CN101858800A - 一种用于感知支承元件中支承力的测压元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于感知支承元件中支承力的测压元件，用于检测支承元件为支承载荷而传递的支承力。所述测压元件包括一个测量部分，所述测量部分在支承力和横向力作用下会以偏离支承力的方向发生变形，形成支承元件的一部分且性质相同。布置在测量部分的多个薄膜电阻器会呈现出一个正比于应变的反应和多个正比于横向力、相互间抵消的反应，薄膜电阻器以固定方式连接至测量部分。多个反应可通过各薄膜电阻器在测量部分的适当布置或对所测得信号的充分处理加以抵消。

Description

一种用于感知支承元件中支承力的测压元件

技术领域

本发明涉及一种用于检测支承元件中支承力的测压元件，特别是针对在起重车辆、移动式提升绞车、移动式钻井平台、自驱式炮架或类似设备中的应用。

背景技术

图1中示意性示出了一台起重车辆，置于支脚a上，支脚a用作支承元件，以确保运行过程中的直立。支承元件a通常配置在固定于车辆底座c上的伸缩式支承臂b的端部。在起重机所在之处，整个车辆在支承元件协助下被以液压方式提起。车轮与地面不接触。

当作用力通过支承元件垂向传递至地面时，重力分布可以被确定，由此车辆重心、特别是在提升载荷时的重心也可以被确定，这又可用于确定起重机的倾倒临界点。

测量支承力的一种可能方式是将测压元件置于每一支承元件的作用力流中。所述测压元件此时会以诸如上述的方式发送一个对应于被评价的相应支承力的信号。

在由支承元件托举起车辆时，以及在提升起载荷、车辆构架时，伸缩式支承臂和支承元件会发生变形，使得立于地面上的支承元件的端部或支脚倾向于沿水平方向d相互分离，如图2所示。然而这种移动被地面与支脚a之间存在的大于零的摩擦系数所部分阻止。由此，在支承元件之间将形成水平的反作用力，该反作用力会在作用力流所通过的所有组件中生成弯矩。

测量方面的问题在于，任何实际的测压元件不会仅在其设计的作用力方向作出反应，还会对作用于同一元件的沿其他所有方向的力和力矩作出或多或少的反应。例如，为了检测支承元件所支承的车辆或起重机的重心位置，只有垂向力即支承力与之相关。

上述应用中，在单个支承元件处出现的水平力最高可以达到被测垂向力的20％。

测压元件与地面上支脚端部的距离越远，由于被加载零件内弯矩的路径原因，弯矩增加就越多。因此，合理的做法是将测压元件尽可能接近支承元件的地面一侧布置。在此区域内支承元件的污染特别严重，可能会损坏敏感测量仪表。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于支承元件的耐用的测压元件，所述测压元件提供对应于支承元件所承受载荷(即支承力)的信号。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种针对支承元件(a)的测压元件，用于检测所述支承元件为支承载荷而传递的支承力，其特征为，所述测压元件

构成所述支承元件的一个测量部分(p)，所述测量部分在支承力和横向力作用下以偏离支承力的方向发生变形；且

包括布置在所述测量部分的多个薄膜电阻器(h1、h2、h3、h4)，所述薄膜电阻器呈现出一个正比于应变的反应和多个正比于横向力且相互间抵消的反应。

本发明的优选配置在权利要求子项中示出。

根据本发明，测压元件的设计使之能够很容易地安装到支脚的端部，受横向力和力矩影响很小，且能够耐受潮湿和灰尘等环境影响。

另外，由于本文所述的应用是涉及安全性方面的应用，还有重要的要求，即测压元件的测量特性应在较长的时间段内保持恒定，且须满足功能安全性的最低要求。

此外，配有支脚的车辆通常在室外作业。在此情况下，例如，车辆的一侧可能处于阳光照射下，因此该侧的支脚会变热，而另一侧的支脚则处于阴影中。因此可能出现相当大的温差，由此使测压元件所测得的电阻值(即作用力)发生歪曲。

有利的是，测压元件可以装载附加的热敏电阻器，可直接对测压元件的温度进行补偿。当带有载荷测量电阻器的传感器还带有与之紧邻的测温电阻器时，这一方式特别有利。有多种不同的车辆带有需要使用支脚的附件。由此，在支脚处还预期存在并可检测到不同的最大垂向载荷。为了能够通过相应的标称载荷范围进行准确的测量，测压元件的设计应使之在可能条件下被调整为发送在整个标称载荷范围内均匀变化的信号。

为避免贮存分别针对其相应标称载荷范围而调整的多个不同的传感器，有利的方式是：采用同一个标准传感器，且测压元件的变形件的几何形状按照测量任务即标称载荷范围进行调整。这种通过变形件配置进行的调整可以被精确地计算和加工，因为优选方式是对旋转件的直径(圆柱直径)进行调整，这种调整可以很容易且精确地实施。

附图说明

下文将参照示意图对本发明的实施方式进行详细说明，其中：

图1以正视图和侧视图示出了由支承元件托举的车载起重机；

图2示意性示出了出现的变形；

图3示出了作为支承元件一个测量部分的变形件；

图4示出了一个需焊接在图3的变形件上的承载件，包括其上的薄膜电阻器；

图5示出了一个薄膜电阻器的示例电路；

图6为示出变形件细节的剖视图；

图7为用于解释单个薄膜电阻器的应变与信号间联系的图；

图8示出了另一个薄膜电阻器的示例回路；

图9示出了再一个薄膜电阻器的示例回路；

图10为包含弯曲线的变形件的示意剖视图；

图11是用于解释变形件按照测量任务调整的示意图。

具体实施方式

根据图3，测压元件包括一个钢制的防锈的变形件e，其由待测力导致的应变并不通过粘在此件上的应变仪检测，而是借助于采用薄膜技术制造的应变敏感电阻器。这样具有长期稳定性较高的优势，因为以薄膜技术制造的薄膜电阻器并非用胶粘在承载件上，而是作为原子复合物以粘性喷溅方式附着到承载件上。

根据图4a、4b，薄膜电阻器配备在最初与测压元件分离的扁平圆柱体承载件f的端面上，测压元件的材料与变形件的材料一致，或至少表现出类似的热膨胀性质。在测压元件的加工过程中，借助于焊接激光器或电子束焊接，承载件与变形件在其外缘g处黏附结合在一起。

承载件上薄膜电阻器h的数量至少为2，在所示实例中为4。它们相互连接，构成一个惠斯通电桥i。

为了获得更高的功能安全性，在承载件上还可以提供2组或更多采用类似互连方式的惠斯通电桥，其信号将被相互独立地评价，并在一个电子比较器电路中进行评估。

此外，承载件上直接提供有对输出信号i零点和输出信号i界限的热效应均可进行补偿的热变电阻器。所述电阻器的位置非常接近薄膜电阻器的位置，可以在温度变化情况下实现快速的补偿。

承载件在变形件内的位置选择，使得当测压元件被前述水平力d及由此产生的力矩加载时不会出现干扰性的测量效应。其实现方式为：同样被传递进入承载件的应变以及由此在薄膜电阻器内产生的电阻变化因为电桥电路内的电连接而被抵消。需测量的效应仅在测压元件有垂向载荷的情况下出现。

此情况下，优选的变形件实施方式的基本形式是一个盘形薄膜k，其中心呈现出一个圆柱形孔，孔内配有圆柱体承载件f。薄膜的外缘变形为一个空心圆柱l，圆柱的外端优选带有螺纹m，可固定在支承元件上。薄膜的内缘则被制成厚壁长空心圆柱n，其端部优选以半球形增厚体o终止，以实现支脚的安装，由此可以形成与地面以任何角位置连接，这在地面不平的情况下是必要的。

如图6所示，垂向作用力导致薄膜外缘p相对内缘q降低，形成以旋转对称方式在整个薄膜直径上等间距分布的径向和切向应变。这些应变同样在承载件f内传播，并在此形成相应的径向和切向应变，继而通过薄膜电阻器h转化为电信号变化t。

四个薄膜电阻器中的两个(见图4b)h1和h2位于承载件f端面的外缘s附近，当垂向力施加时它们发生应变，由此其电阻增大。另两个薄膜电阻器h3和h4靠近承载件f的中心，当垂向力施加时它们会发生侧倾，其电阻因此而减小。

承载件内的径向应变r和变形的基本过程如图7所示。

图5中示出旨在构成惠斯通电桥的电阻器互连方式。

通过支脚引至测压元件的水平力将导致薄膜和承载件的变形。与在垂向力施加时出现的应变相对照，两个外部薄膜电阻器的布置位置以及两个内部薄膜电阻器的布置位置此时会出现相反的应变。

图4b中示出了薄膜电阻器在承载件上的一种示例布置方式。这些分别大小相等但方向相反的应变变化可以实现惠斯通电桥的输出端电压t不发生变化，因此不会有任何因水平力及其产生的力矩所造成的测量误差。本例中，惠斯通电桥中薄膜电阻器的电阻变化方向在图9中以符号“+”和“-”大致示出。当以垂向载荷加载时，惠斯通电桥中薄膜电阻器的电阻变化方向在图8中以符号“+”和“-”大致示出。

根据水平力的方向，薄膜电阻器对h1、h2和h3、h4中会形成或多或少的显著变化。然而，在存在干扰性水平力的情况下，它们总是会指向相反方向，由此电桥输出信号t不会发生变化。

图10示出了一个其内焊接有承载件f的变形件e的示意剖视图。承载件f代表一个传感器元件，该传感器元件也可以是完全可随时用于在焊缝v处焊接至变形件e内以形成连接的元件。

弯曲线B以夸张的方式示出了当变形体e被加载时承载件f的变形。置于弯曲线B峰顶处的电阻器h1用于测量承载件f的转动，而置于弯曲线B谷底处的电阻器h3则用以测量侧倾。变形件e的整体载荷可由这些变形值得出。

如果要将构造恒久一致的传感器元件用作针对不同标称载荷的测压元件的标准传感器元件，变形件e的尺寸可以借助于图11所示示例通过改变壁厚W和杠杆臂X而Z保持不变的方式加以确定，以使标准传感器元件的测量范围得以充分利用。标准传感器元件测量范围的充分利用是要使传感器元件在变形件被标称载荷加载时输出其最大信号。由此，通过在相应测压元件的整个工作载荷范围内适当地规定W和X，可以获得至少接近最高分辨率的信号。

通过仅使用一个构造恒久一致的标准传感器元件(也可储备作为可随时用于已建立连接的组件)，并针对测压元件的相应测量任务进行纯机械调整，可以以快速且成本不高地对所设置的标称载荷作出反应。

此外，标准传感器元件在其应用范围(即变形程度总保持恒定；变形仅在不同载荷下发生)内的整体表现已为人们所熟知，因此不需要考虑更换传感器时预期会出现的更多的物理干扰。

按照所述的方式，标准传感器元件可以在1∶20的标称载荷范围条件下使用，即可以提供标称载荷从300kN到最高6000kN的测压元件。

这里所述的针对支承元件的测压元件，用于检测支承载荷的支承元件所传递的支承力。所述测压元件包括一个测量部分或变形件，该测量部分或变形件在支承力和横向力作用下会以偏离支承力的某个方向发生变形，形成支承元件的一部分且性质相同。布置在测量部分的多个薄膜电阻器会呈现出一个正比于应变的反应和多个正比于横向力、相互间抵消的反应，薄膜电阻器以固定方式连接至测量部分。各个反应可通过各薄膜电阻器在测量部分的适当布置或对所测得信号的充分处理加以抵消。

对于使用标准传感器元件时针对不同测量任务和标称载荷进行的测压元件调整已有说明。

Claims (20)

1.一种针对支承元件(a)的测压元件，用于检测所述支承元件为支承载荷而传递的支承力，其特征为，所述测压元件

构成所述支承元件的一个测量部分(p)，所述测量部分在支承力和横向力作用下以偏离支承力的方向发生变形；且

包括布置在所述测量部分的多个薄膜电阻器(h1、h2、h3、h4)，所述薄膜电阻器呈现出一个正比于应变的反应和多个正比于横向力且相互间抵消的反应。

2.根据权利要求1所述的测压元件，其特征为，所述薄膜电阻器被连接至一个评价单元，所述评价单元对各个薄膜电阻器的电阻进行检测，并生成对应于每一个薄膜电阻器阻值变化的信号。

3.根据权利要求2所述的测压元件，其特征为，所述评价单元对分配为被测横向力的信号按照其符号进行相互抵消处理。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的测压元件，其特征为，所述薄膜电阻器在所述测量部分上的布置使得在有横向力和力矩加载的情况下其应变分别成为方向相反的一对。

5.根据权利要求4所述的测压元件，其特征为，所述薄膜电阻器在所述测量部分上的布置使得在有横向力和/或力矩加载的情况下其应变分别成为方向相反而数值相等的每一对。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的测压元件，其特征为，在其上形成薄膜电阻器的承载件(f)被布置在所述测量部分。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的测压元件，其特征为，所述测量部分包含一个膜状的变形件(k)，其一侧有一空心圆柱(1)在其薄膜外缘(p)处与之相邻，其另一侧有一空心圆柱(e)或一实心圆柱在其薄膜内缘(q)处与之相邻。

8.根据权利要求7所述的测压元件，其特征为，所述测量部分被设置在由抗腐蚀材料制成的变形件(e)内。

9.根据权利要求8所述的测压元件，其特征为，已在一个端面上形成所述薄膜电阻器(h)的承载件(f)通过焊接方式连接至所述变形件(e)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的测压元件，其特征为，所述薄膜电阻器以多个类似的惠斯通电桥(i)形式相互连接，电桥的输出信号(t)被分别评价，并由电子比较器电路进行评估。

11.根据权利要求6所述的测压元件，其特征为，所述薄膜电阻器在单片地施布于承载件(f)上的一个层中形成。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的测压元件，其特征为，配有施布于所述承载件(f)上、对输出信号(t)的零点及整个范围上的热效应进行补偿的热敏电阻器。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的测压元件，其特征为，所述承载件(f)包含其上所施布的薄膜电阻器(h1、h2、h3、h4)，形成一个标准传感器元件，可随时用于连接被焊接至变形件内的焊接法兰(g)。

14.根据权利要求13所述的测压元件，其特征为，所述标准传感器元件的承载件(f)上载有热敏电阻器。

15.根据权利要求13或14所述的测压元件，其特征为，所述变形件被设计使之，在预设标称载荷下的变形将使所述标准传感器元件发送一个幅值为预定值的信号。

16.根据权利要求15所述的测压元件，其特征为，构造相同的标准传感器元件可以在尺寸不同的变形件上使用，以提供具有不同标称载荷范围的测压元件。

17.根据权利要求15或16所述的测压元件，其特征为，两个与膜状变形件相邻的圆柱的直径(X)或壁厚(W)由变形件的设计进行调整。

18.根据权利要求15-17中任一项所述的测压元件，其特征为，适用于300至6000kN标称载荷的测压元件可由采用经调整变形件、具有相同构造的标准传感器元件提供。

19.根据前述权利要求中任一项所述的测压元件，其特征为，所述测压元件被调整安装在移动吊车、起重装置、钻探车辆或自驱式炮架的支承元件内。

20.根据权利要求1至10中任一项所述的测压元件，其特征为，所述薄膜电阻器以应变仪的形式、以粘合方式附着在所述测量部分上。

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