CN102741673B - 用于自动校准应变或力传感器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于自动校准应变（1）或力传感器的方法和装置，所述应变或力传感器具有用于将机械负载转变成电输出信号的应变片电路（11），其中为了校准传感器（1）在第一或无负载运行状态下在分析电路（13）中分配定义的初始值并且在施加有负载的第二运行状态下在分析电路（13）中分配定义的终值。在此分析电路（13）在运行状态下从所分配的初始值和终值中借助于线性函数计算出对应的可显示的输出测量值。本发明的特征在于，在传感器（1）的固定装配的运行状态下校准利用集成在该传感器中的分析电路（13）自动进行。在此通过所控制的第一开关信号将初始值存储在分析电路（13）中并且通过所控制的第二开关信号将终值存储在分析电路（13）中，并且从中根据随后的负载计算出经校准的输出测量值。

Description

用于自动校准应变或力传感器的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于自动校准应变或力传感器的方法以及一种根据权利要求8的前序部分的用于执行该方法的测量装置。

背景技术

为了使测量设备开始运转，必须事先校准这些测量设备，以便能够为输出信号分配精确定义的测量值。此外在用于检查测量精度的运行持续时间内或者在检修措施之后还常常需要的是，重新校准这些测量设备。尤其是在用于应变和力测量的测量设备中，需要精确的校准及其时间上的重复，因为在较大测量误差的情况下这还可能容易导致对设备和人员的损害。这种应变或力测量装置常常用于在起重机、容器、桥梁、压力机、轧机机架和类似构造情况下的力负载。在此，优选用于直接应变测量的应变或力传感器被安装在容器底座、液压机等等处，以便根据负载来检测容器内含物或者压力。

这种传感器较长时间以来就已经是公知的并且迄今为止主要在交付之前用预先给定的校准砝码或者专门的检验设备来校准。除此之外也常常需要直接在顾客处校准，因为分配取决于应变或力传感器直接固定在的相应变形体的应变特性。

在应变或力传感器例如在容器底座处的这种使用情况下，首先在没有容器内含物的情况下进行校准，其中传感器于是必须与外部的分析装置连接，该分析装置于是为输出信号分配空载状态。接着用所定义的量例如水将容器填满直至标称填充态，并且在外部的分析和显示装置中将输出信号定义为满载。因为这种重量负载具有线性变化曲线，所以在外部的分析装置中在运行状态下从相应的输出信号中借助于线性函数计算出并且必要时显示负载或重量值。尤其是在这种大型设备中，这种利用外部分析装置的校准方法是非常耗费的并且大多数必须由外部的专业人员来实施。

从DE 102 37 513 B4中已知一种用于检验和校准容器称的外部装置。在该校准装置情况下设置刚性的框架，在该框架中布置液压的负载装置。在该负载装置下方布置具有至少一个称重单元的称，经过修改的容器底座被放在该称上。为了进行校准，于是用初始值和至少一个终值来加载该称。为此尤其是设置参考称重单元，通过该参考称重单元为初始值和终值分配固定的重量或力值，由此在具有从外部分配的分析装置的称中根据线性函数计算出重量值。利用这种校准装置，可以仅仅校准具有定义的变形体的单独的称或称重单元。因此，对未定义的变形体处的应变或力传感器的校准是不可能的。

从DE 44 33 163 A1中已知一种用于校准称的装置，所述称固定地装配在辊式试验台中。在此在该辊式试验台周围设置支座框架，负载装置支撑在该支座框架上，该负载装置另一方面位于辊式试验台上。在负载装置中布置有参考称，该参考称的参照值在布置在称重单元外部的分析装置中作为初始值和终值被分配给称。由于单独的支座框架和附加的负载装置，这种校准方法是非常耗费的并且也仅仅适用于中间放置的称重单元或者称。

从DE 199 11 086 C2中已知一种用于测力计和称重单元的高度精确的校准方法，该校准方法用所谓的力标准测量机来工作。在该力标准测量机中，分别要校准的称重单元用多个静载荷重量自动加载到至少标称力并且测力计或者称重单元的输出信号被分配给静载荷的相应重量。但是利用这种装置大多数情况下不能在现场在应变或力传感器的装配状态下进行校准。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是提出一种方法和一种装置，利用其可以通过简单的方式自动地、即在没有外部负载设备或者静载荷的情况下对装配运行状态下的不同的应变或力传感器进行校准。

本发明通过在权利要求1和8中说明的发明来解决。本发明的改进方案和有利的实施例在从属权利要求中说明。

本发明具有的优点是，通过集成在传感器中的分析电路利用自动校准可以在没有外部负载装置以及没有外部分析装置的情况下通过简单的方式进行传感器的校准。尤其是为此不需要参考加载机或者参考传感器，而是校准可以有利地在相应的应用情况下被实施并且被调整到设置的测量范围上。该方法同时所具有的优点是，其可以在传感器的正常运行状态下进行，而不必将该传感器从测量对象上拆卸下来并且因此也可以有利地在测量对象现场进行校准方法。

本发明所具有的优点还有，可以通过程序控制的计算装置也全自动地并且因此也以预先给定的时间间隔没有任何专业人员地来实施该校准方法。这在这种具有集成分析电路的传感器被替换或者事后被使用时是尤其有利的，因为这不需要外部装置和方法。

在此，本发明的装置所具有的优点是，该装置可非常紧凑地实施并且因此可容易地通过简单的方式在许多可加载的机器部分上被使用和加装以用于监视或者作为过载保护。为此可以将具有集成分析电路的这种传感器在最简单的实施中简单地在可高加载的机器部分的加载方向上固定到所述机器部分上。

通过借助于仅两个负载状态的校准，不仅零和标称载荷校准是可能的，而且其它载荷状态的单独的校准也有利地是可能的。因此，有利地，任意载荷状态的校准以及对任意机器部分的经校准的监视或者过载监督是可能的，其中所述机器部分经受临界的负载。

在一个特别的校准方法中——其中将零载荷分配给提高的输出电压和将标称载荷分配给降低的输出电压，所得出的优点是，负的负载以及高于标称载荷的这样的负载也可以精确地显示或者用信号通知。

附图说明

根据在附图中示出的实施例更详细阐述本发明。其中：

图1示出具有集成分析电路的应变传感器的框图。

具体实施方式

在附图的唯一的图中示出应变或力传感器1的框图，其中集成有用于对传感器1进行自动校准的电子分析电路13。

该应变或力传感器1被构造为应变片传感器10，其优选包含由弹性的专用优质钢或者铝构成的板状变形体。在该变形体10上优选施加四个作为电阻的应变片11，这些应变片11接线成惠斯登（Wheatstoneschen）测量桥14。该板状变形体10还具有至少两个固定孔12，利用所述固定孔12将该板状变形体10固定到起重机、容器或者压力机的可加载力的构件上作为测量体，该测量体的力负载应当被检测。测量桥14在此提供输出信号，该输出信号与测量体的应变并且由此与力负载或者重量负载成比例。测量桥14的输出端与集成在传感器1中的电子分析电路13连接，该分析电路13基本上由A/D转换器2、校准电路3、存储电路4、计算电路5以及D/A转换器6组成。在此，为此所需的电子构件安装在未示出的小电路板上，该电路板优选布置在变形体10的凹陷15中并且用塑性的浇注材料无力分流地（kraftnebenschlußfrei）浇注在该变形体10中。由此形成紧凑的应变传感器1，该应变传感器1在所设置的实施中构造为方形的并且优选具有大约90mm的长度、大约25mm的宽度和大约10mm的厚度。但是根据应用目的也可以设想其他的形状和尺寸。

这种实施可以通过简单的方式旋紧在很多机器或者构件的可加载力的部分上，这些部分的负载应当被检测。为了电流供应、为了校准以及为了测量值显示，传感器1配备有向外引导的至少五芯的未示出的连接缆线。这至少包含用于校准的线路17、用于配衡的线路18、用于显示的线路16以及用于电流供应的两个线路。为了在分析电路13之外进行校准，还设置了用于产生第二开关信号的校准开关7，该校准开关7与校准电路3电连接。为了产生第一开关信号或者为了配衡，还设置有配衡开关8，该配衡开关8同样与校准电路3连接。为了显示，在传感器1之外还设置有显示装置9，该显示装置9经由连接缆线的至少一个显示线路16与D/A转换器6电连接。

为了测量和校准，前述的传感器1按照下面的方法工作：

首先将应变传感器1力配合地固定在可加载的机器部分上，该机器部分用作为测量体或者测量对象。通过该测量体的机械负载，得出测量体处的传递到应变传感器1上的长度变化。由于该长度变化，所施加的应变片11的电阻与应变成比例地改变。该电阻变化由未示出的直流电压放大器在测量桥14的输出端处转换成电测量信号。在此，应变传感器1优选是针对500μm/m的应变和0至10V（＝100％）的传感器输出电压而设计的。

在校准期间，所述输出电压可以根据线性特征曲线分配给特定的初始值或终值。在未加载的第一状态下，初始值位于特征曲线零点，其表示所谓的配衡（Tara）函数，并且在所述特征曲线零点中大多数情况下应当进行零载荷显示。该未校准的输出信号现在由测量桥14检测并且在随后的模拟数字转换器2中转换成数字值。该特征曲线始端当在校准电路3中对该数字输出信号进行校准时被分配给1伏（＝+10％）的输出电压电平。为此，为了进行零点校准在该第一、优选无负载的状态下首先操作配衡开关8，通过该配衡开关8的第一开关信号在校准电路3中为所述初始值分配1伏（＝10％）的输出电压，从而优选地也可显示负应变。该初始值现在作为零点被保存在存储电路4中。但是，该初始值或者起点可以优选地选自+0％至+20％的范围。

然后，该测量对象或者测量体在机械上被加载直至第二状态、优选直至其标称值。测量桥14的由此产生的输出信号现在在A/D转换器中被数字化并且被输送给校准电路3。在标称负载时的该第二运行状态下，现在操作校准开关7，该校准开关7产生第二开关信号，通过该第二开关信号，输出信号被分配给特征曲线的终点作为9V（＝90％）的输出电压的终值并且同样被保存在存储电路4中。通过分配9V处的终值实现，也仍在标称值以上的直至10V（＝100％）的输出值是可精确检测的。但是，终值或者终点可以优选地选自从终点的－0％至+20％的范围。

在存储电路4中，附加地还存储有定义的输出测量值，这些输出测量值被分配给预先给定的初始值和终值，并且通过其可以为测量桥14的每个输出信号计算出定义的负载力或者相对的按百分比的负载值来作为输出测量值。利用校准电路3内的这些分配和存储电路4中的所保存的值，为相应的测量对象自动订立校准过程。

这种校准还可以全自动地进行。于是可以借助于未示出的程序控制的计算装置将测量对象从第一运行状态（例如配衡状态）控制到第二运行状态（例如标称值状态）。在此可以于是借助于另一未示出的程序控制的开关装置来产生第一开关信号，通过该第一开关信号在配衡状态下将输出信号在校准电路3内分配给特征曲线的初始值。通过该程序控制的开关装置可以在达到第二运行状态时、例如在达到标称负载时实现第二开关信号，通过该第二开关信号确定特征曲线终点。程序控制的计算和开关装置也可以集成在分析电路13中。

这样的自动式校准过程也可以以时间间隔自动进行，从而中间时间偏差也可以由此被校正，这改善了传感器1的测量精度。通过这种方法也可以在零载荷之外以及在标称载荷之外对应变传感器1进行校准。因此通过触发配衡开关8的第一开关信号仅仅将测量桥4的输出信号的相应输出值设置到特征曲线始端上。在另一负载的情况下，于是可以通过借助于校准开关7触发第二开关信号来将该输出值作为测量桥14的相应输出信号设置到特征曲线终点上。就此而言，传感器1根据应用情况也可被单独地校准。

在该集成的校准之后，测量桥1的每个所检测的输出信号在模拟数字转换器2中被数字化并且然后被输送给计算电路5。然后在该计算电路5中，根据在存储器4中所存放的校准值计算出瞬时的负载测量值作为输出测量值。该输出测量值然后在数字模拟转换器6中被转换成模拟输出测量值并且被输送给显示装置9以用于显示或者继续处理。所述输出测量值于是可以被显示或者被用于用信号通知或用于关断所监视的测量对象。

Claims (10)

1.用于自动校准应变（1）或力传感器的方法，所述应变或力传感器具有用于将机械负载转变成电输出信号的测量桥（14），其中为了校准传感器（1），根据线性特征曲线在第一无负载运行状态下在分析电路（13）中分配定义的初始值并且在施加有负载的第二运行状态下在分析电路（13）中分配定义的终值，其中分析电路（13）在运行状态下从所分配的初始值和终值中借助于线性函数计算出对应的可显示的输出测量值，其特征在于，在传感器（1）的固定装配的运行状态下，校准利用集成在该传感器中的分析电路（13）自动进行，其方式是，通过所控制的第一开关信号将初始值存储在分析电路（13）中并且通过所控制的第二开关信号将终值存储在分析电路（13）中，并且该分析电路（13）从中根据随后的负载计算出输出测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在无负载的第一运行状态下测量桥（14）的所检测的输出信号在分析电路（13）的校准电路（3）中基于配衡开关（8）的第一开关信号被分配给线性负载特征曲线的始点并且具有加载标称载荷的第二运行状态的第二输出信号在分析电路（13）的校准电路（3）中基于校准开关（7）的第二开关信号被分配给线性负载特征曲线的终点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，测量桥（14）的分配给始点和终点的输出信号以及特征曲线的中间值被输送给分析电路（13）的存储电路（4）并且在那里被存储并且被分配给预先给定的定义的输出测量值。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于，所检测的输出信号基于第一开关信号被分配给负载特征曲线的高了0至20％的始点，并且输出信号基于第二开关信号被分配给负载特征曲线的减小0至20％的终点。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，测量桥（14）的具有分配给其的所定义的输出测量值的相应输出信号在分析电路（13）的计算电路（5）中被换算成经校准的输出测量值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，经校准的输出测量值能在显示装置（9）中显示或者能在超过极限值时用信号通知。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于程序控制的计算装置自动操控配备有传感器（1）的测量对象的第一和第二运行状态并且在此利用程序控制的计算装置自动产生第一和第二开关信号，由此所述校准在初始运行状态下或者以时间间隔全自动进行。

8.用于执行根据权利要求1至7之一所述的方法的装置，其特征在于，传感器包括具有其上所施加的应变片（11）和至少两个固定区域（12）的平坦矩形变形体（10），其中在传感器（1）中集成有电子分析电路（13），该电子分析电路至少包含校准电路（3）、存储电路（4）以及计算电路（5）。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，分析电路（13）的校准电路（3）与至少一个校准开关（7）和配衡开关（8）连接，借助于其在第一运行状态下产生第一开关信号并且在受到加载的第二运行状态下产生第二开关信号。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，分析电路（13）的计算电路（5）或数字模拟转换器（6）与显示装置（9）连接，该显示装置（9）用于显示经校准的输出测量值。