CN102889953A

CN102889953A - 用于测力的测量元件、测力传感器及测量组件

Info

Publication number: CN102889953A
Application number: CN2012102366719A
Authority: CN
Inventors: A.梅尔莫尔; M.米特什; F.罗比尔
Original assignee: Steyr Daimler Puch Fahrzeugtechnik AG and Co KG
Current assignee: Magna Steyr Automotive Technologies
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-09
Also published as: US9127997B2; EP2549253A1; EP3239676A1; CN102889953B; US20130061689A1; EP2549253B1

Abstract

本发明涉及用于测力的测量元件、测力传感器和测量组件。提出的用于测力的测量元件(1a..1c)包括两个相互间隔开的核心部(2a,2b)和四个完全相同的相互间隔开的连结板(A..D,A'..D')，连结板沿纵轴(z)定向，布置成正方形(Q)，并连接两个核心部(2a,2b)。仅在连结板(A..D,A⁶..D⁶)上设置测力传感器(3a,3b,3A..3D,11,12,21,22,31..34)。此外，提出的测力传感器(3a,3b,3A..3D)包括用于测量沿第一方向(z)的力的两个第一应变仪(11,12)、用于测量与其垂直的力的两个第二应变仪(21,22)、用于测量与其成+45°角的力的至少一个第三应变仪(31,33)，以及用于测量与其成-45°角的力的至少一个第四应变仪(32,34)。应变仪(11,12,21,22,31..34)布置在共同的基板上。最后，还提出了一种与测量元件(1a..1c)一起使用的测量组件。

Description

用于测力的测量元件、测力传感器及测量组件

相关申请

本发明基于2011年7月19日在美国提交的临时申请US61/509,185和2012年3月7日在欧洲专利局提交的EP 12158446.0，这两个申请通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及一种用于测力的测量元件，包括两个相互间隔开的核心部，其各自具有用于引入要测量的力的至少一个安装表面；四个完全相同的相互间隔开的连结板(web)，连接板沿纵轴定向，布置成正方形，且在沿纵向线间隔开的连接面处连接到两个核心部上；以及位于连结板中的每个上的测力元件。本发明还涉及一种测力传感器和具体地与开始所述的测量元件联合使用的用于测力的测量组件。

背景技术

借助于测量元件的变形测力在原理上是公知的。例如，CN 2156494 Y公开了一种用于此目的的测量元件，该测量元件在一部分中包括沿纵轴定向的四个相互间隔开的连结板，测力传感器附接至所述连结板。这些可用于确定垂直于所述纵轴的力。为了测量沿所述纵向方向的力，从CN 2156494 Y中所知的测量元件具有位于另一部分中的两个附加的连结板，所述连结板具有测力传感器。测量元件的其它示例例如可以从DE 37 01 372 A1和US3,696,317 A中获知。

CN 2156494 Y中公开的测量元件的缺点在于，就设计而言相对复杂，而就体积而言也相对较大。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种改进的测量元件、改进的测力传感器和改进的测量组件。具体而言，能够实现通过简化的设计测量三维力。

本发明的目的由开始所述类型的测量元件实现，该测量元件仅包括位于连结板上的测力传感器。

此外，本发明的目的由一种测力传感器实现，包括位于共同的基板上的

-用于测量沿第一方向的力的两个第一应变仪，

-用于测量垂直于所述方向的力的两个第二应变仪，

-用于测量与所述方向成+45°角的力的至少一个第三应变仪，以及

-用于测量与所述方向成-45°角的力的至少一个第四应变仪。

具体而言，呈现的测力传感器具有

-用于测量与所述方向成+45°角的力的两个第三应变仪，以及

-用于测量与所述方向成-45°角的力的两个第四应变仪。

此外，本发明的目的还由具有上述类型的测量元件的测量组件实现，其中在用于测量沿测量元件的所述纵轴的力的惠斯登测量电桥(Wheatstonemeasuring bridge)的四个部分中，以下的传感器以固定的方向(sense ofdirection)布置：

-在第一部分中布置有，第一连结板的第一测力传感器和相对的第三连结板的第一测力传感器，

-在第二部分中布置有，邻近第一连结板的第二连结板的第二测力传感器和与第二连结板相对的第四连结板的第二测力传感器，

-在第三部分中布置有，第二连结板的第一测力传感器和第四连结板的第一测力传感器，以及

-在第四部分中布置有，第一连结板的第二测力传感器和第三连结板的第二测力传感器。

最后，本发明的目的还由具有上述类型的测量元件的测量组件实现，其中在用于测量垂直于第一连结板的测量平面的力的惠斯登测量电桥的四个部分中，以下的传感器以固定的方向布置：

-在第一部分中布置有，邻近第一连结板的第二连结板的第三测力传感器，

-在第二部分中布置有，第二连结板的第四测力传感器，

-在第三部分中布置有，与第二连结板相对的第四连结板的第四测力传感器，以及

-在第四部分中布置有，第四连结板的第三测力传感器。

因此，能够实现不费力地进行三维力测量。这样所需的测量元件在设计上相对简单，且仅需要很小的安装空间。

术语"测力传感器"应当理解为，意指经由其最终能够确定力的传感器。通常，其优选地直接测量的是应变而不是力。

在本发明的范围内，"测力传感器"能够设置成测量仅沿一个方向的力或应变，或可形成为这样的独立传感器的组合。

在本发明的范围内，"布置成正方形"意指连结板横截面的重心位于正方形的侧边的中点，两个相邻的连结板的横截面在各情形中均相对于彼此旋转90°，而连结板的全部横截面关于所述正方形的主轴对称。

"连结板的纵轴"延伸穿过所述正方形的重心，且定向成与其垂直。

"测量平面"为其中布置有附接至连结板的测力传感器的任何平面。

由从属权利要求和结合附图的描述形成了本发明的其它有利实施例和改进。

如果位于连结板中的每个连接板上的测力传感器完全相同，则提供了测量元件的有利变型。因此，提供了关于由测力传感器接收到的信号的对称条件，从而简化了所述信号的求值。

如果每个连结板具有定向成与连结板纵轴平行的测量平面，尤其是该测量平面还与所述正方形的侧边平行，并且如果在每个测量平面中设置有完全相同且对称布置的测力传感器，则是有利的，各自包括：

-用于测量沿测量元件的所述纵轴的力的两个第一测力传感器，

-用于测量垂直于所述纵轴的力的两个第二测力传感器，

-用于测量与所述纵轴成+45°角的力的至少一个第三测力传感器，以及

-用于测量与所述纵轴成-45°角的力的至少一个第四测力传感器。

因此，可以利用该测量元件来测量所有三维的力，其中由于对称设计，测力和接收的测量信号的求值特别地准确。因此根据本发明的设计，未加载的支路/通道的串扰被最小化，且因此提高了测量精度。通过测量元件的对称设计和通过测力传感器(优选地为应变仪)的选择布置这两者使测量误差最小化。

并且，在这点上，如果：

-用于测力的每两个第三测力传感器布置成与所述纵轴成+45°的角，以及

-用于测力的每两个第四测力传感器布置成与所述纵轴成-45°的角，那么特别地有利。

因此，可以形成对称或关于两个轴点对称的测力传感器。通过对称更进一步地简化了力测量。

如果测力传感器形成为应变仪，则是有利的。因此，测量元件、测力传感器和测量组件可在实践中容易地实施，因为使用了容易获得的可靠的测量传感器。

如果测量元件的核心部完全相同，尤其是具有相互平行的安装表面，则也是有利的。这样，测量元件可通过完全相同的操作使用在两个不同位置。因此，可避免将测量元件安装到要测量的部件中时产生的误差。

如果连结板形成为平行于纵轴定向的棱柱，则是有利的。如果棱柱/连结板的横截面为矩形，则在这点上是特别有利的。这样，可容易地制造出连结板。当然，还可选择不同于矩形截面的横截面。例如，连结板可形成为具有半圆形、梯形或三角形横截面的条。

如果测量元件为点对称的，则是特别有利的。由于高度对称，通过使用这些测量元件，可以来特别容易地实施力的测量和测量信号的求值。

如果测量元件形成为单件，则是特别有利的。这样，可确保测量元件中的高度一致的材料属性，及由此导致的高水平的测量精度。

如果连结板的宽度小于其两个相邻连结板之间的距离，则是有利的。这样，确保了连结板可自由地移动。此外，例如，如果测量元件由实心材料铣出，则由此还可提供用于铣刀的通路。

此时应注意的是，公开的关于测量元件的变型和产生的优点同样涉及测力传感器和测量组件，反之亦然。

本发明的上述实施例和改进可以以任何方式组合。

附图说明

下文将基于附图中的示意图示出的示例性实施例来更为详细地阐述本发明。在附图中：

图1示出了测量元件的第一示例；

图2与图1一样，但具有位于内部的凸台(podium)状部分；

图3与图2一样，但具有中部渐缩(taper)的连结板；

图4示出了具有多个独立传感器的力传感器的第一示例；

图5与图4一样，但具有附加的成对角布置的测力传感器；

图6示出了用于测量z方向上的力的示例性的测量组件；

图7示出了用于测量x方向上的力的示例性的测量组件；以及

图8示出了用于测量y方向上的力的示例性的测量组件。

具体实施方式

图1示出了用于测力的测量元件1a的第一示例，包括两个相互间隔开的核心部2a,2b，其各自具有用于引入要测量的力的至少一个安装表面、以及四个完全相同的相互间隔开的连结板A..D，连结板A..D沿纵轴z定向，布置成正方形，且在沿纵轴间隔开的连接面处连接两个核心部2a,2b。测力传感器3A..3D布置在所述连结板A..D中的每个上。否则，测量元件1a就不包括另外的测力传感器。

在图1中具体示出的示例中，核心部2a,2b完全相同，且具有相互平行的安装表面，安装表面中设置有多个安装孔。在该示例中，测量元件1a的连结板A..D形成为棱柱，该棱柱平行于纵轴z定向且横截面为矩形。此外，测量元件1a可形成为单件的，且例如可由实心金属铣出。然而当然，测量元件1a也可由独立部分构成。

图2示出了测量元件1b的另一示例，测量元件1b很类似于测量元件1a。然而，与测量元件1a不同的是，可以看到凸台状部分位于测量元件1b内，且为未完全铣掉的内部的余料。然而，这些并不干扰测量过程，因此通过该途径极大缩短了用于生产测量元件1b的加工过程，且延长了加工工具的使用寿命。还可从图2中清楚地看出，测量元件1b的连结板A..D的宽度b小于与其相邻的两个连结板A..D之间的距离a。测量元件1a同样也是这样。因此，确保了连结板A..D可自由地移动，且还确保提供了用于铣制工具进入的通路。

最后，图3以平面视图和正视图中示出了测量元件1c的第三示例，与测量元件1a和1b相比，所述测量元件同样具有相似的设计。然而，与其不同的是，测量元件1c不具有任何棱柱形的连结板，而是具有连结板A⁶..D⁶，其在中部逐渐变细，且还在任何截面平面中都为矩形的横截面。

图3中还可清楚地看出，连结板A⁶..D⁶布置成"正方形"。这意味着连结板横截面的重心S位于正方形Q的侧边的中点(由图3中的点示出)。此外，两个相邻的连结板A⁶..D⁶的横截面相对于彼此旋转90°，且连结板A⁶..D⁶的全部横截面关于所述正方形Q的主轴对称。测量元件1c和连结板A⁶..D⁶的纵轴z延伸穿过所述正方形Q的重心，且定向为与其垂直。此时应注意的是，测量元件1a,1b的连结板A..D也布置成"正方形"。测量元件1a..1c也具有另外的特殊性质。更具体而言，它们关于点P成点对称。

图4示出了测力传感器3a，其包括多个独立的传感器11,12,21,22,31,32，它们各自测量一个方向上的力。因此，力传感器3a形成为成组的这些独立的传感器11,12,21,22,31,32，在此情况下，这些传感器形成为应变仪。具体而言，测力传感器3a包括：位于共同的基板上的

-用于测量沿第一方向z的力的两个第一应变仪11,12，

-用于测量垂直于所述方向z的力的两个第二应变仪21,22，

-用于测量与所述方向z成+45°角的力的第三应变仪31，以及

-用于测量与所述方向z成-45°角的力的第四应变仪32。

图5示出了另一测力传感器3b，其很类似于图4中所示的测力元件3b。与其不同的是，测力传感器3b包括：

-用于测量与所述方向z成+45°角的力的两个第三应变仪31,33，以及

-用于测量与所述方向z成-45°角的力的两个第四应变仪32,34。

图6至图8示出了如何一起使用测量元件1a..1c与力传感器3a,3b。

在本发明的范围内，"测力传感器"可设置为仅在一个方向上测量力(“独立传感器")或可形成这些传感器的组合。在提供的示例中，测量元件1a配备有力传感器3b(见图5)，其各自形成为成组的独立传感器11,12,21,22,31..34。例如，这些被胶合。然而当然，测量元件1a还可以配备有对应的独立传感器。

测量元件1a的各连结板A..D均具有测量平面，该测量平面定向为平行于连结板A..D的纵轴z。在图6中所示的示例中，连结板A..D的测量平面也定向成平行于正方形Q的侧边(也见图3)。换言之，连结板A..D的测量平面位于所述连结板的外表面上。然后，完全相同和对称布置的测力传感器11A..12D，21A..22D，31A..34D设置在各测量平面中。例如，以下布置在连结板A上：

-用于测量沿所述纵轴z的力的两个第一测力传感器11A,12A，

-用于测量垂直于所述纵轴z的力的两个第二测力传感器21A,22A，

-用于测量与所述纵轴z成+45°角的力的两个第三测力传感器31A,33A，以及

-用于测量与所述纵轴z成-45°角的力的两个第四测力传感器32A,34A。

连结板B..D类似地配备有测力传感器11B..12D,21B..22D,31B..34D。

为了测量该测量元件1a的纵轴z上的力，提出了一种包括测量元件1a的测量组件，其中在用于测量该力的惠斯登测量电桥的四个部分中，以下的传感器以固定的方向布置：

-在第一部分中布置有，第一连结板A的第一测力传感器11A,12A和相对的第三连结板C的第一测力传感器11C,12C，

-在第二部分中布置有，邻近第一连结板A的第二连结板B的第二测力传感器21B,22B，以及与第二连结板B相对的第四连结板D的第二测力传感器21D,22D，

-在第三部分中布置有，第二连结板B的第一测力传感器11B,12B和第四连结板D的第一测力传感器11D,12D，以及

-在第四部分中布置有，第一连结板A的第二测力传感器21A,22A和第三连结板C的第二测力传感器21C,22C。

在操作期间，电压源沿一条对角线连接到测量电桥，而伏特计沿另一条对角线连接。测量电桥接收到的信号以本身已知的方式求值，且因此将不再更为详细地说明。

应当注意的是，图6中仅示出了用于测量沿纵向方向z的力所需要的应变仪11A..12D,21A..22D。图6中省略了应变仪31A..34D，以便提供改善的概览。

图7示出了垂直于连结板A..D的测量平面的力是如何测量的。更具体而言，图7中测量方向朝连结板A或C的测量平面的力，即是说沿x方向的力。为此，在惠斯登测量电桥的四个部分中，以下的传感器以固定的方向布置：

-在第一部分中布置有，邻近第一连结板A的第二连结板B的第三测力传感器31B,33B，

-在第二部分中布置有，第二连结板B的第四测力传感器32B,34B，

-在第三部分中布置有，与第二连结板B相对的第四连结板D的第四测力传感器32D,34D，以及

-在第四部分中布置有，第四连结板D的第三测力传感器31D,33D。

从所示示例中可容易地看出，如果连结板A和C互换，测量电桥的设计也没有改变。

应当注意的是，图7中仅示出了测量垂直于纵向方向z的力所需要的应变仪31A..34D。图7中省略了应变仪11A..12D，21A..22D，以便提供改善的概览。

图8示出了如何测量垂直于连结板B或D的测量平面的力，即是说，沿y方向的力。连结板A,C和B,D在已经示出的测量电桥中互换了共用。在惠斯登测量电桥的四个部分中，以下的传感器因而以固定的方向布置：

-在第一部分中布置有，邻近第二连结板B的第一连结板A的第三测力传感器31A,33A，

-在第二部分中布置有，第一连结板A的第四测力传感器32A,34A，

-在第三部分中布置有，与第一连结板A相对的第三连结板C的第四测力传感器32C,34C，以及

-在第四部分中布置有，第三连结板C的第三测力传感器31C,33C。

从所示示例中可容易地看出，如果连结板B和D调换，测量电桥的设计也没有改变。

通过叠加沿x方向、y方向和z方向上的力分量，可容易地确定合力。

在图6至图8中，已经使用了如图5中所示的测力传感器11,12,21,22,31...34的布置。然而，这绝不是必需的。例如，还可使用根据图4的布置。在根据图6的测量电桥中，仅使用了传感器31代替传感器31和33，且仅使用了传感器32代替传感器32和34。如果提供多个传感器来代替独立的传感器，可以将采用类似的途径。例如，如果传感器11由多个独立传感器形成，则一系列连接的独立传感器将插入相应的测量电桥中，等。

最后，应当注意的是，所示的示例实际上是本发明的有利的实施例，然而所公开的原理的变型也是可行的。例如，连结板A..D，A⁶..D⁶的横截面不必为矩形。例如，还可以想到的是，连结板A..D，A⁶..D⁶具有半圆形或三角形的横截面。核心部2a,2b和其安装表面也可适应相应的安装条件而不用改变测量原理。因此，它们不必是完全相同的。此外，测量平面不必位于所示位置或所示地点。例如，还可以想到的是，测量平面位于在连结板A..D,A⁶..D⁶的内面上或其侧面上。对于所示的测量原理，也不是绝对必要的是测力传感器3a,3b,3A..3D,11,12,21,22,31..34形成为应变仪。例如，还可想到的是使用压敏传感器、磁性传感器或光学传感器等。例如，后者也包括光纤布拉格光栅。对于所示测量原理也不是必需的是，测量元件1a..1c关于点P成点对称，尽管由于对称的原因这是有利的。

最后要说明的是，在适当的情况下，未按比例示出图中的部件，且图中所示的独立的变型也可形成为独立的发明的主题。如"右"、"左"、"顶部"、"底部"等的位置指示指的是相应部件的所示位置，且如果改变指定的位置，则将相应地改变。还应注意的是，在没有脱离本发明的基本构思的情况下，所示的测量元件、测力传感器和测量组件当然可具有多于所示的部件。

Claims

1.用于测力的测量元件(1a..1c)，包括：

-两个相互间隔开的核心部(2a,2b)，各自具有至少一个用于引入要测量的力的安装表面，

-四个完全相同的相互间隔开的连结板(A..D,A'..D')，该连结板沿着纵轴(z)定向，布置成正方形(Q)，并在沿纵轴间隔开的连接面处连接至两个核心部(2a,2b)，以及

-位于所述连结板(A..D,A'..D')中的每个连接板上的测力传感器(3a,3b,3A..3D,11,12,21,22,31..34)，

其特征在于，

测量元件(1a..1c)仅包括这些测力传感器(3a,3b,3A..3D,11,12,21,22,31..34)。

2.根据权利要求1所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，位于连结板(A..D,A'..D')中的每个连接板上的测力传感器(3a,3b,3A..3D,11,12,21,22,31..34)是完全相同的。

3.根据权利要求2所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，每个连结板(A..D,A'..D')均具有测量平面，所述测量平面定向成平行于连结板(A..D,A'..D')的纵轴(z)，并且其特征在于，在每个测量平面中设置有完全相同的且对称布置的测力传感器(3a,3b,3A..3D,11,12,21,22,31..34)，各自包括：

-用于测量沿所述纵轴(z)的力的两个第一测力传感器(11,12)，

-用于测量垂直于所述纵轴(z)的力的两个第二测力传感器(21,22)，

-用于测量与所述纵轴(z)成+45°角的力的至少一个第三测力传感器(31,33)，以及

-用于测量与所述纵轴(z)成-45°角的力的至少一个第四测力传感器(32,34)。

4.根据权利要求3所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，

-用于测量与所述纵轴(z)成+45°角的力的两个第三测力传感器(31,33)，以及

-用于测量与所述纵轴(z)成-45°角的力的两个第四测力传感器(32,34)。

5.根据权利要求1所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，测力传感器(3a,3b,3A..3D,11,12,21,22,31..34)形成为应变仪。

6.根据权利要求1所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，核心部(2a,2b)是完全相同的。

7.根据权利要求1所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，连结板(A..D)形成为定向成平行于纵轴(z)的棱柱。

8.根据权利要求7所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，棱柱/连结板(A..D)的横截面为矩形。

9.根据权利要求1所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，其关于点(P)成点对称。

10.根据权利要求1所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，其形成为单件。

11.根据权利要求1所述的测量元件(1a..1c)，其特征在于，连结板(A..D,A'..D')的宽度(b)小于其相邻的两个连结板(A..D,A'..D')之间的距离(a)。

12.测力传感器(3a,3b,3A..3D)，包括：位于共同的基板上的

-用于测量沿第一方向(z)的力的两个第一应变仪(11,12)，

-用于测量垂直于所述方向(z)的力的两个第二应变仪(21,22)，

-用于测量与所述方向(z)成+45°角的力的至少一个第三应变仪(31,33)，以及

-用于测量与所述方向(z)成-45°角的力的至少一个第四应变仪(32,34)。

13.根据权利要求12所述的测力传感器(3a,3b,3A..3D)，其特征在于，

-用于测量与所述方向(z)成+45°角的力的两个第三应变仪(31,33)，以及

-用于测量与所述方向(z)成-45°角的力的两个第四应变仪(32,34)。

14.包括根据权利要求3所述的测量元件(1a..1c)的测量组件，其特征在于，在用于测量沿所述纵轴(z)的力的惠斯登测量电桥的四个部分中，以下的传感器以固定的方向布置：

-在第一部分中布置有，第一连结板(A)的所述第一测力传感器(11A,12A)，以及相对的第三连结板(C)的第一测力传感器(11C,12C)，

-在第二部分中布置有，邻近第一连结板(A)的第二连结板(B)的第二测力传感器(21B,22B)，以及与第二连结板(B)相对的第四连结板(D)的第二测力传感器(21D,22D)，

-在第三部分中布置有，第二连结板(B)的第一测力传感器(11B,12B)，以及第四连结板(D)的第一测力传感器(11D,12D)，并且

-在第四部分中布置有，第一连结板(A)的第二测力传感器(21A,22A)和第三连结板(C)的第二测力传感器(21C,22C)。

15.包括根据权利要求3所述的测量元件(1a..1c)的测量组件，其特征在于，在用于测量垂直于第一连结板(A)的测量平面的力的惠斯登测量电桥的四个部分中，以下的传感器以固定的方向布置：

-在第一部分中布置有，邻近第一连结板(A)的第二连结板(B)的第三测力传感器(31B,33B)，

-在第二部分中布置有，第二连结板(B)的第四测力传感器(32B,34B)，

-在第三部分中布置有，与第二连结板(B)相对的第四连结板(D)的第四测力传感器(32D,34D)，以及

-在第四部分中布置有，第四连结板(D)的第三测力传感器(31D,33D)。