专利名称：一种双c型压电式动态轴重传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于仪器仪表与传感器等多学科交叉领域，特别是一种双C型压电式动态轴重传感器。
背景技术：
目前针对高速公路运行车辆称重系统，基本都是基于压阻效应的应变式传感器， 其中以弯板式传感器的应用范围最广，使用效果也比较好，但是其适用的速度范围较低 (0-30km/h)，而且建造和维修费用相对高昂，所以此类系统主要用于高速公路收费站进出口的车辆载重检测。针对其适用速度范围低的特点，瑞士的Kistler公司推出了一种基于压电效应的动态称重系统，由于压电传感器本身的高频响应特性，所以此称重系统的适用速度范围较广，可以达到(0 120km/h)速度范围，而且初期安装维修相对简单，费用也较弯板式低，目前已经在北美和欧洲得到了大量的应用并取得了良好的使用效果。但是此种传感器由于本身的结构特点，其设计和制作难度较大，国内目前鲜有此类产品的供应商，国外目前的价格比较昂贵，所以国内应用推广相对较慢。为了解决此类传感器制作难度大、价格高昂等问题，同时推进我国车辆动态称重技术的发展，本发明提出一种双C型压电式动态轴重传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双C型压电式动态轴重传感器，其动态响应频率高、适用速度范围大、精度高、使用寿命长，且结构简单，可以大幅降低设计和制作难度，减小产品成本。本发明双C型压电式动态轴重传感器，包括具有空腔的承载梁、植入承载梁的空腔内的阵列化石英晶组，以及设置在承载梁外周的封装结构，其中，所述承载梁为工字型结构，包括相互平行的上板和下板，以及连接上板和下板的中间连接板，所述空腔开设在中间连接板上，所述中间连接板在横向的尺寸小于上板和下板在横向的尺寸，所述空腔贯穿所述承载梁的正面和背面，而在侧面为封闭结构，所述承载梁的正面和背面的截面为工形结构；所述阵列化石英晶组由两排阵列化石英晶组构成，且沿承载梁的横向间隔布置，单个石英晶组由压电石英晶体、电极和氧化锆陶瓷片构成，所述压电石英晶体和电极以间隔的方式设置在上下两片氧化锆陶瓷片之间，且两片氧化锆陶瓷片分别与电极接触，所述压电石英晶体、电极和氧化锆陶瓷片的结合面上涂覆有导电胶。作为本发明的优选实施例，所述中间连接板的一对侧面为向外突出的C形结构；作为本发明的优选实施例，所述相邻单个石英晶组的间距为30 50mm ；作为本发明的优选实施例，所述单个石英晶组的电极选用银铜合金电极。作为本发明的优选实施例，所述压电石英晶体选用高品质人造石英晶体，其品质因数为IO5 IO6 ；作为本发明的优选实施例，所述电极两侧的两片石英晶体的负极与负极相连接。
本发明双C型压电式动态轴重传感器至少具有以下优点本发明双C型压电式动态轴重传感器整体结构紧凑、坚固耐用，可以承受路面常见的磨损、冲击，具有很高的疲劳寿命，其量程可以做到15T 30T，总体精度可以达到3% FS 5% FS，体积小，截面尺寸仅 70mmX 50mm，长度可以到达700mm 1000mm，而且安装、调试方便。
图1为本发明双C型压电式动态轴重传感器的结构示意图；图2为本发明双C型压电式动态轴重传感器的承载梁结构示意图；图3为本发明阵列化石英晶组的布置示意图；图4为本发明单个石英晶组的结构图；图5为本发明单个石英晶组的连接示意图；图6为本发明银铜合金电极的结构示意图；图7为本发明阵列化石英晶组的安装示意图；图8为本发明双C型压电式动态轴重传感器的工作示意；图9为本发明双C型压电式动态轴重传感器在单个车辆作用下的截面图；图10为本发明双C型压电式动态轴重传感器典型信号输出图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明双C型压电式动态轴重传感器做详细描述参见附图1至图3所示，本发明双C型压电式动态轴重传感器包括具有类似双C 型空腔结构的承载梁1、植入承载梁1的空腔结构内的阵列化石英晶组2，以及密封结构。请特别参阅图2所示，所述承载梁1整体呈工字型结构，包括相互平行的上板和下板，以及连接上板和下板的中间连接板，其中，承载梁1较长的边的延伸方向为X方向(亦即横向)，较短的边的延伸方向为Y方向(亦即纵向)，截面较大的面且截面形状为工字型的面为正面或背面13，与正面或背面13垂直且相邻的面为侧面15。所述承载梁1内部开设有空腔11，该空腔11开设在中间连接板上，所述中间连接板在X方向的尺寸小于上板和下板在X方向的尺寸，所述空腔11贯穿所述承载梁1的正面和背面，而在侧面为封闭结构。 所述中间连接板的一对侧面为向外突出的C形结构。所述承载梁1的材料为高强度铝合金，其机械性能与混凝土浙青等路面具有较好的一致性，可以提高传感器的使用寿命。为了解决双C型压电式动态轴重传感器中阵列化石英晶组的预载问题，本发明承载梁1为整体式结构，利用其空腔的结构尺寸和阵列化石英晶组的高度尺寸过盈关系，利用空腔的弹性形变对阵列化石英晶组进行预载。考虑到预紧力对于传感器灵敏度的影响，结合有限元模拟分析，通过对于结构尺寸的优化，实现对预载力的有效控制，以保证沿传感器整个长度方向预载力的一致性，从而保证使传感器横向具有较一致的灵敏度。本发明对承载梁的要求为1.要求腔体部分的纵向具有较低的刚度，具体为小于敏感元件刚度的5%，以减少承载梁1结构本身对于作用力P的分载，提高本发明传感器的灵敏度；2.对于横向，要求承载梁1具有较高的抗弯刚度，在保证体积和结构的情况下，按照最大值设计，以保证施加在阵列化石英晶组2上的预紧力比较均勻，使得轴载作用于每个石英晶组的作用力较一致，保证传感器的灵敏度输出不受轴载作用位置的影响，使传感器沿横向具有较一致的灵敏度，从而保证传感器的横向有较高输出一致性。所述阵列化石英晶组2由两排阵列化石英晶组构成，沿承载梁1的横向每隔30 50mm间距进行布置，如此，可以提高传感器的抗侧倾能力和满足大量程的设计目标。请参见图4所示，所述单个石英晶组由两片压电石英晶体5、三个银铜合金电极6 和两片氧化锆陶瓷片7构成。其中，所述压电石英晶体5和银铜合金电极6以间隔的方式设置在两片氧化锆陶瓷片7之间，且两片氧化锆陶瓷片7分别与银铜合金电极6接触。换句话说，就是最中间为一个银铜合金电极6，在一个银铜合金电极6的两侧分别布置压电石英晶体5，在两个压电石英晶体5的两侧分别布置剩余的两个银铜合金电极6，最后，将两片氧化锆陶瓷片7布置在剩余的两个银铜合金电极6两侧，这样，单个石英晶组的结构组成为 氧化锆陶瓷片7/银铜合金电极6/压电石英晶体5/银铜合金电极6/压电石英晶体5/银铜合金电极6/氧化锆陶瓷片7。压电石英晶体5采用高纯度人造石英晶体，其品质因数高达IO5 106，机械性能良好、无热释电效应、工作频带宽、动态测量误差(幅值与相位误差)小，是用于准静态和动态力测试的理想敏感元件。对于单向载荷的测量一般选用XY切型石英晶体，此种切型的石英晶体可以保证传感器的构造比较简单，本发明压电石英晶体5采用的是圆片型设计。请参阅图5所示，所述压电石英晶体5固化连接在银铜合金电极上，电气上采用并联连接，即将两片石英晶体的负极与负极相连接，使传感器的电荷灵敏度提升一倍。单个石英晶组在机械结构上采用串接形式构成阵列化石英晶组2。由于电荷本身的易泄漏性，所以本发明电极采用导电性能好的银铜合金电极，此材料的弹性模量较紫铜和银更高，不会降低整个传感器的动态性能，为了使单个石英晶组以固定的距离进行间隔定位，设计出于压电石英晶组外径相同的阵列银铜合金电极6，利用银铜合金电极6的结构形状来实现压电石英晶体5和氧化锆陶瓷片的定位，请参阅图6所示，银铜合金电极6在制作时，单个电极片的间隔可以按照事先确定的晶组安装间隔距离进行设计，组合时，将压电石英晶片、氧化锆陶瓷片和银铜合金电极对齐，便可实现定位。请参阅图7所示，所述氧化锆陶瓷片7的主要作用是将银铜合金电极6和传感器的机械壳体进行隔离，提高传感器的绝缘阻抗，防止电荷泄漏。因为传感器主要实现动态测量，所以要求氧化锆陶瓷片具有一定的冲击韧性，防止损坏。为此，本发明选用具有高强度和良好韧性的氧化锆陶瓷片。所述阵列化石英晶组在封装过程中，在压电石英晶体5、银铜合金电极6和氧化锆陶瓷片7的各自结合面处需要涂覆导电胶，以增加导电性能，提高接触刚度，固化时还需要施加一定的预紧力以提高接触刚度，在一定程度上可以提高传感器的灵敏度。所述阵列化石英晶组2在固化前需要测试绝缘电阻，一般要求绝缘电阻彡101° Ω， 减缓电荷释放。绝缘电阻达到要求后再进行固化。阵列化石英晶组2完成固化后，在外表面涂覆高阻绝缘硅胶，防止其它杂质污染晶片表面，以提高绝缘阻抗。阵列化石英晶组2在植入承载梁1的双C型空腔时，需要确保各个部件洁净干燥，以确保传感器有较高的绝缘阻抗。利用专用支撑工装将承载梁1的空腔沿纵向撑开规定的位移V，将阵列化石英晶组2植入，沿横向布置两排，以提高传感器抗侧倾能力和满足大量程的设计目标。植入完成后去掉支撑工装，利用承载梁1结构本身的弹性变形对阵列化石英晶组2进行预紧。最后，为了防止周围环境产生干扰，线缆采用低噪声的同轴电缆。引线时需要注意，将阵列化石英晶组2的负极与同轴电缆线的芯线连接，正极与同轴电缆线的屏蔽层连接。完成引线后，传感器需要有良好的密封，以防止杂物、水汽进入腔体而影响传感器的性能和使用寿命。请参阅图8和图9所示，当车辆车轮10作用在本发明传感器上时，车辆的轴载荷通过本发明传感器的承载梁1作用于敏感的阵列化石英晶组2上，基于石英晶体的压电效应，阵列化石英晶组2输出与车辆轴载荷成正比的电荷信号，对电荷信号进行处理，再结合本发明传感器的布置，便可以得到车辆的轴载荷、总载重和速度等信息。本发明传感器采用的是部分轮载式来进行称重，即车辆轴重由传感器8和路面9 同时承载，这种承载方式为典型的轴重式测量，可以大大提高传感器的量程和使用寿命。车辆轴载荷是通过对双C型压电式动态轴重传感器输出的信号波形的面积来计算的，即沿输出信号的路径进行积分。考虑到车轮和传感器接触区域前后的分离，在计算车辆轴载荷的线性积分时，积分路径从轴重传感器第一次接触车轮到最后的分离，轮迹长度不是一个可以直接测量的变量，它可以根据车轮与传感器的接触时间间隔At和轮速ν相乘得到。车辆的总载重是通过将测得的各轴重求和而得到，整个称重系统是由多个双C型压电式动态轴重传感器组成的。另外，通过测量车辆通过两个按已知距离布置的传感器的时间差，经过计算，便可得到车辆速度信息。本发明承载梁1采用双C型空腔结构，如此，可以产生较大预紧力，不会产生松动， 而且由于整个结构没有类似深槽结构，所以加工制造难度小，成本低。阵列化石英晶组2在安装预紧时，在弹性变形内，先通过支撑工装使承载梁1的腔体沿纵向发生规定的位移V， 将阵列化石英晶组2植入腔体内后，再将支撑工装卸载，这样承载梁1结构本身的弹性变形便会对阵列化石英晶组2产生稳定可靠的预紧力，从而提高传感器的灵敏度。本发明双C型压电式动态轴重传感器的信号输出图如图10所示，其主要技术指标如下1、外形尺寸截面尺寸70mmX 50mm，长度为700mm 1000m ；2、量程15T 30T ；3、精度3% FS 5% FS4、标准输出0 IOV (电荷放大器放大后)5、使用温度环境-55°C 85°C6、使用湿度环境0 85% RH。7、绝缘电阻彡101° Ω8、接口形式L59、防水等级ΙΡ68本发明双C型压电式动态轴重传感器整体结构紧凑、坚固耐用，可以承受路面常见的磨损、冲击，具有很高的疲劳寿命，其量程可以做到15Τ 30Τ，总体精度可以达到3% FS 5% FS，体积小,截面尺寸仅70mmX 50謹，长度可以到达700謹 1000mm，而且安装、调试方便。另外，本发明承载梁开设的空腔在承载梁的正面和背面贯穿，而在侧面封闭，这样，对于承载梁的加工非常方便，采用一般的切割技术即可实现，而背景技术中提到的传感器之所以昂贵，就是因为承载梁的加工成本非常昂贵，因为其加工都是通过开发模具而完成的，而开发以及制造一套模具的成本是非常可观的，对于一般的企业来说，尤其是中小企业，都是不能承受的，因此，国外的这种传感器，国内只有少部分厂商引进，且仅局限于作为代理引进，也就是将产品原封不动的照搬，对于产品内部结构的研究，甚至如何降低产品的制造成本，目前，国内还处于一片空白。 以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种双C型压电式动态轴重传感器，其特征在于包括具有空腔的承载梁(1)、植入承载梁(1)的空腔内的阵列化石英晶组(2)，以及设置在承载梁(1)外周的封装结构，其中， 所述承载梁(1)为工字型结构，包括相互平行的上板和下板，以及连接上板和下板的中间连接板，所述空腔(11)开设在中间连接板上，所述中间连接板在横向的尺寸小于上板和下板在横向的尺寸，所述空腔(11)贯穿所述承载梁(1)的正面和背面，而在侧面为封闭结构， 所述承载梁(1)的正面和背面的截面为工形结构；所述阵列化石英晶组O)由两排阵列化石英晶组构成，且沿承载梁(1)的横向间隔布置，单个石英晶组由压电石英晶体(5)、电极 (6)和氧化锆陶瓷片(7)构成，所述压电石英晶体( 和电极(6)以间隔的方式设置在上下两片氧化锆陶瓷片(7)之间，且两片氧化锆陶瓷片(7)分别与电极(6)接触，所述压电石英晶体(5)、电极(6)和氧化锆陶瓷片(7)的结合面上涂覆有导电胶。
2.如权利要求1所述的双C型压电式动态轴重传感器，其特征在于所述中间连接板的一对侧面为向外突出的C形结构。
3.如权利要求1或2所述的双C型压电式动态轴重传感器，其特征在于所述相邻单个石英晶组的间距为30 50mm。
4.如权利要求3所述的双C型压电式动态轴重传感器，其特征在于所述单个石英晶组的电极(6)选用银铜合金电极。
5.如权利要求3所述的双C型压电式动态轴重传感器，其特征在于所述压电石英晶体选用人造石英晶体，其品质因数为IO5 106。
6.如权利要求5所述的双C型压电式动态轴重传感器，其特征在于所述电极两侧的两片石英晶体的负极与负极相连接。
全文摘要
本发明提供了一种双C型压电式动态轴重传感器，包括具有空腔结构的承载梁、植入承载梁的空腔内的阵列化石英晶组，以及设置在承载梁外周的封装结构，其中，所述承载梁为为工字型结构，包括相互平行的上板和下板，以及连接上板和下板的中间连接板，所述空腔开设在中间连接板上，所述中间连接板在横向的尺寸小于上板和下板在横向的尺寸，所述空腔贯穿所述承载梁的正面和背面，而在侧面为封闭结构，所述承载梁的正面和背面的截面为工形结构。本发明双C型压电式动态轴重传感器，结构简单，可以在保证传感器使用性能前提下大幅降低设计和制作难度，减小产品成本。
文档编号G01G19/03GK102230818SQ20111008103
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者梁建强, 苑国英, 蒋庄德, 赵玉龙, 赵立波 申请人:西安交通大学