專利名稱:振動型測力器的制作方法
本發(fā)明涉及一種振動型測力器，該測力器是從一個施加力負(fù)荷而振動的振動元件的適當(dāng)頻率上獲得該力的大小。
眾所周知，任何固體都可以在某一振動頻率上振動，這與施加在該固體上的力有關(guān)。例如一個線性固體施以一拉申張力，可以在該張力垂直方向上，以正比例于該張力平方根的某一振動頻率振動。這一現(xiàn)象已廣泛用于諸如稱重天平，加速度檢測器等多種振動型測力器。用于這類測力器的振動元件通常是由石英片、石英棒、振動弦線或音叉構(gòu)成的。在任何情況下，測力器均設(shè)計成使振動元件在一個適當(dāng)?shù)募钫駝釉闆r下，使振動元件連續(xù)地、無衰減地、穩(wěn)定地振動。激勵裝置補(bǔ)給振動元件能量以補(bǔ)償振動能量的損失。在利用弦線或音叉做為振動元件的情況下，振動的激勵方式通常采用以下幾種;(1)粘在振動元件上的壓電元件，(2)一種與振動元件設(shè)置有磁偶合的電磁線圈;或(3)直接饋送激勵電流在振動元件上，同時將振動元件置于靜磁場中。然而，方式(1)有一個嚴(yán)重的缺點(diǎn)是粘合壓電元件的粘合材料可能影響振動，使振動不穩(wěn)定。而方式(2)把振動元件的材料限制為鐵磁性物質(zhì)。在利用方式(3)的情況下，對振動元件(由導(dǎo)電材料制成)饋送一個激勵振動的電流，這一電流與振動元件在磁場中發(fā)生振動而產(chǎn)生的電壓同步。這種方法只有一個限制，即振動元件必須是導(dǎo)電的。因此，沒有如前所述的方式(1)和(2)所包括的那些缺點(diǎn)。但是，這種方式也有一個如下面所描述的問題，即振動元件的電阻大或振動元件的機(jī)械Q值低。使用上述方式(3)的現(xiàn)有技術(shù)測力器的工作原理結(jié)合圖1描述如下;
在圖1中，一個由金屬制成的振動弦線以其上端固定在基體1和其下端加載一個重物4而振動，重物4施加給弦線3一個正比例于重物4重量的張力，如點(diǎn)劃線2所示區(qū)域是施加靜磁場的范圍。由運(yùn)算放大器5和電阻7、8構(gòu)成一個具有增益為(1+R8/R7)的正增益放大器10其中，R7和R8分別是電阻器7和8的阻值。連結(jié)于輸出點(diǎn)9和運(yùn)算放大器5的非反向輸入端之間的電阻器6是反饋電阻，通過電阻器6把激勵電流從輸出端9饋給振動元件。(反饋)電阻器6和放大器10構(gòu)成振動元件激勵電路11，使振動元件連續(xù)地、無衰減地、穩(wěn)定地振動。換句話說，電路11與振動弦線3一起構(gòu)成一個振蕩器。在這種情況下，以容易理解的簡單分析方式講，對振動元件的激勵電路11輸入的電壓等于弦線振動所產(chǎn)生的電動勢與激勵電流和振動弦線3電阻決定的電壓降之間的差。因此，如果振動弦線3的電阻小或者如果由于振動弦線3的高機(jī)械Q值，而所要求的激勵電流小，則維持整個電路(包括振動弦線3)的振蕩條件是沒問題的。然而，當(dāng)振動弦線3不得不用低電導(dǎo)材料制造并且振動弦線3的機(jī)械Q值很低時，使該電路穩(wěn)定地振蕩是困難的。雖然有一種使低Q值弦線維持連續(xù)振動的方法，例如，在日本特許公開52-69677中提供的方法，但是該方法需要一種復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，用該方法實(shí)現(xiàn)予期的良好性能似乎是困難的。
本發(fā)明的一個目的是提供一種即使振動元件具有高電阻值和低機(jī)械Q值時也能維持其穩(wěn)定振動的振動型測力器。
本發(fā)明的另一個目的是以簡單的電路結(jié)構(gòu)構(gòu)成上述測力器。
根據(jù)本發(fā)明，振動元件激勵電路具有由差分放大器形式構(gòu)成的放大器，并且包括一個分壓器以分配放大器的輸出電壓來獲得一個“失調(diào)電壓”。該失調(diào)電壓予先調(diào)整使其恰等于由于激勵電流在振動元件上的電壓降。該失調(diào)電壓輸入至差分放大器的反向輸入端，而振動元件上產(chǎn)生的電壓輸入至同一差分放大器的非反向輸入端。因此，從振動元件上產(chǎn)生的整個電壓中獲得的電壓降分量在放大器的輸入側(cè)被失調(diào)電壓所抵消。這樣，振動元件激勵電路就把與振動元件振動產(chǎn)生的電動勢成正比的激勵電流供給了振動元件。
從而，本發(fā)明提供一種振動型測力器，這種測力器使用的振動元件可以不考慮其電阻值和機(jī)械Q值，而能夠保持穩(wěn)定的振動。
結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的詳細(xì)描述可以較好地理解本發(fā)明，其中附圖包括圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的振動型測力器的基本電路結(jié)構(gòu);
圖2表示本發(fā)明基本實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu);
圖3表示對基本實(shí)施例改進(jìn)了的第二實(shí)施例;
圖4和5表示用于本發(fā)明的分壓器電路的可能的替換方案;
圖6、7和8說明振動元件是如何以較高的振動模式振動的;
參考表示本發(fā)明的基本實(shí)施例的電路組成的圖2，一個加載重物4的振動弦線在由點(diǎn)劃線2表示的磁場施加范圍中振動。在振動弦線3(由導(dǎo)電材料制成的)上產(chǎn)生的電壓輸入到一個集成運(yùn)算放大器5的非反向輸入端，放大器5與電阻器12、13、14和15共同構(gòu)成差分放大器10。放大器10(或集成運(yùn)算放大器5)的輸出通過反饋電阻6和電阻16做為激勵電流反饋到振動元件3，并且同時施加到串聯(lián)的電阻17和18上，電阻17和18構(gòu)成分壓器，在電阻18上得到失調(diào)電壓，該失調(diào)電壓輸入到差分放大器10的反向輸入端。振動弦線3產(chǎn)生的合成電壓是由弦線振動產(chǎn)生的電動勢和由于從差分放大器10反饋的激勵電流在振動元件3上所呈現(xiàn)的電壓降的代數(shù)和。因此，如果失調(diào)電壓調(diào)整得恰等于包含在振動元件3產(chǎn)生的電壓的電壓降分量數(shù)值，則差分放大器僅輸出一個與振動弦線3振動產(chǎn)生的電壓成正比的電壓。對于以電阻18輸出的失調(diào)電壓的調(diào)整可以在電阻16、17、18和6保持不變情況下適當(dāng)選擇電阻18與振動元件電阻的比值來進(jìn)行。(原則上失調(diào)電壓是由所有這些電阻確定的)。因此，始終有一個正比于弦線振動所產(chǎn)生的電壓的激勵電流加至振動弦線3，而不考慮振動元件3的電阻值和由振動弦線3的機(jī)械Q值決定的激勵電流的大小。
圖3表示本發(fā)明的第二個實(shí)施例，這一實(shí)施例提供一個AGC(自動增益控制)電路23，用來把振動弦線3的振動幅度控制在一個恒定的數(shù)值上。在這個實(shí)施例中，差分放大器10的輸出電壓不反饋到其輸入側(cè)，而是輸入到包括在AGC電路23中的一個差分放大器19的非反向輸入端。放大器19的輸出電壓被整流為直流電壓，然后輸入到另外的差分放大器20的反向輸入端，放大器20的非反向輸入端被施加了一個取自齊納二極管22的恒定直流電壓。放大器20的輸出電壓控制一個場效應(yīng)晶體管(FET)21的柵極，場效應(yīng)管的漏極直接連到差分放大器19的反向端，和經(jīng)過一個電阻連到同一差分放大器的輸出端。差分放大器19的輸出端的激勵電流經(jīng)過反饋電阻6施加到振動弦線3上，弦線3振動的幅度增加(或減少)導(dǎo)致差分放大器19的輸出電壓減少(或增加)，使振動的幅度回到原來的數(shù)值。
在上述的兩個實(shí)施例中，電阻18最好由一個可變電阻構(gòu)成，以便對于振動弦線3的機(jī)械Q值的可能的微小變化，也能夠精確調(diào)整失調(diào)電壓。
此外，用于得到失調(diào)電壓的由電阻17和18構(gòu)成的分壓器，自然可以由如圖4所示的電容代替，或如圖5所示的由電感代替。
圖6、7和8示意性地說明使振動弦線3以高于基本模式的振動模式振動的方法，在這些圖中，圈起來的區(qū)域2a、2b、2c和2d規(guī)定了施加磁場方向彼此相反的范圍，較高的模式振動降低了對外界系統(tǒng)的振動能量的耗散，從而提高了設(shè)備的性能。
權(quán)利要求
1.用測量在力負(fù)荷下振動元件的振動頻率的方法得到力的大小的一種振動型測力器，所說的振動型測力器的特征是該測力器包括一個在磁場中，在予以檢測的所施加的力負(fù)荷下振動的振動元件，所說的振動元件是由導(dǎo)電材料制成的；一個激勵裝置，用以把激勵電流提供給所說的振動元件，使所說的振動元件連續(xù)振動。一個失調(diào)電壓產(chǎn)生裝置，用以分配從所說的激勵裝置輸出的電壓而產(chǎn)生一個失調(diào)電壓，所說的失調(diào)電壓等于所說的激勵電流與所說的振動元件的電阻值的乘積；一個第一輸入裝置，用于輸入所說的振動元件產(chǎn)生的電壓；一個第二輸入裝置，用于把所說的失調(diào)電壓輸入到所說的激勵裝置；一個相減裝置，用于從所說的振動元件產(chǎn)生的電壓中減去所說的失調(diào)電壓，使所說的激勵電流僅正比于所說的振動元件振動所產(chǎn)生的電壓；
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的一個振動型測力器，其中所說的失調(diào)電壓產(chǎn)生裝置是用電阻分配從所說的激勵裝置輸出的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的一個振動型測力器，其中所說的失調(diào)電壓產(chǎn)生裝置是用電容來分配所說的激勵裝置輸出的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的一個振動型測力器，其中所說的失調(diào)電壓產(chǎn)生裝置是用電感來分配從所說的激勵裝置輸出的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1、2、3或4的一個振動型測力器，其中所說的激勵裝置和所說的相減裝置彼此組合而成為一個差分放大器。
專利摘要
在一個振動型測力器中，用于激勵振動元件的激勵器獲得了改善，使輸出的激勵電流僅取正比于振動元件振動所產(chǎn)生的電動勢，而不受激勵電流在振動元件上電壓降的影響，振動元件產(chǎn)生的電壓中的電壓降分量被分配激勵器的輸出電壓而預(yù)置的失調(diào)電壓所抵消。如果失調(diào)電壓被調(diào)整為等于振動元件上的電壓降，激勵器只能夠放大電動勢分量，從而，振動元件能夠有效地被激勵，而不考慮振動元件的電阻值和/或機(jī)械Q值。
文檔編號G01L1/10GK85104172SQ85104172
公開日1986年11月26日 申請日期1985年5月31日
發(fā)明者河本晟, 石田升平 申請人:株式會社島津制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan