专利名称：一种光电振弦式测力传感器装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及在振弦式传感器中采用半导体激光器和光电位敏器件测量力的装置。
背景技术：
《施工技术》杂志1997年12期第31页指出，振弦式测力传感器是一种常用的利用振弦的固有频率同振弦受力之间的对应关系进行力的测量的传感器。其结构一般为在弓形的变形体上安装一根作为谐振元件通常称为振弦的张紧的金属丝。在电磁激励下，振弦按其固有频率振动；通过改变振弦的张紧力T，可以得到不同的振动频率f，即张紧力与谐振频率之间呈函数关系。因此，可以通过电磁感应测量振弦的振动频率而得到传感器的受力情况，从而最终达到测力的目的。
为了使振弦测力传感器获得较高的精确度，必须对振弦的振动频率进行精确的测量。因为振弦的张紧力和振弦的振动频率之间呈函数关系，所以对振弦频率的测量对提高传感器的精度十分重要。现有测量频率的方法主要采用电磁法，通过振弦在磁场中切割磁力线，测量感应电流，来获得振弦的频率。这种方法由于有线圈等感性负载，容易受到外界电磁场的干扰，稳定性较差。至今未见利用光电位敏器件(PSD)原理测量力的装置的报道。
技术内容本实用新型提供一种精度较高且不受外界环境因素干扰的采用半导体激光器和光电位敏器件的光电振弦测量力的装置。
这种光电振弦测量力的装置，包括可以承受力的变形体(1)；两端拉紧固定在变形体(1)中部的金属弦(4)；金属弦一端接地，一端接在一个脉冲电流源(5)上；固定在金属弦两侧的磁场(3)；其特征在于在金属弦一侧设置有作为光源的激光器(2)以及相对固定在激光光路上于金属弦另一侧的用于接收金属弦阴影的光电位敏器件(6)；光电位敏器件(6)输出的光电流经包括I/V转换电路和频率计的信号处理电路(7)转换为光电压的频率；光电位敏器件和半导体激光器都封装在荷重传感器盒内。
测量时，将金属弦两端拉紧固定在变形体中部，在变形体上外加的力通过变形体使金属弦张力变化；在处于磁场中的金属弦中通过脉冲电流使弦产生自由振荡；将激光照射在金属弦上，调节激光器和光电位敏器件与金属弦距离，使光电位敏器件的光敏面上产生一个明显放大的金属弦的振动阴影，将光电位敏器件输出的光电流转换为光电压，测量光电压的频率，即可得出与振弦频率相关的张力即加载力信息。
本实用新型采用光电振弦测量荷重的方法，是根据光电位敏器件的原理光电位敏器件是一种侧向效应硅光电器件，通过平面扩散制造工艺，有一个完整的光敏面，在光敏面的两端有两个阳极接触点。当入射光斑照射在光敏面S位置处时，由入射光子产生的光生载流子被电场分开，在外电路形成光电流，流过其中的一个阳极的光电流可用下式表示I1＝I0(1-S/L)(1)另一个I2＝I0S/L (2)式中，I0为光生电流；L为两阳极间的距离；S为入射光斑距阳极的距离；式(1)、(2)表明，光电流是和光斑位置S呈线性关系；光斑位置亦即金属弦投射阴影位置变化即刻会引起光电流变化。
与现有技术相比较，本实用新型有以下优点和积极效果由于本实用新型中采用的是以往在振弦式传感器中没有使用过的光电位敏器件和半导体激光器等光电器件，不属于感性负载，且都封装在荷重传感器盒内，没有引入其它光源的干扰，故可避免电磁感应法易受测量现场的强电磁干扰带来的噪声，因而采用光电激光测量能获得比已有方法更稳定的振弦频率信号。
当荷重改变随之振弦张紧力也改变振弦的固有频率时，由于光电位敏器件和半导体激光器频率响应都很高，所以采用这种光电法测量，传感器能够及时地反映出这种频率的变化，同时扩大了测量范围。
通过改变半导体激光器和光电位敏器件对金属弦的位置，可以使投射到光电位敏器件光敏面阴影尺寸是弦径的近十倍，因而将振弦振幅也放大近十倍，提高了荷重检测能力。
图1为采用半导体激光器和光电位敏器件的光电振弦测量荷重的装置原理示意图。
图2为PSD信号处理电路原理图。
图3为自动功率控制的激光器驱动电路。
具体实施方式
实施例1本实施例的具体实施装置采用直径0.2mm、弦长30mm的京胡弦作为振弦(4)两端拉紧固定在可以承受力的圆形变形体(1)中部，金属弦一端接地，一端接在一个脉冲电流源(5)上，脉冲电流源采用电容放电的方法提供一个占空比可以达到百分之一的尖脉冲电流通过金属振弦；采用两块永磁体固定在金属弦两侧形成磁场(3)；把半导体激光器(2)和光电位敏器件(6)布置于金属振弦(4)的两侧，金属振弦(4)和光电位敏器件(6)均布置于激光光路上，这里采用时间响应为1μs以内的光电位敏器件(6)；由包括I/V转换电路和频率计的光电流经信号处理电路(7)将光电位敏器件(6)输出的转换为光电压的频率；光电位敏器件和半导体激光器都封装在荷重传感器盒内。
所述信号处理电路(7)如图2所示。这里I/V转换电路采用一个4558双运放F1，PSD的两个信号输出分别接到F1的两个正向输入，R1，C1并联、R2，C2并联分别作为负反馈一端接在F1的输出端和F1的负向输入。F1的两个输出端接在一个频率计上，来测量所得光电压的频率。将光电位敏器件输出的光电流转换为光电压，并测量光电压的频率，本实施例采用的半导体激光器配有一个自动功率控制的半导体激光器驱动电路，如图3所示。该驱动电路中，LD和PD的一端一起接在正5伏电压上；C5用来稳定电源电压，一端接正5伏，一端接地。R4和D1给K1提供稳定的工作电压，R4的一端接正5伏，一端接放大器K1发射极。D1的一端接地，一端接在K1的发射极。R3是用来提供K1的直流偏置，一端接地，一端接K1的基极。K1的基极接在PD的一端，集电极接在K2的基极上。K2用来提供LD的驱动电流。R5是限流保护电阻，一端接LD，一端接K1的基极。C4，C3是用来滤出高频干扰对LD的影响。C4的一端接地，一端接K2的基极。C3的一端接正5伏，一端接K2的集电极。K2的发射极接地。利用半导体激光器自带的PD来反馈LD的光强，通过K1控制LD的驱动电流从而实现光强的稳定。
测试时，激光垂直照射在振弦上，在光电位敏器件的光敏面上产生一个阴影。在处于永磁体磁场中的振弦中通入脉冲电流，振弦会依据所受张力大小出现不同频率的振动，由于采用占空比很低的脉冲电流，频率很低，为几个赫兹，所以产生的感应力只能使振弦发生自由振动，而不会产生受迫振动，这样测得的频率就是振弦的固有频率。同时该振动会使其阴影在光敏面里上下移动，光电位敏器件的光电流会随着振弦振动的频率变化产生同样频率的变化，光电流经过放大变换成相应的电压信号，通过测量电压信号的频率，就可以得出与振弦的频率相关的荷重大小。
本实用新型这种测量方法不会受到采用磁感应式传感器易受到的外界磁的干扰，能获得稳定的振弦频率信号，该振弦频率信号和所测量的力是线性关系的，所以可以获得稳定的力的信号。可以使传感器的测量精度大幅提高，而且扩大了测量范围，提高了荷重检测能力。
权利要求1.一种光电振弦测量力的装置，包括可以承受力的变形体(1)；两端拉紧固定在变形体(1)中部的金属弦(4)；金属弦一端接地，一端接在一个脉冲电流源(5)上；固定在金属弦两侧的磁场(3)；其特征在于在金属弦一侧设置有作为光源的激光器(2)以及相对固定在激光光路上于金属弦另一侧的用于接收金属弦阴影的光电位敏器件(6)；光电位敏器件(6)输出的光电流经包括I/V转换电路和频率计的信号处理电路(7)转换为光电压的频率；光电位敏器件和半导体激光器都封装在荷重传感器盒内。
专利摘要本实用新型光电振弦式测力传感器装置，包括拉紧固定在变形体上的金属弦，其一端接地，一端接在脉冲电流源上；金属弦两侧设有磁�。惶卣魇窃诮鹗粝伊讲喾直鹕栌屑す馄骱凸獾缥幻羝骷煌饧拥牧νü湫翁迨菇鹗粝艺帕Ρ浠辉诖τ诖懦≈械慕鹗粝抑型ü龀宓缌魇瓜也杂烧竦矗患す庹丈湓诮鹗粝疑希构獾缥幻羝骷墓饷裘嫔喜鹗粝业恼穸跤埃涑龅墓獾缌骶↖/V转换电路和频率计的信号处理电路转换为光电压的频率；测量光电压的频率，即可得出与振弦频率相关的张力即加载力信息。本实用新型可避免电磁感应法易受测量现场的强电磁干扰带来的噪声，获得更稳定的振弦频率信号，扩大了测量范围，提高了荷重检测能力。
文档编号G01L1/10GK2591601SQ0229289
公开日2003年12月10日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者李胜利, 凌晨, 竺长安, 徐敏, 郑春阳 申请人:中国科学技术大学
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