CN101473204A - 横向力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的思想在于，在用于测量弯矩的压电传感器中的测量元件通过其轴线分开，并且将具有相反朝向的两个半部电连接。该传感器的轴线布置在机械结构的中性弯曲轴线上，因此在其轴线的两侧同时测量机械结构的张力和压力。

Description

横向力测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量弯矩或转矩的压电传感器，根据独立权利要求的前序部分所述，该压电传感器具有至少一个轴线，并包括至少两个压电板元件，所述压电板元件在一个平面内并列设置。
背景技术
测量弯矩或转矩的传感器广泛地应用于工业中，例如，用于确定导线焊接装置(wire welding contact plant)的传力臂的力，导线焊接装置也称为导线结合装置。
在US6,425,514中揭示了一种方法，在该方法中，传统的力或压力传感器被设置在焊臂和导线焊接装置之间。最后，可以通过所测得的力来计算出焊臂末端的焊接载荷。
事实上这种装置的缺点在于：为了提高测量精度，最优选的是将两个这种传感器结合在一起。然而，由于经济原因，少数情况下才这样做。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量弯矩或转矩的传感器，与传统的这种传感器相比，该传感器在同等生产成本情况下提高了灵敏度。
本发明的目的通过独立权利要求的特征来实现。
本发明涉及的计量学构思是，将用于测量弯矩或转矩的压电传感器中的测量元件沿其轴向分开，并电连接具有相反极化方向的两个半部。因此，借助其轴线连接到机械结构的中性弯曲轴线的这种传感器能同时测量在该机械结构的轴线两侧上的拉力和压力。于是，特别有利的是，测量元件是一体成型的，且仅仅该测量元件上的电极彼此分开。
附图说明
以下参照附图详细描述本发明。
图1a为两个板元件的剖视图，所述板元件沿相反的朝向设置，并具有电极和电连接线；
图1b为两个板元件的剖视图，所述板元件沿相同的朝向设置，并具有电极和电连接线；
图1c为同一板上的两个板元件的剖视图，所述板元件具有电极和电连接线；
图1d为两对板元件的剖视图，所述两对板元件沿相反的朝向设置，并具有电极和电连接线；
图1e为两对板元件的剖视图，所述两对板元件沿相同的朝向设置，并具有电极和电连接线；
图1f为同一板上两对板元件的剖视图，所述两对板元件具有电极和电连接线；
图2为根据本发明的具有两个板元件的传感器的俯视图；
图3为一机械结构的剖视图，该机械机构呈连接臂的形式，该连接臂的结构具有可以用于组装根据本发明的传感器的位置；
图4为一机械结构的正视图，该机械结构呈传力臂的形式，该传力臂的结构具有可以用于组装根据本发明的传感器的位置；
图5a为根据本发明的具有四个板元件的传感器的俯视图；
图5b为根据本发明的具有四个板元件的另一传感器的俯视图；
图6a为根据本发明的具有两个对剪切灵敏的板元件的另一传感器的俯视图；以及
图6b为根据本发明的具有四个对剪切灵敏的板元件的又一传感器的俯视图。
其中，附图标记说明如下：
1 传感器           2、2′ 轴线
3 板               3a、3b、3c、3d、3a′、3b′ 板元件
4、4′ 电极        5 电极的电连接线
6 固定装置         7 凹槽
8 机械结构         9 中性弯曲轴线
10 传力臂           11 结构
12 组装位置         13 致动器
14 固定件
具体实施方式
在所有的附图中，相同的部件使用相同的名称和附图标记。
图1a-图1f均示出了用于测量弯矩或转矩的压电传感器1的至少两个板元件3a、3b的剖视图。图1中的双箭头表示可能作用于待测量的板元件上的力或拉力。板元件3a、3b可以理解为是板的一部分。这些板元件以层叠方式并列设置在一个平面内。方向P指的是在力作用下的板元件的极化方向。该方向用单箭头和P表示。
板元件3a、3b由具有纵向效应的压电材料构成。传感器的一个轴线2在所述板元件3a、3b之间延伸。这种传感器的应用领域指定为借助位于传感器1的轴线2上的中性弯曲轴线9来测量弯矩或转矩。因此，要测量的力矩会由对应于双箭头所示的作用力产生。这样的力矩将在板元件3a中产生压缩，而在板元件3b中产生拉伸。板元件3a、3b均在两侧具有电极4、4′，所述电极在测量时收集在其上产生的电荷。
第一板元件3a的电极4或4′与第二板元件3b的具有相反极性(+，-)的电极4或4′电连接。这种连接可以出现(emerge)在传感器中或计算装置(evaluation device)中。
电连接线5各连接两个板元件3a、3b的具有相反极性(+，-)的电极4，4′，所述极性在测量中形成。因此，在相同的实施例中并且在两个半部相对于轴线2对称设置时，信号增强了一倍。电极4、4′可以设计为在压电板元件上的金属化部件(metallization)或呈导电板形式的独立部件。
板元件3a、3b以偏压方式连接在传感器中，以可以测量到压力或拉力。
在图1a中，板元件3a、3b沿相反的朝向P设置，因此，各电连接线5连接位于板元件3a、3b同侧的电极4。在本实例中，电极4、4′以及电连接线5通常均可以设计为单独的导电层或板。
图1b中示出了一种装置，该装置与图1a相反，具有沿相同朝向P设置的两个板元件3a、3b。据此，电极4、4′未在一个平面内彼此连接而是以相反的极性(+，-)通过对角的方式彼此连接。这种连接未示出，但仅从电连接线5端部的加号(+)和减号(-)就可以明显地看出。具有相同符号的端部在传感器中或计算装置中彼此电连接。
图1c中的实施例很大程度上对应于图1b中的实施例，其中板元件3a、3b整体地设计为板3。由于板元件3a、3b的朝向P相同，所以这种设置可以没有任何困难。因此，在该实施例中，压电板可以用作印刷电路板，电极作为金属化表面而应用在该电路板上，其类似于开关板的金属化表面。实际上这种设置的优点在于仅需要加工和结合一个板，这简化了加工处理。
图1d、1e和1f均示出对应于图1a、1b和1c的实施例的板元件3a、3a′以及3b、3b′的堆叠结构。类似地，也可以将三个或更多个板元件3a＂、3b＂以堆叠的方式设置。优选地，在堆叠结构中相邻的板元件3a、3a′以及板元件3b、3b′之间的电极4′通过金属化部件实现。优选地，金属化部件与相邻的板元件互相连接。这种连接有利于各个板元件的处理。
各电极4通过电连接线5在传感器中或计算装置中与再下一层的电极4＂电连接。类似地，这可以在堆叠结构中使用两个以上的层。
在图2中示出了根据本发明的传感器1的俯视图，该图对应于具有连续的板3和带有在测量中表现出相反极性(+，-)的两个电极4的图1c。电极4设置在轴线2的两侧，所述轴线必须位于处于整合状态的机械部件的中性弯曲轴线上。对应的、具有相反极性的相反电极4′设置在传感器的背面。
优选地，例如在传感器的中心设置固定装置6，固定装置例如呈凹槽7的形式，用于穿过固定螺钉等。
图3示出了呈具有结构11的传力臂10的形式的机械结构8的剖视图，该机械结构8具有用于组装根据本发明的传感器1的多个可能位置。中性弯曲轴线9对应该机械结构中的这样一个区域：在该区域中，对该机械结构施加适当力的情况下，既不引起拉伸也不引起压缩。根据本发明的传感器1可以连接在沿该中性弯曲轴线9的任意位置上，其中传感器1的轴线2必须一直位于该中性弯曲轴线9上。因此，轴线2一侧上的压缩与轴线2另一侧上的拉伸具有大小相等方向相反的作用。通过电极4、4′的适当组合，尤其是通过连接在轴线2两侧上的具有相反极性的电极4、4′，信号就会相加(summarize)。在对称设置中，这意味着加倍。
根据本发明，也如图3所示，传感器1还可以连接在机械结构的臂中专为此目的而制作的部分中。通过将组装螺钉组装到传感器的中心，所述组装轴线就成为了臂端载荷下的中性弯曲轴线9。
图4示出了与图3的机械结构具有相同设置的正视图。邻近致动器13的结构11通过固定件14容置传力臂10。中性弯曲轴线9穿过所示的整个机械结构8。根据本发明的传感器1还可以设置在中心的侧面，例如，设置在组装位置12，该组装位置12位于中性弯曲轴线9上。另一个组装位置12应具有与传感器1相同的刚度，以不产生测量误差。否则，可以将第二传感器连接在第二组装位置中以提高测量精度。
根据本发明的传感器的优点在于，其简单的可安装性，不会干扰处理过程。另外，通过分开的电极提高了灵敏度。
本发明的另一个优点在于计算能力。如果各板元件3a、3b的电极4均没有通过电连接线5结合在传感器1中，而是分别引向计算装置或放大器，则可以确定其他的物理变量。一方面，由电连接线5引起的弯矩可以通过测量值的和来进行计算。另一方面，影响传感器的力可以通过计算测量值的差来确定。这种方法可以应用于根据图1a的板元件的设置，在图1b或图1c的实例中，差值计算会得出弯矩，而求和计算会得出力。
图5a和图5b示出了本发明的扩展例。与所述的实施例类似，通过加入第二轴线2′，传感器还可以设计为具有四个而不是两个板元件3a、3b、3c、3d。所述的第二轴线2′设置为垂直于第一轴线2，并将传感器分为四部分。以此方式设计的传感器可以沿两个轴线弯曲并可以沿两个轴线的组合弯曲。为此，必须分别计算电极4。可以选择电极划分(graduation)，以使同样朝向P的电极位于对角的相反位置(如图5a所示)或彼此相邻(如图5b所示)。因此，图5的传感器可以测量沿两个方向的弯矩以及沿一个方向的力。
图6a示出本发明的另一种扩展例。该扩展例中不用具有纵向效应的压电材料来制作板元件，而是用具有纵向剪切效应的材料来制作。由此，如果板元件的信号如图5所示被分别计算，就可以同时测量剪切和扭转。这里，与图1a-图1f所示的类型相似，板3也可以分成板元件3a、3b，或电极4也可以被分开，且可以以堆叠方式使用多个板。
图6b示出沿多个方向对剪切敏感的板的组合，可以以类似于图5所示的方式来进行计算。
具有不同压电效应的板元件的多种平面可以组合在传感器中，以可以同时确定多个物理变量。

Claims (35)

1.一种用于测量弯矩或转矩的压电传感器(1)，该压电传感器具有至少一个轴线(2)，并且该压电传感器包括并列设置在一平面内的至少两个压电板元件(3a，3b)，在所述压电板元件的两侧至少部分地设置有电极(4，4′)，且在该传感器中，所述压电板元件在偏压状态下设置在该轴线(2)的两侧；
其特征在于，所述第一板元件(3a)的电极(4，4′)与所述第二板元件(3b)的具有相反极性(+，-)的电极(4，4′)电连接。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b)一体地设计在同一个板(3)上。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b)设计为两部分。
4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，具有相反朝向(P)的所述板元件(3a，3b)设置在该传感器中。
5.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，具有相同朝向(P)的所述板元件(3a，3b)设置在该传感器中。
6.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b)是相同的。
7.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b)关于该轴线(2)对称设置。
8.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，该传感器在该轴线(2)的中心处包括固定装置(6)。
9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，该传感器具有中心凹槽(7)，以供螺钉穿过。
10.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，多个板元件(3a，3b，3a′，3b′)以堆叠的方式设置为多层，并设计有多个中间电极(4′)，其中所述电极(4)均与所述中间电极的再下一层电极(4＂)电连接(5)。
11.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述中间电极(4′)是金属化部件，所述金属化部件始终与堆叠结构中相邻的板元件(3a，3a′；3b，3b′)互相连接。
12.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3a′，3b，3b′)具有压电纵向效应，以确定围绕该轴线(2)的弯矩。
13.如前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3a′；3b，3b′)具有压电纵向剪切效应，以确定围绕垂直于板平面的中心旋转轴线的转矩。
14.一种用于测量弯矩或转矩以及用于测量力或压力的压电传感器(1)，该压电传感器具有至少一个轴线(2)，并且该压电传感器包括并列设置在一平面内的至少两个压电板元件(3a，3b)，在所述压电板元件的两侧至少部分地设置有电极(4，4′)，且在该传感器中，所述压电板元件在偏压状态下设置在该轴线(2)的两侧；
其特征在于，所述电极(4，4′)彼此分开地电连接到计算装置，以分别确定各板元件(3a，3b)的测量值。
15.如权利要求14所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b)一体地设计在同一个板(3)上。
16.如权利要求14所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b)设计为两部分。
17.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，具有相反朝向(P)的所述板元件(3a，3b)设置在该传感器中。
18.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，具有相同朝向(P)的所述板元件(3a，3b)设置在该传感器中。
19.如权利要求14至18中任一项所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b)是相同的。
20.如权利要求14至19中任一项所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b)关于该轴线(2)对称设置。
21.如权利要求14至20中任一项所述的传感器，其特征在于，该传感器在该轴线(2)的中心处包括固定装置(6)。
22.如权利要求21所述的传感器，其特征在于，该传感器具有中心凹槽(7)，以供螺钉穿过。
23.如权利要求14至22中任一项所述的传感器，其特征在于，多个板元件(3a，3b，3a′，3b′)以堆叠的方式设置为多层，并设置有多个中间电极(4′)，其中所述电极(4)均与所述中间电极的再下一层电极(4＂)电连接(5)。
24.如权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述中间电极(4′)是金属化部件，所述金属化部件始终与堆叠结构中相邻的板元件(3a，3a′；3b，3b′)互相连接。
25.如权利要求14至23中任一项所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3a′，3b，3b′)具有压电纵向效应，以确定围绕该轴线(2)的弯矩，并确定垂直于板平面的力或压力。
26.如权利要求14至25中任一项所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3a′；3b，3b′)具有压电纵向剪切效应，以确定围绕垂直于板平面的中心转旋轴线的转矩、以及在该板平面内朝向该轴线(2)的剪切力。
27.如权利要求14至26中任一项所述的传感器，该传感器具有垂直于第一轴线(2)的第二轴线(2′)，其特征在于，至少四个相同的所述类型的压电板元件(3a，3b，3c，3d)对称地设置在该传感器的由该第一轴线(2)和该第二轴线(2′)限定的四个部分的每一个中，其中，所述电极(4，4′)彼此分开地电连接到计算装置，以分别确定各板元件(3a，3b，3c，3d)的测量值，以及确定相对于该第一轴线(2)和该第二轴线(2′)的弯矩测量值或转矩测量值。
28.如权利要求27所述的传感器，其特征在于，所述板元件(3a，3b，3c，3d)被分别设计。
29.如权利要求28所述的传感器，其特征在于，各所述板元件(3a，3b，3c，3d)选择为可以沿两个方向测量弯矩或转矩以及剪切力。
30.一种如前述权利要求中任一项所述的传感器的应用，其中该传感器用于间接测量一机械结构(8)的弯矩或转矩，其特征在于，该传感器连接到所述机械结构(8)，以使该传感器的该轴线(2)位于该机械结构(8)的弯曲轴线(9)上。
31.如权利要求30所述的应用，其特征在于，该机械结构(8)是包括位于一结构(11)处的传力臂(10)的电线焊接装置。
32.如权利要求31所述的应用，其特征在于，该传感器设置在该传力臂(10)中。
33.如权利要求32所述的应用，其特征在于，该传感器沿剖切线横向地连接到该传力臂中。
34.如权利要求31所述的应用，其特征在于，至少一个传感器设置在多个组装位置(12)的其中之一中，该组装位置(12)连接该传力臂(10)与该电线焊接装置的结构(11)。
35.如权利要求34所述的应用，其特征在于，在所述组装位置中设置两个传感器(1)。
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