角微位移传感器安装及物理参量传递关系图。
具体实施方式
实施例
实施结构用于钢构弹性角的金属弦式脉冲输出型角微位移传感器的基本 设计思想如图l所示，其中一条用于振动的金属弦I、被测角探针M、采样部E 并与辅助器K比例配合构成三角机械配置以及将机械共振量转换为共振频率电
量的装置；金属弦I的一端被固定在参考端点A上，并通过连接臂C与采样部
E—端相连；金属弦I的另一端被固定在可微移动的采样端点B上，并通过连接
臂D与采样部E的另一端相连，采样部E与辅助器K相接，构成几何状的角微 位移三角探测敏感部位；用于检测金属弦I振动状态的共振器Y的一端与检波 器X相连接，共振器Y的另一端与驱动器Z的一端相连接；用于提取共振器Y 电信号的检波器X的一端与驱动器Z的另一端相连接，同时检波器X的这一端 作为输出与外电路连接。
当外力F作用于被测金属钢构弹性角O时，作用在相连两端延长钢构臂H 和钢构臂J上，并传递给角微位移三角探测敏感部分，该部分将发生金属弹性角 形变的角微位移变化量±」0，同时也使得辅助器K长度的线位移也发生i」L的 线微位移变化量，用于探测金属钢构弹性角变化的角微位移三角探测敏感部分 感知到金属钢构弹性角3>±」C>的变化量，此时金属弦I在配合角微位移三角探 测敏感部分时，金属弦I的共振频率高速响应动态角张力F2士」F的变化，这个 动态变化的角张力F2±」F决定了金属弦I动态振动的频率f2tt±」f 、共振器Y 的电气选聘频率f2 *±」f电和驱动器Z的电气激励频率f2驱± Jf驱。
用于检测金属弦I动态振动的频率f2tt±」f m的共振器Y的输出端与检波器 X的输入端相连，以完成金属弦I的固有机械振动频率信号f2W士」U向电频率 信号f2lti±」f *的转换。检波器X的输出端与驱动器Z的电气激励频率f23g±」f m的激励下，使得金属弦I获得振动所需要的能量，并使金属弦I固有振动的频
率f2^」ftt与谐波驱动电磁分量中的响应点共振。检波器X输出的另一路，作
为本传感器电气频率变量响应的输出。 设本传感器有三种工作状态。
状态l:本传感器在该状态时，监测金属钢构弹性角O的金属弦I在外角力
为零时，此时的工作状态又称为该传感器的静态工作点，这是传感器基本零位 的工作状态。金属弦I在基准角张力为F2的状态时，也就是安装在当无外力F
作用于被测金属钢构弹性角O相连的两端延长钢构臂H和钢构臂J时，用于探 测金属钢构弹性角o变化的角微位移三角探测敏感部分没有感知金属钢构弹性
角①的变化量，角微位移三角探测敏感部分也不发生金属形变的角微位移，此
时金属弦I在配合角微位移三角探测敏感部分，仍然保持着基本静态角张力F2， 这个基本静态角张力F2决定了金属弦I固有静态振动的频率f2 tt、共振器Y的电 气选聘频率f^和驱动器Z的电气激励频率f2驱。这时传感器机械振动频率f2m
既等于选频频率f2电，也等于电气激励频率f2驱，即f2ft=f24=f2!Jg=f2，因此f2可
以定义为传感器静态工作点的频率。
状态2:当外力F作用于被测金属钢构弹性角①时，作用在相连两端延长
钢构臂H和钢构臂J上，并传递给角微位移三角探测敏感部分，该部分将发生 金属弹性角形变的角微位移变化量-JO，同时也使得辅助器K长度的线位移也 发生-」L的线微位移变化量，用于探测金属钢构弹性角变化的角微位移三角探 测敏感部分感知到金属钢构弹性角o-」①的变化量，此时金属弦I在配合角微 位移三角探测敏感部分时，金属弦I的共振频率高速响应动态角张力F2-」F的 变化，这个动态变化的角张力F2-」F决定了金属弦I动态振动的频率f2tt-z1f tt= f\ tt、共振器Y的电气选聘频率f2 」f fe= f\ a和驱动器Z的电气激励频率f2『」f
驱二f，驱。用于检测金属弦I动态振动的频率f2机-」f机^&机的共振器Y的输出端
与检波器X的输入端相连，以完成金属弦I的固有机械振动频率信号f2tt-」f机 =&机向电频率信号f2电-」f电=&电的转换。检波器X的输出端与驱动器Z的电气 激励频率f2驱-」f驱二&驱的激励下，使得金属弦I获得振动所需要的能量，并使金
属弦I固有振动的频率f2tt-ZJf^ff^与谐波驱动电磁分量中的响应点共振。检波
器X输出的另一路，作为本传感器电气频率变量响应的输出。这时传感器的机 械振动频率f!机既等于选频频率&电，也等于电气激励频率&驱。即5机=&电=5 因此&可以定义为传感器负向动态的工作频率。此时状态2传感器负向动 态的丄作频率&小于状态2传感器静态工作点的频率f2。
状态3:当外力F作用于被测金属钢构弹性角O时，作用在相连两端延长 钢构臂H和钢构臂J上，并传递给角微位移三角探测敏感部分，该部分将发生 金属弹性角形变的角微位移变化量+」0，同时也使得辅助器K长度的线位移也 发生+」L的线微位移变化量，用于探测金属钢构弹性角变化的角微位移三角探 测敏感部分感知到金属钢构弹性角0>+」0>的变化量，此时金属弦I在配合角微 位移三角探测敏感部分时，金属弦I的共振频率高速响应动态角张力F2+」F的 变化，这个动态变化的角张力F2+」F决定了金属弦I动态振动的频率f2tt+」F机 =f3机、共振器Y的电气选聘频率f2电+」f f f3电和驱动器Z的电气激励频率f2驱 +」f ff3驱。用于检测金属弦I动态振动的频率f2t/l+zlF机=€3机的共振器Y的输出 端与检波器X的输入端相连，以完成金属弦I的固有机械振动频率信号f2tt+」f 机=f3机向电频率信号f2*+电=f3电的转换。检波器X的输出端与驱动器Z的电 气激励频率f^+』fi^ f3双的激励下，使得金属弦I获得振动所需要的能量，并
使金属弦I固有振动的频率f2W+」ftt= f3tt与谐波驱动电磁分量中的响应点共振。 检波器X输出的另一路，作为本传感器电气频率变量响应的输出。这时传感器 的机械振动频率f3机既等于选频频率f3电，也等于电气激励频率f3驱。即f3tt=f3 *=f3S=f3，因此f3可以定义为传感器负向动态的工作频率。此时状态3传感器正 向动态的工作频率f3大于状态2传感器静态工作点的频率f3。
用于钢构弹性角检测的金属弦式脉冲输出型角微位移传感器的原理结构框 图如图2所示。
机械部分参考端点A是固定金属弦I的参考位置，采样端点B是固定金
属弦I的受力采样位置，金属弦I被连接在参考端点A和采样端点B之间。C 代表传感器弹性角连接臂的一端；D代表传感器弹性角连接臂的另一端；G代 表传感器外壳；I代表金属弦装置；O代表待检测金属钢构弹性角；K代表辅助 器；E代表采样部；M被测角探针。
电气部分X代表检波器；Y代表共振器；Z代表驱动器；W代表输出端□。
钢构弹性角用金属弦式脉冲输出型角微位移传感器是把钢构弹性角的弹性 角微变量转换为电参数变量的一种传感器，它的机械部分是由金属弦I、参考端
点A、采样端点B、弹性角连接臂C、弹性角连接臂D、传感器外壳G、辅助器 K、采样部E和被测角探针M所组成。它的电气部分是由检波器X、共振器Y、 驱动器Z和输出端口 W。
当本传感器安装在被检测金属钢构弹性角的采样部位时，金属钢构弹性角O 受到外角力的作用，使金属钢构弹性角。产生弹性的变形角微位移士①，在通过 本传感器与被检测金属钢构弹性角的连接臂C和连接臂D传递到本传感器的金 属弦I上，这个动态作用角力的传递过程是通过金属钢构弹性角①受力变形来 实现的。由于金属弦I的截面积与被检测金属钢构弹性角H的截面积相比甚小， 在单位角张力及压强方面对于作用力的分散完全可以忽略不计。
传感器的金属弦I在基准角张力为F2的状态时，也就是安装在金属钢构弹 性角O的金属弦I在外力为零的静态位置时，此时的传感器处于静态工作点的 状态，也是传感器处于机械零点角位移的工作状态，设定传感器的金属弦I的固 有机械振动的频率为f2m、共振器Y的电气选频频率为f^以及驱动器Z的电气 激励频率为f2s。这时传感器的机械振动频率f2m既等于选频频率f^，也等于电 气激励频率f2驱，即f2tt=f2*=f23g=f2，因此f2可以定义为传感器静态工作点的 频率，如图2所示。所述传感器机械转换装置结构包括固定端点A是金属弦 I的参考位置，采样端点B是金属弦I的受力位置，金属弦I被连接在固定端点 A和采样端点B之间。金属弦I和可微移动的采样端点(B)紧密配合连接。C代 表传感器与被检测金属钢构弹性角连接臂；D代表传感器与被检测金属钢构弹 性角连接臂；G代表传感器外壳；I代表金属弦；O代表待检测金属钢构弹性角。 外壳G支撑着整个金属弦相关的机械转换装置和电信转换装置，所述传感器电 信转换装置结构包括共振器Y、驱动器Z、检波器X和输出端口 W等部分组 所成。共振器Y的输出端是检波器X输入端，检波器X输出端既是驱动器Z的
输入端，也是输出端口W的输出。
驱动器Z与共振器Y相连接，传感器在驱动器Z的激励下，使金属弦I获 得机械振动所需的能量，并使金属弦I的固有振动频率与驱动器z在激励谐波 分量中的响应点共振，驱动器Z对激励谐波分量进行谐振性的选择。共振器Y 与检波器X相连接，共振器Y将金属弦I固有频率的机械振动转换为同频的电 信号，输入检波器X处理。检波器X与驱动器Z相连接另一端与输出负载R连 接。检波器X输出的信号一路输入到驱动器Z，作为金属弦I振动的驱动能量， 另一路作为本传感器电变量信号响应的输出端。本传感器的金属弦I的共振点是 随着机械钢构弹性角的微变化而变化。
本实用新型提供的钢构弹性角用金属弦式脉冲输出型角微位移传感器的设 计思想，机械转换部分包括金属弦I、参考端点A、采样端点B、金属弦I被 连接在固定端点A和采样端点B之间，与金属弦I和可移动的采样端点(B)紧密 配合连接。弹性角连接臂C、弹性角连接臂D、传感器外壳G、辅助器K、采样 部E和被测角探针M所组成。可以完成外角力对于机械角形变和弦共振的函数 传递。电气部分包括是由检波器X、共振器Y、驱动器Z和输出端口W，可以 完成将机械感知的函数变量转换位电性变量，达到输出的目的。
其特征是固定端点A是金属弦I的参考位置，采样端点B是金属弦I的 受力位置，金属弦I被连接在固定端点A和采样端点B之间，并通过采样部E 与辅助器K配合，共振器Y和驱动器Z位于这条金属弦I的上方，并保持着恒 定极近地感知距离。共振器Y的输出端与检波器X的输入端直接进行电气相连， 检波器X的输出端既要与驱动器Z的输入端相接。
电气部分的驱动器Z在共振器Y相连接，各个部分采用一个公共接地，本 传感器在驱动器Z的激励驱动下，使金属弦I发生谐振振动。此时激励中的驱 动分量与金属弦的固有振动频率共振，共振频率器Y对驱动器Z驱动激励中的 谐波分量进行谐振性的选择，而后在金属弦I上稳定为共振性的机械正弦振动。 共振选频电路Y与检波器X相连接，共振器Y将金属弦I固有的振动转换为同 频的正弦波电信号，输入检波器进行处理。检波器X与驱动器Z相连接，而另 一端与输出端口 W相连。检波器X输出的信号一路输入驱动器Z作为金属弦I 振动的驱动能量。另一路作为本传感器电变量信号响应的输出端。本传感器金 属弦I的机械共振点是随机械钢构弹性角O的变化而变化的。
图1中物理变量1、 2、 3之间的传递关系如下
1、 状态一函数对应关系0)1=02 —AO角位移减少；L1=L2 — AL线 位移减少；fl=f2 — Af输出频率减少。
2、 状态二函数对应关系02 = 02静态基准角度；L2 = L2静态基准位移； G = f2静态基准频率。
3、 状态三函数对应关系0>3 = 02 +AO角位移加大；L3 = L2 + AL线 位移加大；fi = G + Af输出频率加大。
权利要求1.一种用于检测钢构弹性角的金属弦式脉冲输出型的角微位移传感器，其特征在于一根金属弦(I)的一端被固定在参考端点(A)上，并通过连接臂(C)与采样部(E)的一端相连；金属弦(I)的另一端被固定在可微移动的采样端点(B)上，并通过对应的连接臂(D)与采样部(E)的另一端相连，采样部(E)与辅助器(K)相接。
2、如权利要求1所述用于检测钢构弹性角的金属弦式脉冲输出型的角微位移传感器，其特征还在于用于检测金属弦(I)振动状态的共振器(Y)的一 端与检波器(X)相连接，共振器(Y)的另一端与驱动器(Z)的一端相连接； 用于提取共振器(Y)电信号的检波器(X)的一端与驱动器(Z)的另一端相 连接，同时检波器(X)的这一端作为输出与外电路连接；检波器(X)、共振 器(Y)和驱动器(Z)将机械共振量转换为共振频率电量。
专利摘要本实用新型涉及一种信号检测所用的钢构弹性角用金属弦式脉冲输出型角微位移传感器。本传感器安装在被检测金属钢构弹性角采样部的辅助器上，当被检测金属钢构弹性角受到角外力的作用，使得金属钢构弹性角发生弹性形变的角微位移，该形变的角微位移量通过辅助器、采样部、采样端及连接臂、参考端和连接臂传递给金属弦上。特征在于一根金属弦(I)的一端被固定在参考端点(A)上，并通过连接臂(C)与采样部(E)的一端相连；金属弦(I)的另一端被固定在可微移动的采样端点(B)上，并通过对应的连接臂(D)与采样部(E)的另一端相连，采样部(E)与辅助器(K)相接。该传感器结构简单、可靠性强、灵敏度高，使用寿命长。
文档编号G01B7/30GK201199163SQ20082010529
公开日2009年2月25日 申请日期2008年5月8日 优先权日2008年5月8日
发明者亮 赵, 赵志忠 申请人:无锡康华钢构安全监测科技有限公司