專利名稱：測力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與測力裝置有關(guān)。
在許多工業(yè)應(yīng)用中，通過把力作用到彈性件上并測量該彈性件的偏移或應(yīng)變來測量力的大小，這是很普通的。正常情況下，要使感受件盡可能地緊湊，特別對于達(dá)到噸數(shù)量級的負(fù)載更是如此，常規(guī)的解決方案是通過測量所加負(fù)載引起的最大應(yīng)力處的局部應(yīng)變，典型地是通過加在受壓柱體或加在受剪塊體上的電阻應(yīng)變儀來達(dá)到。裝配和設(shè)計這種應(yīng)變儀是一個折衷問題例如，如果緊固它們的粘結(jié)劑太富撓性則就會不精確，如果緊固它們的粘結(jié)劑太剛性，則就會脫開。在它們中電能的耗散受到限制，通常要求達(dá)到0.02％的精度，必須測量微伏級的信號電平。這在工業(yè)應(yīng)用中是不易達(dá)到的尤其在周圍有大的不穩(wěn)定電負(fù)荷引起的嚴(yán)重干擾下不易達(dá)到。此外為了達(dá)到最大的精度和靈敏度，彈性件的最大應(yīng)變必須盡可能地大，這就引出了持續(xù)力下的蠕變問題以及對變化力響應(yīng)的滯后現(xiàn)象。
對上述用應(yīng)變儀測得其較小應(yīng)變的彈性件可采用的另一種選擇是測力環(huán)它可以是一個圓環(huán)，將需測定的力沿一直徑方向加到測力環(huán)上并沿這同一直徑方向或垂直于此直徑的方向測取偏移。對一定的力，測力環(huán)可設(shè)計成產(chǎn)生所需盡可能大的偏移，但是它也有缺點，即張力，剪刀和彎力的組合由于測力環(huán)的形狀使其尺寸很大，因而使該測力環(huán)應(yīng)用不方便而且也比其它裝置價格更貴。
本發(fā)明是提供一種可在比正常情況下由應(yīng)變儀所測之力更大的力作用下產(chǎn)生一個偏移且體積又緊湊的彈性件，這樣就能使用另一種可供選擇作線性位移的傳感器。
因此，本發(fā)明的第一方面提出在大多數(shù)情況下測力環(huán)有一個呈橢圓而非圓形的不變形狀態(tài)。。所以，這第一方面可提供一個力感受裝置，它有至少部分由彈性變形材料組成的環(huán)、兩個位于所述環(huán)的一個直徑兩端上的連結(jié)部分以及當(dāng)力加在裝置的連結(jié)部分之間時用于確定環(huán)變形的測量裝置，該處于靜止?fàn)顟B(tài)的環(huán)沿徑向第一方向比在該環(huán)平面內(nèi)沿垂直于第一方向的第二方向有更大的尺寸。
本發(fā)明的第二方面中，本發(fā)明提供一種具有二個大致不撓曲的連結(jié)部分的力感受裝置、至少一個位于連結(jié)部分之間的可撓曲的細(xì)長件以及一個當(dāng)力加到裝置的連結(jié)部分之間時用來確定至少一個細(xì)長件的測向變形的測量裝置。
所以根據(jù)本發(fā)明裝置二方面中的任一方面，就能提供一個具有力加在其上的連結(jié)部分和一位于連結(jié)部分之間的彈性部分的力感受裝置，該彈性部分大致平行于所加力的方向，但是在載荷作用下作側(cè)向變形。
在本發(fā)明的最佳實施例中，可在比用應(yīng)變儀的普通彈性件中小得多的應(yīng)力下就取得一有用的偏移，這樣在負(fù)載作用下的蠕變和滯后現(xiàn)象就消失或大大地減小了。該實施例還有一個優(yōu)點是該線性測量可與實際的有形刻度有關(guān)，因此能直接用數(shù)字形式來表示而不是用應(yīng)變儀系統(tǒng)中典型的模擬輸出量來表示。
采用具有現(xiàn)存的歐洲專利說明書O100243號和O0184286號所示特點的一傳感裝置，就能制造出適于本申請的一線性測量系統(tǒng)，作為實例，本說明書將示出如何把這些特點應(yīng)用到本發(fā)明。然而，使用上述形式的彈性件并不限于該測量技術(shù)，還可以采用任何合適的可供選擇的其他線性測量系統(tǒng)。
現(xiàn)在參照附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例，其中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明建造的負(fù)載感受裝置的示意圖；圖2說明圖1中的負(fù)載感受裝置，封閉在保護(hù)殼體內(nèi)，還帶有電子元件；圖3表示在負(fù)載作用下，圖1中彈性件的偏移模式；圖4敘述圖1所用線性位移測量裝置的基本光學(xué)配置；圖5為負(fù)載感受裝置中線性位移測量裝置從圖1中X方向的視圖；圖6表示圖4中線性位移測量裝置的可供選擇的光學(xué)配置；圖7說明在圖5和圖6中測量裝置所用感受裝置與光學(xué)刻度的關(guān)系；
圖8是圖7所示光學(xué)刻度的放大視圖；圖9表示本發(fā)明彈性件的另一種形式；圖10說明本發(fā)明彈性件另一種可供選擇的形式。
首先參照圖1，圖1表示根據(jù)本發(fā)明所建造的負(fù)載傳感器的大致布置它包含有一個由調(diào)質(zhì)鋼制含成的彈性件2，該彈性件的特性是在持續(xù)的大應(yīng)力下不超過彈性極限。該彈性件2在其下端有一個柱形部分4而下表面6有其半徑為2倍于彈性件高度的球面。彈性件2的上端有一個相似的圓柱部分8，其上表面10有一約等于彈性件2高度的球面曲率半徑。彈性件2在二個淬火的鋼支承面之間運(yùn)作(在圖3中用標(biāo)號56和60表示)，而球面6和10與上述支承面56和60的組合是要保證當(dāng)力在箭頭F方向通過上支承面加上時，彈性件仍然保持機(jī)械穩(wěn)定。柱形部分4和8以及球面6和10具有常規(guī)負(fù)載感受裝置的正常特點。
柱形部分4和8為方形或矩形中間部分14、16的延伸而該中間部分14，16為兩個矩形斷面的彎曲壓縮件18、20提供端固定。圓弧半徑22用以使各壓縮件18和20與中間部分14和16相會的兩端有最小的應(yīng)力集中。在柱形部分4和8與中間部分14和16相會處設(shè)有嵌接的凸臺24和46，在該凸臺外可連接一個保持殼件如圖2所示。在各壓縮件18和20的中點處，在壓縮件相互面對的表面上各自連接一傳感器載體28和一刻度載體30(用虛線表示)，用以構(gòu)成在負(fù)載在F方向作用下用來確定壓縮件18和20相互移離的測量系統(tǒng)。螺絲32把傳感器載體28緊固到壓縮件18和把刻度載體30緊固到壓縮件20。如果一定要避開由于在壓縮件18和20上的孔洞而產(chǎn)生應(yīng)力集中，也可用其它連接方法，例如膠和機(jī)械夾鉗，但是這不一定是重點。
為了盡量減小由于溫度變化產(chǎn)生的問題，特別是減小由于絕熱加載產(chǎn)生的問題，傳感器載體28和刻度載體30可用與彈性件2材料有相同熱脹系數(shù)的材料制成，并且使上述兩載體與彈性件2處于良好的熱接觸狀態(tài)。這樣當(dāng)彈性件2的溫度由于環(huán)境的改變或由于負(fù)載的變化而改變時，傳感器載體28和刻度載體30兩者的溫度會精確地跟上，該兩個載體28，30的熱膨脹會補(bǔ)償上述彈性件2的熱膨脹。結(jié)果，唯一的重要熱效應(yīng)是彈性件2的楊氏彈性模數(shù)隨溫度而變化；在許多場合下，可以忽視上述的熱效應(yīng)，但是當(dāng)需要更高的精度時就要測量溫度而加以修正。
圖2說明在操作中，彈性件2的關(guān)鍵部件和測量系統(tǒng)元件28和30用一個由上圓柱罩34和下圓柱罩36所組成的殼體來保護(hù)，上下圓柱罩各自在38和40處焊到彈性件2上以及在42處相互焊接。殼體內(nèi)部的電接頭通過金屬一玻璃封口44構(gòu)成了一個在連接點48處焊在下罩36上的輸出插口46。如果需要的話，電路板50和52借助螺絲54緊固到彈性件2的上部，但在殼體內(nèi)也可選用其它裝配設(shè)施。電接頭在位移測量裝置28和30，電路板50和52以及金屬一玻璃封口44之間是必要的，但是這些電接頭都是普通的，為了避免混淆，在附圖中并不示出。
圖3示出在操作中如何把負(fù)載感受裝置的彈性件2用在淬火平面56上的球面6來支撐以及如何將一個壓縮力F通過一淬火墊60加到球面10上。一個或兩個柱形部分4，8可以用圓襯套加以定位制約，但這些都沒有在圖上示出。只要相接觸的平支承面保持近乎平行球面6和10，就能使力的作用點保持靠近裝置的中心線。壓縮件10和20由于它們的彎曲形狀和力F的作用受到一彎矩，而偏移到虛線18A和20A所示位置。壓縮件18和20中點之間的間隔62的增大可由線性位移測量裝置進(jìn)行測量，該線性位移測量裝置是由圖1所示的偉感器載體28和刻度載體30所組成，在圖3中為了清楚起見把載體28，30省略。因為對于一定的力增量，偏移的增量取決于曲率，因而力和偏移之間的關(guān)系為非線性。
通過一簡單的比例常數(shù)就可得出一個力的近似值而其精確值可從查找表上找到。另外，在信號處理過程中，可采用冪級數(shù)形式的更復(fù)雜的多項式以直接得出所加力的精確值。
圖4示出根據(jù)歐洲專利O100243和O184286的原理應(yīng)用的位移測量系統(tǒng)的基本部件。一個用蒸發(fā)的鉻浸蝕的刻度64形成在玻璃或石英基片66的表面，再裝載在圖1所示的刻度載體30上，(圖4中未示出)。
從而可確定刻度相對于傳感器組件68的運(yùn)動，該組件68是由一個在硅模(俗稱芯片)70上的光敏元件線性陣列所組成而裝在帶有通向硅模的電接頭(未示出)氧化鋁板72上。將熔合的光導(dǎo)纖維74的一短線頭，連到硅模70的表面而硅模10和氧化鋁板72線路的連接導(dǎo)線(未示出)用一種密封化合物76復(fù)蓋住。該密封化合物76最好為不透光的黑色以防散射光照到硅模70而引起有害的光電效應(yīng)?？潭?4典型地離光導(dǎo)纖維面74有50μm并且把來自發(fā)光二極管78的光由透鏡80折射成一平行光束，而投影到該光導(dǎo)纖維面上。這是通過該熔合的光導(dǎo)纖維74才把經(jīng)刻度64所投影的光傳到硅模70表面上的光敏元件上，因為連續(xù)導(dǎo)線(未示出)從硅模70表面上突出，從而防止了刻度64直接靠近硅模表面。
圖5示出圖4所示部件的一個實用實施例，其中傳感器68，透鏡80和發(fā)光二極管78都由傳感器載體28支撐并連到圖1所示的壓縮件18上，在透明基片66上的刻度64由刻度載體30支撐并連到壓縮件20上。發(fā)光二極管78是一種在合適立體角內(nèi)各個方向均勻發(fā)光的二極管，所以在經(jīng)透鏡80折射后，一近于平行的光束具有均勻的光強(qiáng)?？梢钥闯鲈谒镜奈恢蒙希瑐鞲衅?8位于刻度64的一端，這樣，在負(fù)載作用下，壓縮件18和20分開時，傳感器就沿刻度64的長度橫移。
圖6示出一個可供選擇的，更簡單的光學(xué)裝置，其中單獨(dú)的發(fā)光二極管78和透鏡80由一個帶有半球頭的發(fā)光二極管82所代替。該傳感器載體28只是少了一個支撐件，所有其它部件仍然保持與圖5所示的相同。上述的發(fā)光二極管82不可能提供圖5所示發(fā)光二極管78和透鏡80組合下所產(chǎn)生均勻或平行的光束，可是在許多場合下當(dāng)不需要極高的精度時，上述的球頭發(fā)光二極管82已足于應(yīng)付。
圖7示出刻度64在基片66上大致的分布(示意地畫出)以及熔合的光導(dǎo)纖維74(見圖4)相對于基片66的行程84。刻度64比光導(dǎo)纖維74做得更寬，這樣在垂直于運(yùn)動方向的方向上，其精確關(guān)系就變得不重要。為了盡可能地減小到達(dá)傳感器(圖4，5和6中的68)的散射光量，刻度64構(gòu)成為基片66表面上不透光涂層中的透光部分。
適用于刻度64的有代表性的紋路在圖8中示出，在此實例中，為了方便繪畫，刻度以負(fù)片形式表示，其中的黑線代表透光部分而余下部分則為不透光。標(biāo)號84示出的刻度部分是一種偽隨機(jī)的二進(jìn)制紋路，如同歐洲專利O100243號和O184286號所說明的用于對比方法以確定刻度64相對于傳感器68的初步位置而由標(biāo)號86表示的其余刻度部分為一均勻的條狀紋路，這些紋路與傳感器68的光敏元件相互配合以產(chǎn)生一種莫爾條紋，其相位用來確立精細(xì)的位置。
沒有理由一定要圖1的壓縮件18和20采取矩形截面或曲率均勻的桿形式，雖然這的確是一種設(shè)計和制造的簡單形式。實際上，圖1至圖3所示的簡單形狀往往在各壓縮件的中心和端頭會有應(yīng)力集中，通過改變壓縮件的形狀如圖9中的88和90所示就能達(dá)到改進(jìn)的性能，圖9中，在最小彎矩92位置處，壓縮件的厚度減小，結(jié)果在最大負(fù)載作用下，應(yīng)力分布就可盡可能地均勻。因此用這種方法，在一定的峰值負(fù)載和最大應(yīng)力作用下可以達(dá)到最大的偏移和最大的靈敏度。
圖1中，標(biāo)號18和20所示壓縮件的側(cè)向偏移用來檢測作用力，而壓縮件則用來直接承受作用力，但這不是根本的，圖10說明有二個壓縮件和一個單獨(dú)感受件的可供選擇裝置的側(cè)視圖并且盡量保持與圖1相同的標(biāo)號，頂部和底部的中間部分14和16向兩側(cè)延伸，且將作用在F點處的力傳送到壓縮件94和96，在壓縮件94和96之間是一個彎曲的感受件98。力F的作用是使壓縮件94和96相互偏離，從而把一個端負(fù)載加到感受件98上。在此端負(fù)載作用下，感受件98向下向中間部分16偏移，測量感受件98和中間部分16之間距離100的變化，就可確定作用在F點上力的大小。顯然，通過改變感受件98的曲率和厚度就可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度，這就有相當(dāng)大的自由度，因為感受件98不需支撐所作用的負(fù)載。此外，通過感受件98的逆向非線性響應(yīng)至少能部分地抵消壓縮件94和96對所加負(fù)載的非線性響應(yīng)。很顯然，就本發(fā)明用以感受力的彈性件設(shè)計來說存在相當(dāng)大的自由度，所示的附圖僅代表可能的外形。如圖1所示，感受件可支撐負(fù)載或如圖10所示，可以與負(fù)載無關(guān)。在要求表面6和10之間的彈性件整個高度為最小時，圖10所示的裝置形式特別有用。同樣，對某些應(yīng)用場合，彈性件也可以用其它材料，例如用增強(qiáng)塑料來制造而代替淬火鋼是完全可行的。本專業(yè)的任何技術(shù)人員都能對此作出精密的設(shè)計并且最好還要有合適的設(shè)施對其進(jìn)行數(shù)學(xué)應(yīng)力分析。
權(quán)利要求
1)一個力感受裝置有一個至少部分由彈性變形材料構(gòu)成的環(huán)，二個位于上述環(huán)的一個直徑相互端的連結(jié)部分，和用來確定當(dāng)力作用在裝置的連續(xù)部分之間時上述環(huán)變形量的測量裝置，環(huán)在其靜止?fàn)顟B(tài)下沿著上述直徑的第一方向比沿著環(huán)平面內(nèi)垂直于第一方向的第二方向有更大的尺寸。
2)根據(jù)權(quán)利要求1所述的力感受裝置，其特征在于上述測量裝置用以測定在第二方向上的上述環(huán)的尺寸變化。
3)根據(jù)權(quán)利要求2所述的力感受裝置，其特征在于，上述測量裝置包括在上述第二方向上緊固到上述環(huán)彼此相對部分上的部件以及測量上述部件的相對位移的相關(guān)裝置。
4)根據(jù)權(quán)利要求3所述的力感受裝置，其特征在于，上述相關(guān)裝置有一個裝在上述部件之一上的傳感器，用來對另一上述部件的相對位置進(jìn)行光學(xué)測量。
5)根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的力感受裝置，其特征在于還有用上述測定的變形來確定上述連續(xù)部分之間力的裝置。
6)根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的力感受裝置，其特征在于上述測量裝置有大體上等于上述彈性變形材料的熱脹系數(shù)的有效熱脹系數(shù)，結(jié)果，上述環(huán)由于溫度變化引起的脹或縮，至少部分地受到上述測量的裝置的脹或縮的補(bǔ)償。
7)根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的力感受裝置，其特征在于上述裝置的連結(jié)部分與上述環(huán)構(gòu)成一個整體，上述連接部分比上述環(huán)有更大的厚度，從而比上述環(huán)的撓性較差。
8)根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的力感受裝置，其特征在于上述環(huán)有不均勻的厚度，這樣其厚度在彎矩模數(shù)有一個局部最小值的各點鄰近或各點上為最小。
9)一個力感受裝置有兩個大致不撓曲的連續(xù)部分，至少一個延伸在上述連續(xù)部分之間的彈性變形細(xì)長件以及當(dāng)力作用于上述裝置的連接部分之間時用于確定上述至少一個細(xì)長件的側(cè)向變形的測量裝置。
10)根據(jù)權(quán)利要求9所述的力感受裝置，其特征在于至少一個細(xì)長件具有非均勻厚度，這樣該厚度在彎矩模數(shù)有一個局部最小值的各點鄰近或各點上為最小。
11)根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的力感受裝置，其特征在于上述至少一個細(xì)長件在其兩端的中間有最大的厚度。
12)根據(jù)權(quán)利要求9，10或11所述的力感受裝置，其特征在于至少一個細(xì)長件為弧形。
13)根據(jù)權(quán)利要求9到12所述的力感受裝置，其特征在于上述至少一個細(xì)長件封閉在一容器內(nèi)，上述連結(jié)部分各自的部件從容器上伸出。
14)根據(jù)權(quán)利要求9到13所述的力感受裝置，其特征在于有兩個或多個上述細(xì)長件，上述細(xì)長件彼此隔開。
15)根據(jù)權(quán)利要求14所述的力感受裝置，其特征在于上述測量裝置通過確定細(xì)長件各自部分分開的變化，確定細(xì)長件的變形。
16)根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的力感受裝置，其特征在于上述細(xì)長件由一彈性變形的中間件相連，上述測量裝置通過確定上述中間件的變形，來確定上述細(xì)長件的變形。
全文摘要
一個力感受裝置(2)有大致不撓曲的連結(jié)部分(4，8，14，16)和相互隔開且在連結(jié)部分(4，8，14，16)之間延伸的彈性變形細(xì)長件(18，20)，該力感受裝置還包括通過測量細(xì)長件(18，20)的變形來測量作用于連續(xù)部分(4，8，14，16)之間的力，尤其是壓力的一個測量裝置。
文檔編號G01L1/24GK1152955SQ9519415
公開日1997年6月25日 申請日期1995年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月15日
發(fā)明者安德里安·安東尼·塞西爾·馬奇 申請人:安德里安·馬奇有限公司