石英晶体称重原理 - 图文(2)

将X切割的石英晶体片加工成称重传感器壳体所需要的外形和尺寸，按要求连同电极板一起装入壳体内，施加足够的预紧力后，采用圆膜片与壳体焊接密封。当称重传感器受外载荷作用时，石英晶体圆片产生电荷，由电极板收集传至信号输出插座，再由低噪声的同轴电缆传输到电荷放大器（带有电容反馈的运算放大器），经灵敏度归一化后，按比例的转换成电压输出。或放大器为重量信号的模拟—数字转换提供必要的驱动，并将此信号传输到计算机，然后用专用的软件将其转换为重量。为了减小电荷的泄漏，放大器的输入端要有很高的绝缘电阻，通常要求大于10TΩ。电荷放大器的量程（与转换系数有关）由反馈电容确定，通常称为量程电容。通过测得的电压值，就可得到所测载荷的大小。 利用石英晶体制造称重传感器时，石英晶体片有并联和串联连接两种方法。 并联连接：两个压电石英晶体片按极化方向相反粘结，负电荷集中在中间的负电极板上，正电荷在两端的正电极板上。这时相当于两个电容器并联，输出电极板上的电荷和电容量将增加一倍，如图4所示。 图4 两个石英晶体片并联示意图 如果有n个石英晶体片按并联方式连接，此时的总输出电荷将增加n倍，电荷灵敏度也增加n倍，而电压灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。n个石英晶体片并联所产生的电荷为： Qx=ndllFx 串联连接：两个石英晶体片按极化方向相同粘结，于是在两个石英晶体片粘结处的中间电极板上正负电荷相互抵消，这时总电容量为单个石（C） 英晶体片工作时的一半，电压都增大一倍，而总电荷量则不变，如图5所示。 若n个石英晶体片串联连接，由于输出电压增加n倍，因此电压灵敏度也增加n倍，而电荷灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同。 由此可得出，多个石英晶体片并联连接时，输出电荷量大，电荷灵敏度高；串联连接时，输出电压大，电压灵敏度高。 四、压电石英称重传感器的结构与特点 单分量压电石英称重传感器的结构象一个承载垫圈，由带底座的外壳，两个X切割的石英晶体圆片，夹在两个圆片之间的电极板，带有密封膜片的上压头和信号输出插座组成，如图6所示。 图5 两个石英晶体片串联示意图 1．石英晶体片 2. 电极板 3. 上压板 4. 外壳 5. 信号输出插座 图6 压电石英称重传感器结构图 石英晶体的排列为以其晶轴X指向电极板的并联连接，使其在外载荷作用下产生的电荷和灵敏度都增加一倍。在装配时，必须对石英晶体圆片施加足够的预紧力，就是在较高的预紧力下使上压板与外壳成为一个坚实的整体，上压板的膜片与外壳采用电子束焊或激光焊对石英晶体圆片进行密封和保持预紧力。密封膜片必须具有柔软的线性弹簧特性。对石英晶体圆片施加预紧力进行装配时应作到：预紧力必须垂直于称重传感器表面；在石英晶体圆片上产生的应力应尽量均匀分布；预紧元件的刚度应远远小于称重传感器的刚度以保持较高的灵敏度。 我想知道IP:保密 编辑 删除 引用 第3楼 等级:中级技工 权限:普通用户 积分:1068 金钱:882 声望:5 经验:545 发帖数:545 注册时间:2007-6-1 将石英晶体敏感元件与电阻应变计进行比较，不难得出，电阻应变计实际上是测量称重传感器弹性体上的应变，而不是测量外力。在具体设计时必须使额定载荷下弹性体上产生的应变大小适当，即1100με左右。实际上电阻应变计在弹性体上测量的是一个或几个位置上的表面应变值。表面应变是否代表弹性体每一种受载状态下的平均应变，取决于设计技术水平。应变式称重传感器的固有缺点在动态称重中受到较多限制：测量范围小，对于10的几次方的测量范围必须用多个不同量程的称重传感器进行测量；量程与鉴别阈之比通常被限制在50000以下；弹性体结构较复杂；刚度偏小，固有频率低；使用温度范围小，一般为-10℃～60℃。相对压电石英称重传感器唯一的优点是可以进行绝对测量和静态称重，特别是非常适用于精确称重。 与电阻应变计不同，石英晶体敏感元件测量的是应力，是它产生的电荷对于应力的平均值，也就是说石英晶体具有把敏感元件（石英圆片）整个表面上的载荷进行积分的能力。 压电石英称重传感器与应变式称重传感器的最大区别是石英晶体没有热电效应，即使是温度瞬变也不会引起信号漂移，而且灵敏度温度系数非常小，约为-0.02%℃，因此不必采取特殊手段补偿路面温度的影响。而应变式称重传感器则必须进行零点和灵敏度温度补偿。垫圈式压电石英称重传感器一般有额定量程为100、200、500kg，l、2、5、10、20、50、100t十种规格。灵敏度均为40pc/kg，固有频率≥40KHz，线性度≤1%FS，绝缘电阻≥10TΩ，50t的压电石英称重传感器的重量只有l00g。压电石英称重传感器具有如下特点： ①量程范围广，测量范围达10的几次方，一个称重传感器即可完成全量程测量，频率响应范围能在低至接近零周，高达十千周范围内工作； ②量程与鉴别阈之比可达100000000，一般比值超过1000000。灵敏度高，测量值可到上百吨载荷，又能分辨出小至几公斤的动态力； ③刚度大，固有频率高（几十千赫以上），是同尺寸应变式称重传感器的8倍，动态响应快； ④时间老化率低，无热释电现象，工作可靠性高，寿命长； ⑤石英晶体的居里点高（573℃），对温度的敏感性低，灵敏度变化极小，长期稳定性好； ⑥石英晶体具有较好的线性，在一般情况下无滞后，组装成称重传感器其动态测量的综合误差优于1%； ⑦结构紧凑，体积小，高度低，重量轻，可用多个石英晶体片组装大型称重传感器； ⑧用多分量称重传感器进行称重计量时，抗交叉干扰能力强，交叉干扰达到800Hz时，测量误差仍然低于10%，交叉干扰到400Hz时，测量误差小至2%以内； ⑨使用温度范围广，通常为-200℃～200℃； ⑩在使用时不用事先调整平衡，操作方便。 唯一的缺点是不能在长时间内进行静态测量。 五、压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用 石英晶体敏感元件及压电石英称重传感器在动态公路车辆称重中的应用主要有两种方式。一种是利用多个垫圈式压电石英称重传感器组装成薄形电子轮重、轴重秤或条形称重板。一种是利用多个石英晶体片和电极板直接安装在特制的梁式承载器内，形成专用的压电石英称重传感器，将其埋在公路表面截面为50×50mm的长槽内，形成动态公路车辆轴重秤。瑞士Kistler（奇石乐）公司研制的石英晶体动态称重传感器就是这种应用的典型代表。它的总体结构如同1m长的工字梁，所不同的是工字梁的腹板为圆形空心截面，实际上其空心是由平行于工字梁上下翼缘的两个平面形成的矩形通孔，它的结构如图7所示。 图7 梁式压电石英称重传感器