CN101283245B - 力测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种测量机械力的装置(1)，包括适于测量两个正交测量方向(5a、5b)上的应力的差的传感器(3)。该装置包括至少一个适于接收被测量的力的力接收元件(2a、2b)，并且传感器适于测量作用到力接收元件上的力。该装置还包括管状的转换器(4)，转换器(4)适于将来自力接收元件的力传送到传感器并将由力接收元件接收的力转换成适于传感器的力，力接收元件(2a、2b)包括从转换器(4)沿径向向外延伸的凸缘，并且力接收元件(2a、2b)和传感器(3)在沿转换器的纵向轴线彼此隔预定距离(I)处安装。

Description

力测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量机械力的装置。根据本发明的装置例如适于在钢铁业中测量带钢张力或在造纸业中测量纸张上的力。
背景技术
在本领域中已知通过适于测量两个正交测量方向上的应力的差的传感器来测量力。例如，从瑞典专利No.151267中获知的磁致弹性力传感器。该力传感器包括两个线圈和由磁致弹性材料构成的测量主体，这两个线圈包绕至少一部分测量主体并设置为在没有力作用于测量主体时所述线圈的互感系数实质上为零，并且作为磁化线圈的那一个线圈与电源连接，作为测量线圈的另一个线圈与电压表连接。该传感器利用的是当磁致伸缩材料受到机械应力时应力方向上的磁导率发生变化的原理。该传感器测量在测量主体上的两个正交测量方向上的应力的差，这是对作用于测量主体上的力的测量。该传感器根据其安装的方向能够测量压力/拉力以及剪力。另外还公知有通过两个正交安装的应变计来测量力。
为了正常操作，该力传感器必须被提供适当的应力条件。适当的应力条件是：测量主体上的两个轴向应力、两个轴向应力之间适当的比率和测量主体中适当的应力水平。优选地，两个轴向应力之间的比率是负一，这意味着应力的大小相等但方向相反。测量主体中适当的应力水平取决于传感器的类型。为了正常操作，磁致弹性传感器要求的应力水平比应变计低。因此，希望能够控制传感器中的应力大小和方向。
磁致弹性力传感器的最适宜的应力水平较低，这使得难以利用这种类型的传感器测量较大的力。为了能够测量比传感器的最适宜的力大的力，测量主体设计成在作用力的方向上具有增加的材料量以减少测量主体中的应力水平。这个技术方案的问题是对包围结构的要求高，使得难以制造。大量的材料也引入了影响测量的热问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的测量机械力的装置。
该目的通过如权利要求1限定的装置实现。
这种装置包括管状转换器，管状转换器适于将来自力接收元件的力传送到传感器并将由接收元件接收的力转换成适于传感器的力，以使传感器在最适宜的条件下运行。力接收元件包括从转换器沿径向向外延伸的凸缘，并且力接收元件和传感器沿转换器的纵向轴线彼此隔开一定距离安装。力接收元件和传感器在与传感器的正交测量方向垂直的方向上彼此隔开一定的距离安装。
转换器的作用是在电磁力传感器中产生最适宜的应力条件。待被测量的力作用到力接收元件上，并且转换器将该力转换成用于传感器的适当的应力。
例如，转换器设计成将施加在力接收元件上的单轴向应力转换成所述传感器中的双轴向应力，并提供两个轴向应力之间的期望比率。单轴向应力是压应力/拉应力或剪应力。转换器的形状实现期望的转换和应力之间的比率。测量主体中的对称均匀的双轴向应力使得传感器最佳地运行，并因此改善测量装置的测量结果。
例如，转换器设计成将接收力的大小减小到适于传感器的水平。应力的大小由转换器的刚度——即转换器的长度和厚度——控制。力接收元件的刚度也影响力的减小。当测量较大的力时，转换器优选设计成将接收到的力的大小减小到适于传感器的水平。从而，可以测量比传感器的设计值大的力。
优选地，力测量装置适于结合到例如测力计的外部结构中。当传感器的应力水平被控制时，外部结构可以最小化并能承受更高的拉力。在转换器能够在传感器中提供所期望的应力条件的同时，外部结构能够针对其他目的而进行优化。承力结构的面积越小，则待被测量的力越集中，并且对应力和温度的变化越不敏感。
因此，本发明可以最小化外部结构、减少承力材料且能得到传感器的合适的应力条件。本发明可以设计测量1kN到1000kN的力的测量装置。
转换器呈管状，并且力接收元件和传感器沿转换器的纵向轴线彼此隔一定的距离安装。优选地，传感器设置在管状转换器的内部以使传感器的测量主体机械接触转换器的壁部的一部分，并且力接收元件安装转换器的外侧上。所述管状形状适于将力传送给传感器。由于转换器的管状，力接收元件上的单轴向应力转换成传感器中的双轴应力。由于管状，为减小力而需要的材料量减少，从而热变化的影响减小。
根据本发明的实施方式，力接收元件和传感器之间的距离是5-100毫米的范围。最影响作用力递减的转换器的属性是力接收元件和传感器之间的距离，即转换器的长度。5-100毫米范围的距离实现大约2-20的递减系数。优选地，力接收元件和传感器之间的距离大于5毫米。已经证明，如果力接收元件和传感器之间的距离大于5毫米，则传感器中的主应力之间的比率接近于1。
根据本发明的实施方式，转换器的壁部的厚度为0.5-10毫米。管状转换器的壁部的厚度对作用力的递减有影响，然而，影响的程度不如力接收元件和传感器之间的距离大。
根据本发明的实施方式，转换器呈柱状。由于转换器的柱状，使得可以控制传感器中主应力之间的比率——这是因为传感器中的主应力之间的比率取决于柱体两个正交直径之间的比率。
根据本发明的实施方式，转换器呈圆柱状。由于转换器的圆柱状，传感器中主应力之间的比率变成负一，这意味着它们大小相等，但方向相反。双轴向应力的该比率是传感器的最适宜的条件。
根据本发明的实施方式，转换器和力接收元件均关于转换器的纵向轴线旋转对称。例如，力接收元件是从转换器沿径向向外延伸的凸缘。由于转换器和力接收元件旋转对称以及能够控制传感器中的应力和控制热流，因此转换器几乎对非测量方向上的力不敏感。
根据本发明的实施方式，该装置包括第二力接收元件，第二力接收元件以与第一所述的力接收元件离传感器的距离实质上相等的距离，沿转换器的纵向轴线安装在传感器的相对侧。如果该装置只有一个力接收元件，则传感器的测量主体上的力成为一侧的力，存在测量主体变弯的危险，这可能不利于力的测量。该实施方式提供一种改进的测量，由于传感器的测量主体上的力在该主体的两侧相等，从而可以防止该主体弯曲。
根据本发明的实施方式，传感器包括：磁致弹性材料的测量主体；以及两个线圈，这两个线圈包绕至少一部分测量主体，并设置为在没有力作用于测量主体时所述线圈的互感实质上为零，并且一个线圈与电源连接，另一个线圈与电测量装置连接。对于那类对应力条件要求高以正常操作的传感器，本发明特别有用。
根据本发明的实施方式，测量主体、转换器和力接收元件由磁致弹性材料构成，并且转换器、力接收元件和测量主体制造成单一构件。该实施方式使得可以将测量主体、转换器和力接收元件制造成单一构件，从而减少生产成本。
附图说明
下面将通过对本发明不同实施方式的描述并参照附图更详细地说明本发明。
图1显示了根据本发明实施方式的测量机械力的装置的透视图。
图2显示了图1中装置的侧视图。
图3显示了图1中装置的前视图。
图4显示了图1中的装置安装在外部结构中的情形。
图5显示了图4所示装置沿A-A线的剖面图。
图6显示了图4所示装置的可替代实施方式的剖面图。
具体实施方式
图1、2和3显示了一种根据本发明实施方式的测量机械力的装置1。装置1包括：两个力接收元件2a、2b，其适于接收待被测量的力；传感器3，其适于测量两个正交测量方向5a、5b上的应力的差；以及转换器4，其适于将来自力接收元件2a、2b的力传送到传感器3并将接收到的力转换成适合所述传感器的力。转换器4配置在力接收元件和传感器之间。传感器是例如磁致弹性传感器或者应变仪。在该实施方式中，传感器是磁致弹性传感器，其包括：由磁致弹性材料构成的具有四个通孔7的测量主体6；以及两个正交安装的、通过孔7缠绕的线圈8a、8b，并且线圈8a、8b设置为当没有力作用于测量主体上时所述线圈的互感实质上为零。作为磁化线圈的一个线圈8a与电源连接，作为测量线圈的另一个线圈8b与电压表连接。
第一力接收元件2a安装在沿与传感器的测量方向垂直的方向——该方向也与传感器的测量主体6的延伸面正交——离传感器3有一预定距离处。第二力接收元件2b在相反的方向上离传感器3相等的距离安装。力接收元件2a、2b和传感器3之间的距离优选为5-100毫米的范围。转换器的壁厚优选为0.5-10毫米的范围。
转换器4呈中空管状，并且在该实施方式中由诸如马氏体不锈钢的磁致弹性材料构成。如附图所示，转换器4具有圆柱状截面。传感器3设置在管状转换器的内部，使得传感器的测量主体与转换器的部分壁直接接触。力接收元件2a、2b具有从转换器4沿径向向外延伸的凸缘形状。第一凸缘2a配置在转换器的一端，第二凸缘2b配置在转换器的相对端，并且传感器3配置在转换器4的中部。待被测量的力施加在凸缘2a、2b上。然后转换器4将产生相对于传感器3合适的主应力。应力的大小由转换器的刚度(即其长度和厚度)和凸缘2a、2b的刚度(即它们的宽度和高度)控制。
优选地，测量主体、凸缘和转换器由诸如马氏体不锈钢的磁致弹性材料制成单一构件。
优选地，如图4所示，转换器4安装在外部结构10中。外部结构是例如测力计。图4显示了穿过力测量装置1和外部结构10的纵截面。外部结构10被安装成直接接触力接收元件2a、2b。因此，凸缘2a、2b还用作固定外部结构10的固定元件。测量装置1通过焊接结合部12a-12d连接到外部结构10。外部结构10、凸缘2a、2b和转换器4限定空腔14，该空腔14允许转换器的壁部由于所传送的力而变形。装置1和外部结构10例如通过激光焊接焊接在一起。为了减少测量主体在制造之后其内的内应力，例如热处理等后处理是有益的。
图4中的箭头图示了装置中的力。如图4所示，作用于外部结构的力通过外部结构的材料传送到力接收元件2a、2b。作用于力接收元件2a、2b上的力然后经由转换器4传送到传感器3，此时，力的大小根据接收元件2a、2b和传感器3之间的距离I以及转换器4的厚度d而降低。距离I和厚度d根据待被测量的力而进行调节。根据转换器和力接收元件的形状，该装置可以进行调节以测量外部结构上的、从1kN到1000kN的力。
转换器和凸缘的尺寸控制测量主体中应力的大小和压应力/拉应力之间的比率。当凸缘2a、2b受到压力或者剪力时，转换器将它们转换成传感器的测量主体中的两个相互垂直的轴向压应力/拉应力。因此，传感器受到对于这类传感器而言最适宜的应力。仿真结果表明，当转换器的总长超过10毫米时，传感器中压应力和拉应力之间的比率为大约0.9-1.1。通过调节转换器的壁厚以及凸缘的尺寸，可以将该比率调节为大约1。以与减少应力相同的方式，转换器减少整个测量主体上的温度梯度。转换器减少20％的应力，并且减少整个测量主体上的温度梯度的约20％。
例如，适于测量诸如1-5kN的较小力的如图1所示的力测量装置可以具有直径为15-20毫米、长度为10-15毫米、壁厚为1-2毫米的转换器，以及高度为1-2毫米、宽度为1-3毫米的力接收元件。该力测量装置以大约1.5-3的系数减小作用力。
例如，适于测量诸如200-1000kN的较大力的如图1所示的力测量装置可以具有直径为30-35毫米、长度为40-50毫米、壁厚为3-4毫米的转换器，以及高度为2-5毫米、宽度为3-5毫米的力接收元件。该力测量装置以大约5-20的系数减小作用力。
力测量装置1根据其安装方向能够测量压力/拉力以及剪力。图5显示了安装成用来测量作用于外部结构10上的压力的传感器3。如图5中的箭头所示的、作用于外部结构10上的压力在外部结构上产生单轴压应力。外部结构中的单轴压应力在传感器3的测量主体6中转换成双轴向应力。双轴向应力包括沿与作用力相同的方向作用的压应力和沿垂直于作用力方向作用的拉应力。图5中的箭头示出了测量主体中的压应力和拉应力。因此，作用于外部结构10上的压力导致测量主体6上的两个正交的轴向应力即拉应力和压应力。传感器3适用于测量测量主体中压应力和拉应力之间的差值。
图6显示了安装成用来测量作用在外部结构10上的剪力的传感器3。传感器3相对于如图5所示的测量压力的安装旋转45度。如图6中箭头所示的、作用在外部结构10上的剪力在外部结构上产生单轴剪力。外部结构的单轴剪力转换成传感器3的测量主体6上的双轴向应力。双轴向应力包括沿相对于作用力旋转45度的方向作用的压应力和沿垂直于测量主体上的压应力的方向作用的拉应力。图6中的箭头图示了测量主体上的压应力和拉应力。因此，作用在外部结构10上的剪力导致传感器3的测量主体上两个正交的轴向应力即拉应力和压应力。传感器3适用于测量测量主体中压应力和拉应力之间的差值。
说明书中的词语“包括”是表示所提到的特征、数字、步骤或元件的存在。然而，该词语不排除一个或多个其他的附加特征、数字、步骤、元件或组件的存在或增加。
本发明不限于所公开的实施方式，而是可以在权利要求书所要求保护的范围内变化或修改。例如，管的形状可以变化。例如，管的横截面可以制成椭圆形。在另一个实施方式中，该装置可以仅包括一个力接收元件，且该力接收元件安装在转换器的一端并且传感器安装在转换器的另一端。转换器和力接收元件可以由具有承受作用力的强度且不会影响测量的任何材料制成。

Claims (15)

1.一种用于测量机械力的装置(1)，包括适于测量两个正交测量方向(5a、5b)上的应力的差的传感器(3)，其中所述装置包括适于接收待测力的至少一个力接收元件(2a、2b)，并且所述传感器适于测量作用到所述力接收元件上的力，其特征在于：
所述装置还包括管状的转换器(4)，所述转换器(4)适于将来自所述力接收元件的力传送到所述传感器，并将由所述力接收元件接收的力转换成适于所述传感器的力；
所述力接收元件(2a、2b)包括从转换器(4)沿径向向外延伸的凸缘；并且
所述力接收元件(2a、2b)和所述传感器(3)沿所述转换器的纵向轴线彼此隔开预定距离(I)安装。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转换器(4)设计成将施加于所述力接收元件(2a、2b)上的单轴向应力转换成所述传感器中的双轴向应力。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述转换器设计成将接收到的力的大小降低到适于所述传感器的水平。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述距离(I)在5-100毫米的范围内。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转换器的壁部的厚度(d)在0.5-10毫米的范围内。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转换器呈柱状。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转换器(4)呈圆柱状。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转换器(4)和力接收元件(2a、2b)均关于所述转换器的纵向轴线旋转对称。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力接收元件包括第一力接收元件(2a)和第二力接收元件(2b)，所述第二力接收元件(2b)以与第一力接收元件(2a)离所述传感器的距离基本上相等的距离(I)，沿所述转换器(4)的纵向轴线安装在所述传感器(3)的另一侧。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(3)是磁致弹性传感器。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(3)包括：由磁致弹性材料构成的测量主体(6)；以及两个线圈(8a、8b)，所述线圈包绕所述测量主体的至少一部分，并设置为在没有力作用在所述测量主体上时所述线圈的互感基本上为零，并且一个线圈与电源连接，另一个线圈与电测量装置连接。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(3)包括测量主体(6)并且设置在所述管状的转换器(4)的内部，使得所述传感器的所述测量主体机械接触所述转换器的壁部的一部分。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述测量主体(6)、所述转换器(4)和所述力接收元件(2a、2b)由磁致弹性材料制成，并且所述转换器、所述力接收元件和所述测量主体制成为一个单件。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置适于整合到测力计中。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置适于测量从1kN到1000kN的力。
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