金属膜式脉冲输出型钢体弹性微变量传感器及其测量方法 技术领域
本发明涉及一种传感器及其测量方法，特别是涉及一种金属膜式脉冲输出型钢体弹性微变量传感器及其测量方法。
背景技术
原传统的力敏应变片式传感器的电气符号为“LR”，又可以严格地定义为“半导体力敏应变片式钢体弹性微变量传感器”，这种传感器属于半导体器件类，是一种专门用来测量物体产生应变的器件。由于物体受到外力的作用，产生相应的形变，力敏应变片式传感器就可以间接地测量出外力的大小。
力敏应变片式传感器的测量原理为：力敏应变片型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，在无外力的作用下应变片型传感器的输出阻抗为一固定的电阻值。在使用时这个半导体电阻应变片传感器用一定电路形式连接后，被牢固紧密的粘贴在被检测金属物体的表面。当这个金属体受到力的作用时，其金属体表面就会发生相应的几何机械形变，被牢固紧密粘贴的半导体电阻应变片传感器也随之发生几何形变，或拉长变细，或缩短变粗。由于半导体电阻应变片传感器在钢体弹性微变形的作用下发生形变，使得半导体力敏应变片传感器内部的半导体晶格也发生错位变形，因而使得半导体力敏应变片传感器的输出电阻随着金属弹性微变量的变化而变化，通过不同电路地连接形式，使得半导体力敏应变片传感器输出电压的变量也随着金属弹性微变量的变化而变化，从而达到将金属弹性微变量的变化转换为电性参数变化的目的。
力敏应变片型传感器从它诞生到现在的发展，已有近半个多世纪的历史了，在理想的客观条件下，应变片型传感器呈现出良好地输出的外特性、体积小巧、结构简单、价格低廉，因而应变片型传感器在很多的领域中被应用。由于应变片型传感器的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的检测要求下，又是它们的致命弱点。其弱点如下：
(1)半导体力敏应变片传感器为半导体的硅材料所制，对其温度有较高的灵敏度，因此不适合在温度环境变化跨度较大的场合使用。
(2)半导体电阻应变片传感器为半导体的硅材料和其它材料合成所制，其机械弹性的寿命有限。
(3)由于使用半导体电阻应变片传感器需要用粘接剂将半导体电阻应变片牢固紧密的粘贴在被检测金属物体的表面，因此在无损伤检测时不宜使用。
(4)使用半导体电阻应变片传感器时，需要用粘接剂将半导体电阻应变片牢固紧密的粘贴在被检测取样金属物体的表面上，在一定程度上影响了检测精度和范围。
(5)粘接工艺复杂，难度高，不易操作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述的半导体电阻应变片作为钢体弹性微变量传感器的弱点，提供了一种检测范围大、动态响应快和稳定性好的金属共振膜式数字脉冲串输出型的钢体机械微变量传感器的设计。
发明目的是这样实现的：
一种金属膜式脉冲输出型的钢体弹性微变量传感器，其特征在于：所述的传感器包括：一个金属振动膜I，位于金属振动膜I一端的固定端点A，位于金属振动膜I另一端的受力位置可移动端点B，与金属振动膜I连接的基准静态调谐器E，一端与共振选频器Y相连接，另一端与金属膜I连接的谐波驱动器Z，共振选频器Y另一端与检测电路X相连接，检测电路X一端与谐波驱动器Z相连接，另一端与输出负栽相接。
一种金属膜式脉冲输出型的钢体弹性微变量传感器的测量方法，其特征在于：将传感器通过金属膜固定端点A，可移动端点B及连接臂C和D与被测金属钢体连接，基准频率调谐器E与位于金属膜固定端点A和可移动端点B之间的金属膜I连接，用于测量金属膜基础静态共振频率；谐波驱动器Z一端与共振选频器Y相连接，一端与金属膜I连接，在谐波驱动器Z的激励脉冲驱动下，金属膜I获得振动所需的能量，使金属膜I的固有频率与电磁谐波分量中的响应点共振，谐振跟随器对激励脉冲中的谐波分量进行共振性的选择，共振选频器Y另一端与检测电路X相连接，共振选频器Y将金属膜I固有频率的振动波转换为同频同相的正弦波电信号，输入检测电路X处理放大，检测电路X一端与谐波驱动器Z相连接，另一端与输出负栽相接，检测电路X输出的信号一路输入谐波驱动器Z，作为金属膜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。
本发明的优点在于：(1)灵敏度高：可以检测钢体从几微米到几百微米的金属弹性发生微变量；(2)响应速度快：由于本传感器可动部分的质量较小，频率响应速度快；(3)输出形式：传感器输出为数字串行量的电信号；(4)自身发热影响小；(5)工作稳定性好：选择低温度系数的材料，进行良好的淬火工艺处理；(6)结构简单，便于安装调试和修理；(7)适应性好：由于这种传感器没有特殊的有机材料和磁性材料，可以在有各种辐射的恶劣环境中工作；(8)抗干扰能力强，有良好的电磁兼容性。
附图说明
附图1是金属膜式钢体弹性微变量传感器的基本原理示意图；
附图2是金属膜式脉冲输出型钢体弹性微变量传感器的原理结构框图。
具体实施方式
实施例：
金属膜式脉冲输出型的钢体弹性微变量传感器的基本设计思想如图1所示，其中：A是金属膜参考位置的固定端点，B是金属膜受力位置的端点，I是连接A和B的金属膜。设金属膜I有三种工作状态。
状态(1)：金属膜I在基准张力为F2的状态时，也就是金属膜I在外力为零时的平衡位置时，设金属膜I的固有频率f2等于静态工作点的基准频率f2。此时金属膜I没有受到外力的作用时，所对应的机械振动波的频率是f2，又可以称为零点基准频率。
状态(2)：金属膜I在合成张力为F1的状态时，也就是金属膜I在负外拉力-ΔF的作用下，使金属膜的合成张力减少，既：基准张力F2-ΔF＝合成张力F1，这时的金属膜I缩短-d。此时的金属振动膜I受到负外拉力-ΔF后，所对应金属膜I的机械振动波的频率是f1，此时金属膜I的机械振动频率f1小于零点基准频率f2。
状态(3)：金属膜I在合成张力为F3的状态时，也就是金属膜I在正外拉力+ΔF的作用下，使金属膜的合成张力增加，既：基准力F2+ΔF＝合成张力F3，这时的金属膜I增长+d。此时的金属振动膜I受到正外拉力+ΔF作用后，所对应金属膜I的机械振动波的频率是f3，此时金属膜I的机械振动频率f3大于零点基准频率f2。
金属膜式脉冲输出型钢体弹性微变量传感器的原理结构框图如图2所示。其中A代表金属膜参考位置的固定端点；B代表金属膜受力位置的端点；C代表传感器与被检测金属钢体连接臂；D代表传感器与被检测金属钢体连接臂；E代表基准调谐器；G代表传感器的外壳；I代表金属膜装置；H代表待检测金属钢体。
金属膜式脉冲输出型钢体弹性微变量传感器是把刚体弹性微变量转换为电参数变量的一种传感器，它是由机械谐振跟随器、共振选频器、谐波驱动器和检测整形电路等部分所组成。当本传感器安装在被检测金属钢体的采样部位时，被检测金属钢体受到外力的作用，使钢体产生微量的弹性变形，通过本传感器与被检测金属钢体的连接臂传递到本传感器的机械谐振跟随器上。这是作用力通过金属变形信息传递的过程。由于机械谐振跟随器金属膜的截面积与被检测金属钢体的截面积相比很小，在单位压强方面对于作用力的分散可以忽略不计。
金属膜式脉冲输出型钢体弹性微变量传感器通常处于静态的工作状态，也就是在基准位置上，对传感器的金属膜施加一个基础的静态张力，并设定此张力为本传感器内部的基础静态力，由这个基础静态张力所产生的金属膜固有频率为基础静态共振频率。如图2所示，所述的传感器金属膜的机械部分结构包括：金属膜参考位置是固定端点A，金属膜受力位置是可移动端点B，金属振动膜I连接固定端点A和移动端点B，基准静态调谐器E与金属膜I和机械支架G连接，机械支架外壳G支撑着整个金属膜装置和电信息变换装置，基准静态调谐器E用于调节金属膜I的基准静态振动频率。所述的传感器信息传递及转换的电子部分结构包括：电子共振选频器Y、谐波驱动电路Z和检测整形电路X和输出端口W等部分所组成。电子共振选频器Y的输出端是检测整形电路X输入端，检测整形电路X输出端是谐波驱动电路Z和输出端端口W的输入端。
谐波驱动器Z与共振选频器Y相连接，传感器在谐波驱动器Z的激励脉冲驱动下，使金属膜I获得振动所需的能量，这个驱动激励脉冲中含用丰富的高次谐波电磁分量，使金属膜I的固有频率与电磁谐波分量中的响应点共振，谐振跟随器对激励脉冲中的谐波分量进行共振性的选择。共振选频器Y与检测电路X相连接，共振选频器Y将金属膜I固有频率的振动波转换为同频同相的正弦波电信号，输入检测电路X处理放大。检测电路X与谐波驱动器Z相连接，另一端与输出负栽相接。检测电路X输出的信号一路输入谐波驱动器Z，作为金属膜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。本传感器谐振跟随器的共振点是随着机械刚体的微量变化而变化的，又可以称为跟随型谐振传感器，E是传感器的基准频率调谐器与金属膜I部分连接。
本发明提供的金属膜式脉冲输出型钢体弹性微变量传感器的设计思想，包括：所述的机械谐振跟随器、电子共振选频器、谐波驱动电路和检测整形电路等部分所组成。
其特征是：A是金属膜参考位置的固定端点，B是金属膜受力位置的端点(又可以称为移动端点)，I是连接固定端点A和移动端点B的金属膜，E部分是传感器的基准频率调谐器。金属膜可分三种工作状态，即状态(1)；状态(2)；状态(3)。
状态(1)时：金属膜I在外力为零时，合成张力为F2的状态，金属膜I的固有频率等于本传感器静态工作点的基准频率。由于金属膜I没有受到外力的作用，所对应的机械振动波的频率是传感器的零点基准频率。
状态(2)时：金属膜I在合成张力为F1的状态时，也就是金属膜I在负外拉力的作用下，金属膜I缩短，从而使金属膜I的合成张力减少。此时的金属膜I受到负外拉力后，所对应金属膜I的机械振动波的频率小于传感器的零点基准频率。
状态(3)时：金属膜I在合成张力为F3的状态时，也就是金属膜I在正外拉力的作用下，金属膜I增长，从而使金属膜I的合成张力增加。此时的金属膜I受到正外拉力作用后，所对应金属膜I的机械振动波的频率是大于传感器的零点基准频率。
当本传感器安装在被检测金属钢体的采样部位时，被检测金属钢体受到外力的作用，使钢体产生微小的变形，通过本传感器与被检测金属钢体的连接臂传递到本传感器的机械谐振跟随器上，从而使得金属膜所受的合力发生变化。由于金属膜所受的合力发生了变化，使得金属膜的固有机械共振频率也发生相应的变化。也就是在基准的位置上，金属膜式钢体弹性微变量传感器通常处于静态的工作状态。在调试中，我们通过基准调节器对本传感器的金属膜施加一个静态张力，并设定此张力为本传感器内部的基准静态张力，由这个基础静态张力所引起产生的金属膜固有机械振动频率为金属膜式钢体弹性微变量传感器的基准静态机械共振波频率。
谐波驱动电路与电子共振选频器相连接，各个部分采用一个公共接地。本传感器在谐波驱动电路的激励脉冲驱动下，使金属膜发生振动。此时电磁谐波中的驱动分量与金属膜的固有振动频率共振，谐振跟随电路对激励脉冲中的谐波分量进行谐振性的选择，而后金属膜稳定为共振性的正弦波振动。共振选频电路与检测电路相连接，共振选频器将金属膜固有的振动波转换为同频同相的正弦波电信号，输入检测电路进行处理放大。检测电路与谐波驱动电路相连接，而另一端与输出负载相接。检测电路输出的信号一路输入谐波驱动电路，作为金属膜振动的驱动能量。另一路作为本传感器电变量信号响应的输出端。本传感器谐振跟随器的共振点是随着机械刚体的微量变化而变化的。