CN102365541B - 用于数字式测力传感器的温度补偿测试的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于实现数字式测力传感器的温度补偿测试的装置和方法。本装置利用传导式热传递用于在测试过程中建立和保持测力传感器的温度。本装置可以包括被测试的一个或多个测力传感器被放置于其内的容器。测力传感器的温度控制可以通过使温度控制的流体循环通过容器而实现。然后，将包含所述一个或多个测力传感器的容器放置于加载装置内，在测试过程中加载装置在所述一个或多个测力传感器上施加负载。来自所述一个或多个测力传感器的读数被用于建立每个被测试的测力传感器的温度补偿系数。在其它实施例中，测力传感器的温度控制可以通过使测力传感器与固体传热元件接触而实现。

Description

用于数字式测力传感器的温度补偿测试的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于建立数字式测力传感器的温度补偿系数的装置和方法。更具体地，本发明涉及用于在数字式测力传感器的制造过程中建立横跨数字式测力传感器的满量程的温度补偿系数的装置和方法。

背景技术

如此处使用的，术语数字式测力传感器通常可以包括被设计用于支撑要称量的负载的柱体或其它承载元件，一个或多个应变仪，它们与承载元件相关联并且被提供用于产生表示承载元件上的负载的信号，用于将应变仪的模拟输出信号转换成数字信号的模数(A/D)转换器，以及与A/D转换器相互作用用于处理和传递数字信号的微处理器和相关电路。这种测力传感器可能还包括用于存储各种校正系数的存储器等。在授予Benny N.Dillon等人的美国专利No.4,815,547中提供了对这种数字式测力传感器的一个实施例的完整描述。如这里解释的，当这种测力传感器的承载元件是柱体时，柱体可以被设计成但不要求是自动装配(self-erecting)摇动销。

在数字式测力传感器的制造过程中，希望建立来自每个测力传感器的一致的输出。确定此输出需要计算许多不同的性能特征，这些性能特征从测力传感器到测力传感器根据它们之间的材料和制造不同而不同。因此，典型地，这种测力传感器的输出必须被修改(补偿)以应对这些变化。

数字补偿的测力传感器需要在各种温度下进行热稳定并且进行测试，以识别出性能特征并且建立在那些温度中的每一个温度下的合适的补偿系数。典型地，这通过将感兴趣的测力传感器连接到测量仪器上、将测力传感器的温度升高到稳定的温度并且提取测量结果而实现。

用于为上述测试过程提供所必须的温度范围的最常用的方法包括将感兴趣的测力传感器放置于温度补偿腔内，利用典型的HVAC部件方便地在内部对流地产生和保持各种预期的测试温度。然而，使用这种装置和方法有许多缺点。例如，由于该腔在容纳被测试的测力传感器之外还必须容纳加载装置(用于在除零负载之外的点进行温度补偿)，所以已知的温度补偿腔尺寸很大。因为它们的大尺寸，通常需要非常长的时间来使已知的温度补偿腔到达初始的测力传感器热稳定温度和/或循环通过另外升高的测力传感器热稳定温度。同样，通常还需要相当大量的能量来允许这种温度补偿腔。

本发明的装置和方法提高了如上所述的温度补偿过程的效率。本发明的装置和方法克服了与用于进行数字式测力传感器温度补偿的已知装置和方法有关的前述缺点。

发明内容

本发明的装置和方法允许利用传导式而不是对流式热传递进行数字式测力传感器的温度补偿。因此，在测力传感器制造过程的温度补偿阶段期间，本发明的装置和方法能够在一个或多个预期的水平快速建立和稳定测力传感器的温度。

在本发明的一个示例性实施例中，测力传感器被放置于容器中，并且所述容器随后被填充有预先建立温度的液体，液体被在容器外面进行存储和控制。可选地，容器可以被装备有温度控制装置以改变其内包含的流体的温度。在任何情况下，使用这种容器优选允许包含测力传感器的整个容器被引入加载装置内，加载装置可以被保持于环境温度下-与要求加载装置被容纳在容器内相反。然后，在测力传感器在容器内保持于预期的温度的同时，加载装置可以在测力传感器上施加零至满量程之间的任何负载。

在本发明的可替代示例性实施例中，传导式热传递通过如下实现：使测力传感器与实质上的固体传热元件接触，所述固体传热元件可以通过任何数目的惯用方法加热或冷却。例如，这种传热元件可以包括热管、珀耳帖元件(Peltier elements)，或者温度可调的流体流经的装置。从实质上的固体传热元件到测力传感器的传导式热传递被用于调节和保持测力传感器的温度。

其它实施例，例如前述提及的示例性实施例的组合，也是可能的。然而，在所有情况下，本发明的装置和方法可以用于生产完全补偿的测力传感器，使它们在缩短了的温度补偿循环时间和减少了的能量需求的情况下被制造出来。

附图说明

除上述提及的特征之外，本发明的其它方面从下面的附图描述和示例性实施例中变得显而易见，其中，在所有图中相同的参考标记表示相同或等效的特征，并且其中：

图1示意出处于装配状态中的本发明的采用传热流体的温度补偿测试装置的一个示例性实施例；

图2示出其中盖被去除以显示出被补偿的多个测力传感器的图1的装置；

图3描述了图1的装置处于加载装置中，用于在其温度补偿过程中在测力传感器上施加负载的；

图4示意出处于装配状态中的本发明的采用传热流体的温度补偿测试装置的可选实施例；

图5示出了其中盖被去除以显示出被补偿的多个测力传感器的图4的装置；

图6a以及图6b的放大图示意性示意出处于装配状态中的本发明的采用传热固体的温度补偿测试装置；

图7是示出了图6a-6b的固体传热元件与加热/冷却流体的不同源之间的流体流动的示意图；以及

图8表示图6-7的装置的可选形式。

具体实施方式

如上所述，本发明的装置和方法利用传导式而不是对流式热传递建立和保持被补偿的一个或多个测力传感器的温度。在本发明的一个示例性实施例中，一个或多个测力传感器被设置于随后充填流体的容器内，所述流体被循环通过容器并且包围和接触测力传感器。流体的温度可以通过容器外面的装置控制，或者可选地，容器可以包括合适的温度控制装置。无论那种情况，优选地，整个容器可以被引入加载装置(load applicationdevice)以使容器内的测力传感器在不同负载(例如，额定载重量的0％，25％，50％，75％，100％)下的温度变化可以得到补偿。这种装置可以被设计成容纳一个或多个测力传感器。

在图1-2中示意了本发明的一个示例性温度补偿测试装置。如在图1中可以看到的，装配后，此示例性温度补偿测试装置5包括容器10，容器10具有座部分15和盖部分20。如图所示，盖部分20被设计为安装在座部分15内。在其它实施例中，座部分15可以安装在盖部分20内。

在任何情况下，座部分和盖部分20优选被置于密封接触中。为了有助于这种密封接触，此特殊的容器10被设有围绕着座部分15的内周边的密封件60(参考图2)和适于将盖部分20拉紧在座部分10上的多个锁闩机构25。如本领域内的技术人员理解的，用于在容器部件之间建立和保持密封接触的许多其它普通的容器设计和技术也可以使用。

在图1中还示出了许多流体端口30。这些流体端口30可以允许来自分离的源的流体(例如，水、油)循环通过容器10。例如，流体端口30可以被连接至控制流体温度的温度控制装置35。温度控制装置35自己可以加压流体用于供给至温度补偿测试装置5。可选地，温度控制装置35可以与分离的加压流体源相关联。如下面所描述的，本发明的其它实施例可以将流体全部置于容器内。在任何情况下，对于本领域内的技术人员来说，许多这种温度控制装置和类似设备是已知的，同样，在这里不需要提供关于它们的进一步细节。

现在参考图2，图中示出容器10的盖部分20被去除以使示例性温度补偿测试装置5的内部结构可以被看到。如图中可以看到的，此特殊的温度补偿测试装置5被设计成同时容纳和补偿九个数字测力传感器L。然而，如本领域内的技术人员认识到的，本发明的温度补偿测试装置的其它实施例可以被设计成容纳和补偿不同数目的测力传感器，包括一个测力传感器。

在图1-2的示例性温度补偿测试装置5中，九个测力传感器L被布置成三排，每排三个测力传感器。测力传感器L的第一排R₁在座部分15内被支撑在底壁15b或者与座部分的底壁连接的结构上。第二和第三排R₂、R₃被堆放在第一排R₁上方，每排通过测力传感器支撑/负载传递板(下面被称为“支撑板”)40分隔开。支撑/负载传递构件(下面被称为“支撑构件”)50从座部分10的底壁15b或者与底壁连接的结构向上延伸。支撑构件50优选沿着其中心轴线穿过每个支撑板40。优选地，每个支撑板40被设有尺寸足以允许支撑构件50无阻碍的通过的孔45。在本示例性实施例中，虽然支撑构件50和支撑板40中的关联孔45被示出为圆形截面，但应理解，其它截面形状也是可能的。例如，采用非圆形截面可以有助于支撑板40的正确对正。

如图2中所示，本示例性实施例中的每个支撑板40是大致三角形的形状并且具有某一厚度。由于图示的其中被补偿的测力传感器L被设置成三排的特殊设计，大致三角形形状的支撑板40允许最小尺寸的温度补偿测试装置5。很显然地，其它形状的支撑板和/或对其它测力传感器结构设计的支撑板可以用于本发明的其它实施例中。

不论什么形状，支撑板优选由具有足够强度的材料制成并且具有足够的厚度，以在测力传感器L承载时最小化或者防止支撑板变形(如下面所详细描述的)。优选地但不是必须地，支撑板和本发明的温度补偿测试装置5的其它部件由本身，或者被处理成，不受与被循环经过容器的流体接触有关的任何负作用(例如腐蚀、氧化)影响或抵抗所述负作用的材料制成。

因为在本示例性实施例中示出的特殊测力传感器L是摇动销设计(如本领域技术人员理解的)，每个支撑板40被提供有至少一组测力传感器接收器55(其也可以是支撑板和/或座部分中的测力传感器接收腔)，其被设计成接收并且可释放地保持测力传感器摇动销的一端。在本特殊温度补偿测试装置5中，一组三个测力传感器接收器55被设置于座部分15的测力传感器支撑壁15b上以及位于第三排R₃测力传感器L上方的最上面支撑板40的下侧上。第二排R₂每一侧上的支撑板40在该支撑板两个侧面都被提供有一组三个测力传感器接收器55。因此，当装配温度补偿测试装置5时，测力传感器L被测力传感器接收器55保持于支撑板40之间的位置。

如可以在图1和2中看到的，许多流体端口30被设置于座部分15中。不同数目的流体端口可以设置于本发明的不同温度补偿测试装置实施例上，所述数目取决于例如有关容器的尺寸和形状以及其内容纳的测力传感器的数目。虽然流体端口只被示出在温度补偿测试装置5的本实施例的座部分15中，但将这些端口设置于盖部分20中而不是将端口只设置于座部分中或者与设置于座部分中相结合当然也是可能的。然而，应注意，被经由温度控制装置35供给到容器10的流体通常具有升高的温度，并且，因为较热的流体趋于在容器内上升，所以在座部分15处引入流体可能是优选的，以在容器内提供更加均匀的流体温度。

如在图2中进一步示出的，一个或多个导管80可以被连接至一个或多个流体端口30并且延伸到容器10内。在操作中，这些导管80可以用于供给流体至容器内部/使流体从容器10内部返回。

如在图1中可以看到的，当装配温度补偿测试装置5时，最上面支撑板40被通过容器10的盖部分20暴露出来。如下面更详细描述的，这允许在温度补偿测试过程中加载装置的接合元件(参考图3)在测力传感器L上施加载荷。密封件(未示出)例如图2中示出的座部分密封件60可以被附贴到盖部分20的内壁上和/或附贴到最上面支撑板40的外周边，以帮助保证它们之间的充分密封。其它密封技术的使用例如使用o型圈和本领域技术人员已知的其它密封机构也可以用于此目的。

在其它实施例(未示出)中，盖部分20的顶表面可以包括一个或多个孔，孔的尺寸只允许最上面支撑板40的部分通过其暴露。孔的尺寸和位置可以设置成在测力传感器补偿过程中接收加载装置的对应元件。可以使用o型圈或通过本领域内已知的任何其它技术密封孔以抵抗泄漏。

进一步参考图2，可以理解，当测力传感器支撑结构处于分解的状态时，只有座部分15(及其相关联的测力传感器接收器55)和向上延伸的支撑构件50存在(虽然向上延伸的支撑构件也可以是可单独安装的元件)。因此，为了准备用示例性装置5进行温度补偿测试的测力传感器L组，典型地，将第一排R₁的每个测力传感器L的一端置于与座部分支撑壁15b关联的测力传感器接收器55上。当测力传感器L被保持在竖立位置上时(例如利用辅助件)，这三个支撑板40中的第一个被穿过支撑构件50并且向下滑动靠在测力传感器顶上，以使该支撑板底侧上的测力传感器接收器接合第一排测力传感器的对应一个的摇动销上端。对第二和第三排R₂、R₃测力传感器L重复此过程，以制造出图2中示出的结构。

测力传感器/支撑板结构完成后，可以将盖部分20装配到座部分15上，从而保证测力传感器的位置得到保持。然后可以将装配的容器10连接至被加压的且温度控制的流体源上，例如如上所述地。流体连接可以在温度补偿测试装置5安装到加载装置之前或之后完成。

在图3中示意性示出了图1的装配的温度补偿测试装置5被安装在加载装置65上。本示例性加载装置65本质上是具有活动压板(movingplaten)70的压力机，活动压板被适于接合温度补偿测试装置5的最上面支撑板40，并且通过在所述最上面支撑板上施加力而将负载施加到测力传感器上。不管温度补偿测试装置5和加载装置65的方向如何，施加到测力传感器L上的合力负载被沿其适当的力接收轴线指向。

参考图2可以理解，通过加载装置65施加到最上面支撑板40上的任何力将被经由其余的插入支撑板传递至每个相邻排的测力传感器L。优选地，可以调节加载装置65的压力以有助于测力传感器L在不同承载水平(loading level)的温度补偿测试。

在温度补偿测试过程中，在不同的承载水平，来自每个测力传感器L的读数被接收并且被记录。例如，可以在测力传感器的额定最大负载的0％，25％，50％，75％和100％处记录读数。当然，不在上述所指出的示例性承载水平，或者除上述所指出的示例性承载水平之外，还可以在许多其它承载水平处接收和记录测力传感器的读数。本领域技术人员应理解，来自测力传感器的读数被用于确定每个被测试的测力传感器的温度补偿常数。

为了有助于在温度补偿测试过程中连接到测力传感器上和/或从测力传感器连接出来，一个或多个连接器或端口P可以被提供于座部分15和/或盖部分20中。例如，并且如本特殊实施例中所示，单一端口可以被提供用于所有这三排R₁、R₂、R₃测力传感器L。可选地，可以为这三排R₁、R₂、R₃测力传感器L的每一个提供单独的端口。当端口被提供时，还可以还包括密封件用于保证穿过座部分15或盖部分20的任何布线的流体密封通过。可选地，密封的连接器可以被提供于座部分15和/或盖部分20中，以便一个或多个测力传感器L可以被连接至连接器的一侧而主机或其它装置被连接至连接器的相反侧。

端口P或连接器允许在温度补偿测试过程中测力传感器L的一些或所有被连接到主机或其它基于微处理器的装置上。测力传感器可以经由通信总线或通过本领域内技术人员已知的任何不同的技术连接到主机或其它装置上。

虽然在附图中示意了测力传感器L和主机或其它基于微处理器的装置之间的有线通信，但应理解这种通信还可以被无线地实现。例如，测力传感器可以被连接至位于容器内的无线发射器或收发器装置。然后，来自测力传感器L的读数可以被无线传输至与主机或其它基于微处理器的装置关联的相应收发器或发射器，消除了对穿过容器的通信端口的需要。因此，应理解，任何提及穿过所述容器的电子通信路径可以包括无线通信路径。

在本特殊实施例中，测力传感器和主机之间的通信通过指定测力传感器排R₁、R₂、R₃的每一排中的一个测力传感器L作为基准测力传感器向主机传送指定排的所有测力传感器的负载读数而得到了简化。也就是说，因为测力传感器的给定排的所有测力传感器上的负载应该相同，所以从每排的一个测力传感器进行负载通信足够了。在本实施例中，每个测力传感器上的负载可能进行单独报告。

在图4-5中示出了温度补偿测试装置100的另一示例性实施例。如图所示，本温度补偿测试装置100非常类似于图1-3中描述的温度补偿测试装置5。然而，与温度补偿测试装置5依赖外部温度控制装置调节传热流体的温度不同，本实施例的温度补偿测试装置100包括容纳在容器110内的内部温度控制装置105。内部温度控制装置105可以设置于容器内以循环和控制其内流体的温度，例如借助于竖直延伸的导管80。

一个或多个供给/排出端口120可以被提供，用于在开始时供给传热流体至容器110并且随后从容器排出传热流体。这种排出端口120可以设置于容器110的座部分115中，如图所示，但也可以设置于别处，作为上述位置的替代或附加。

除了增加温度控制装置105之外，本实施例的温度补偿测试装置100可以基本上类似于图1-3的温度补偿测试装置5。例如，本温度补偿测试装置100可以包括与前面的温度补偿测试装置5相同的支撑构件50、支撑板40和测力传感器接收器55。测力传感器L也可以与如上所述的相同的方式支撑在温度补偿测试装置100的容器110内，并且本装置也可如上所述地被安装到加载装置65和被测试的测力传感器L上。当然与温度补偿测试装置5一样，本实施例的温度补偿测试装置100也可以有其它设计。

本发明的温度补偿测试装置的又另一示例性实施例在图6a-6b和7中进行了描述。虽然类似于在图1-5中示出并且在上面描述的温度补偿测试装置5、100，但本实施例的温度补偿测试装置125通过使测力传感器130与固体传热元件135接触实现了传导式热传递，因此，消除了密封容器的需要。

图6a示意出测力传感器130在压力机140内被设置于上和下传热元件135之间。虽然为简单起见，图6-7示意性地表示传热元件被直接设置于测力传感器和压力机之间，但应了解，与图1-5中示出的相同或类似的结构也可以在本实施例中使用。

如在图6b的放大图中可以看出的，本实施例的传热元件135被划分为两个温度区T₁、T₂，它们优选通过隔热器145分隔开。每个温度区包括多个温度控制的流体可以经过的相应流道F₁、F₂。

从图6a的概要图中可以了解，在图6b中描述的传热元件135被定位成用于放置测力传感器130的上端。还应理解，位于测力传感器130底端的传热元件135处于相反的定向。同样，每个传热元件135的第一温度区T₁处于其隔热器145与压力机140之间。类似地，每个传热元件135的第二温度区T₂处于其隔热器145与测力传感器130之间。

现在参考图7的示意性布线图(plumbing diagram)，可以理解每个传热元件135的第一温度区T₁被置于与保持于环境温度或环境温度附近的加压流体源连通。优选地，每个传热元件135的第二温度区T₂可在保持于不同温度的加压流体源之间切换。例如，图7描述了这样一种系统，其中传热元件135的第二温度区T₂可在三个不同的加压流体源之间切换，每个加压流体源被保持于不同的温度。用这种方式，处于环境温度T_环境、低于环境温度T_低或高于环境温度T_高的流体可以流经传热元件135的第二温度区。这允许相关联的测力传感器130的传导加热或冷却，如参考图6a可以理解的，并且允许在任何不同的测力传感器温度下进行温度补偿测试。另外，通过将每个传热元件135的第一温度区的温度保持于环境温度下并且采用隔热器，可以保证预期的测试温度不受来自压力机140或其它结构的热传递影响。这种设计最小化了能量消耗并且允许非常短的温度稳定时间。

图6-7的传热元件135的可选形式150在图8中示出了。此装置150以类似于在上面关于图6-7的装置135所描述的方式操作。但是，与通过使流体流经来调节第一和第二传热元件温度区T₁、T₂中每一个的温度不同，本传热元件150的第一和第二温度区T₁、T₂通过珀耳帖元件155或类似装置控制。如本领域内技术人员所理解的，珀耳帖元件是其中热传递方向可以被控制的元件。因此，珀耳帖元件可以与传热元件一起使用，以与在上面关于图6-7的流体控制的实施例125所描述的相同的方式加热或冷却相关联的测力传感器。

虽然这里没有示出，但应该很显然的，装配后的温度补偿测试装置也可以以大体水平的方向安装到合适的加载装置上，并且这被认为落在本发明的范围内。

Claims (14)

1.一种温度补偿测试装置，用于在加载装置中进行至少一个数字式测力传感器的温度补偿测试，这通过将来自每个数字式测力传感器的读数提供至适于接收这种读数的装置上而实现，每个测力传感器具有第一和第二端，所述温度补偿测试装置包括：

流体密封的容器，用于容纳所述至少一个数字式测力传感器的每一个，所述容器包括座部分和顶部分，所述容器被配置成在测试过程中放置在所述加载装置中；

测力传感器接收器，其被设置于所述座部分中，用于接收和可释放地保持每个所述数字式测力传感器的第一端；

至少一个支撑板，其被设置于所述容器中，并且被配置成接收和可释放地保持每个所述数字式测力传感器的第二端；

所述容器内的流体路径，用于循环温度控制的流体；以及

穿过所述容器的电子通信路径，用于允许每个所述数字式测力传感器与适于在测试过程中接收所述读数的装置之间的通信。

2.根据权利要求1所述的温度补偿测试装置，其中：

所述容器容纳有多个数字式测力传感器，它们被成排叠放，每排之间设置有支撑板。

3.根据权利要求2所述的温度补偿测试装置，还包括：

与每个支撑板相关联的一个或多个测力传感器接收器，存在于每个支撑板给定侧上的测力传感器接收器的数目与存在于相关排中的数字式测力传感器的数目对应。

4.根据权利要求2或3所述的温度补偿测试装置，还包括：

大体垂直穿过每个支撑板的支撑构件。

5.根据权利要求2或3所述的温度补偿测试装置，其中：

所述支撑板为大体三角形的形状。

6.根据权利要求2或3所述的温度补偿测试装置，其中：

最上面的支撑板被通过所述顶部分暴露出来，用于与所述加载装置接触。

7.根据权利要求1所述的温度补偿测试装置，还包括：

用于控制在所述容器内循环的流体的温度控制器。

8.根据权利要求7所述的温度补偿测试装置，还包括：

用于在所述容器内循环流体的循环装置。

9.根据权利要求1所述的温度补偿测试装置，还包括：

将所述流体路径连接至温度控制流体的外部加压源的流体端口。

10.根据权利要求1所述的温度补偿测试装置，其中：

所述流体路径包括用于在其内部循环温度控制流体的位于容器中的至少一个流体导管，所述流体导管从所述座部分附近朝向所述至少一个支撑板延伸。

11.根据权利要求1所述的温度补偿测试装置，其中：

适于在测试过程中接收来自所述至少一个数字式测力传感器的读数的装置是主机。

12.一种在至少一个数字式测力传感器上进行温度补偿测试的方法，包括：

提供测试装置，所述测试装置包括：

用于容纳至少一个数字式测力传感器的流体密封容器，

测力传感器接收器，其被设置于所述容器的座部分中并且被配置成接收和可释放地保持所述至少一个数字式测力传感器的一端，

至少一个支撑板，其被设置于所述容器中并且包括被配置成接收和可释放地保持所述至少一个数字式测力传感器的相反端的另一测力传感器接收器，

流体路径，用于允许温度控制的流体在所述容器内循环，和穿过所述容器的电子通信路径，

在所述容器内相关联的一对测力传感器接收器之间放置至少一个数字式测力传感器；

密封所述容器；

将包含至少一个数字式测力传感器的所述容器放置于加载装置内；

通过所述电子通信路径将所述至少一个数字式测力传感器连接至适于在测试过程中接收来自所述至少一个数字式测力传感器的读数的装置；

提供一定量的温度控制流体至所述容器；

在所述容器内循环流体以使所述至少一个数字式测力传感器保持于预期的温度；

利用所述加载装置在所述至少一个数字式测力传感器上施加负载；以及

从所述至少一个数字式测力传感器上接收读数，用于产生所述至少一个数字式测力传感器的一个或多个温度补偿系数。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：

在所述放置至少一个数字式测力传感器的步骤中，多个数字式测力传感器被同时成排地叠放在容器中，在每排之间设置支撑板。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

操作每一排的单一测力传感器，以报告其所在的排中的所有测力传感器的负载。

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