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双膜片石英谐振式力传感器设计及其性能研究

(1.清华大学微电子学研宄所;2清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)同性体,利用有限元法对其进行失稳时临界力的计算和分析,得出了传器结构稳定性与谐振器厚度及支撑条件的关系。在此基础上,对传器结构进行了改进,并对单、双膜片结构传器的各种性能进行了,主要由壳体膜片和石英谐振器三部分组成,通过一种特殊的胶粘剂经严格工艺粘接而成传感器的频率为3.58MHz,灵敏度为33Hz/N,测量范围为屮50N在传感器前期研制阶段发现重复性指标不高,横向抗弯能力较差,特别是当受一定偏载时,传感器的疲劳寿命较短。为此,文曾做过谐振器与传感器的强度计算与,厚度tx=0.464mm),由于面内受压,所以有一个稳定性的问题当压力P(线均布载荷,合力为F)小于临界载荷Pcr时,平板处于面内压缩变形的稳定平衡状态;当载荷增加到临界载荷时,平板将突然发生侧向屈曲基金项目:国家“九五”重点科技攻关项目(96-748~01-04)失稳而谐振器失稳时的临界力与传感器的量程有直接关系本文采用有限元法对传感器结构稳定性与谐振器厚度和支撑情况的关系进行了研究在此基础上,研制出一种双膜片结构石英传感器,并对单、双膜片结构传感器的各种性能进行了(由1膜片单独支撑),当传感器受横向力Fy作用时,膜片会发生如图中虚线所示的变形,中心轴线将倾斜一个角度T谐振器将受到一个弯矩,当横向力产生的弯矩与谐振器盘面相垂直时,传感器的性能将变差,疲劳寿命将严重下降。
  表1是这48只传感器由单膜片结构改制成双膜片结构后精度的变化情况表1改制的双膜片传感器指标变化指标指标变化的传感器数量只变好未变变坏线性度17292滞后21207重复性21234由传感器蠕变特性研究分析可知,选择弹性以上理论研究的结果表明,传感器的结构稳定性与谐振器的厚度及支撑状态有直接关系。增加谐振器厚度,改善谐振器支撑状况均可提高传感器的结构稳定性但是,增加谐振器厚度,传感器的频率和灵敏度将下降;考虑到单膜片结构传感器抗横向力(尤其是横向冲击力)能力较差,本文提出在单膜片结构传感器的基础上增加一个上固定板(如中潘膜片),使谐振器的上支撑成为双膜片结构形式这相当于将谐振器的上支撑由简支更接近固支,谐振器上端横向位置的约束更趋完善,从而提高了传感器抗横向力的能力,增强了稳定性2.2双膜片结构传感器的性能研究传感器结构由单膜片支撑改成双膜片支撑,其各方面的性能都有所改善,如传感器的输入输出特性、蠕变特性及可靠性等等。
  1)双膜片结构传感器输入一输出特性双膜片结构传感器,由于其谐振器支撑状况有所改善,传感器更加稳定,其重复性指标有所提高;另外,由于双膜片结构使得膜片的刚度增大,膜片的变形相应减小,根据小挠度变形理论,传感器的线性度也应有所改善。为此对单双膜片结构的载荷变形特性进行了测试,两种膜片厚度均为0.直径为14mm,材料为铍青铜,双膜片间距为4mm测试结果表明,单膜片的载荷-变形特性具有明显的非线性;而双膜片的载荷变形特性的非线性要小一些,尤其在小变形时。可见,双膜片结构传感器在测力范围内的线性度要比单膜片结构传感器好。
  为了比较单双膜片结构传感器的性能,将一批(48只)单膜片结构传感器改制成双膜片(两膜片间距为1. 2mm)结构,对改制前后的输入输出特性进行了测试,及分别是48只单膜片结构传感器改制成双膜片结构前后,同一量程(60N)的测量误差(非线性误差X滞后误差X和重复性误差X)与传感器数量C的关系。
  由图中可以看到,传感器由单膜片结构改制成双膜片结构后,其非线性误差、滞后误差和重复性误由此可见,传感器改成双膜片结构后,近一半传感器的重复性和滞后指标有所改善,近一半未变,少数变差(分别占8%和15%);1/3传感器的线性度指标有所改善,1/2以上未变,变差的仅占4%模量高的材料做膜片,可以减小传感器的蠕变量。当传感器的膜片改成双膜片时,刚度的提高达到了同样的目的为此,将25只单膜片传感器改制成双膜片结构,在改制前后,均进行了其蠕变量的测试表2所示为传感器改成双膜片结构后,其蠕变量减小未变及加的传感器数量表2改制的双膜片传感器蠕变变化传感器精度传感器蠕变量变化的传感器量总数减小未变增加一级品二级品次品由表中可以看到,对于精度较高(如一、二级品)的传感器,改制成双膜片结构后,70%的蠕变量减小或者未变;而对于精度低的传感器(单膜片结构时本身的蠕变也较大),其蠕变误差大都变大单双膜片传感器疲劳寿命比较单膜片结构传感器的抗偏载及横向冲击能力明显不足,当传感器反复受横向载荷作用时,寿命严重下降,表现为传感器的灵敏度有较大变化,性能指标下降而双膜片结构传感器,谐振器的支撑状况更趋完善,在测力过程中,传感器的稳定度大大提高,尤其是传感器疲劳寿命得以提高为此分别抽出13只单膜片传感器和改制的双膜片传感器,在特制的实验台架上相同条件下进行了传感器的疲劳实验首先经过4次9.8N/h横向脉动载荷疲劳;又经过4次39. 2N/h横向脉动载荷疲劳,脉动频率为27次min-、共计1.2万余次同样疲劳实验后,双膜片结构传感器没有损坏,而单膜片传感器先后有5只损坏(分别于今8千次时损坏),损坏率达38.5%可见双膜片结构传感器的抗弯能力较强,疲劳寿命长,传感器在使用过程中也得到了验证。
  3结语从理论和实验两方面研究了石英谐振式力传感器的结构稳定性与谐振器厚度及支撑条件的相关性在此基础上,研制出一种高稳定度、高精度及高可靠性的双膜片结构石英谐振式力传感器并对单、双膜片结构传感器的各种性能进行了对比实验,得出如下结论:传感器由单膜片结构改制成双膜片结构后,其非线性误差、滞后误差和重复性误差普遍降低,滞后和重复性指标的提高尤为显著,表明双膜片传感器的精度较单膜片传感器为高,且更加稳定;其次,双膜片传感器蠕变误差也相对减小;另外,双膜片结构传感器的抗偏载及横向冲击能力大大强,可靠性明显提高。