CN104685314B - 应变变送器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测结构(2)的应变的应变变送器，包括：具有应变轴线(4)的应变体(3)，其具有多个用于将所述应变体(3)固定到结构(2)上的固定装置(5)；以及测量元件(6)，设置在所述固定装置(5)之间的中间位置处、在所述应变轴线(4)上、并处于所述结构(2)上。根据本发明，测量元件(6)包括板(11)，静态测量的、连接至全桥(7)的压阻硅芯片(8)整个表面地安置在所述板上。所述硅芯片在应变状态下输出与其应变成比例的电压。测量元件(6)还包括电路板(13)，其中，电触点(12)从所述硅芯片(8)经由所述电路板(13)引出。

Description

应变变送器

技术领域

本发明涉及一种用于检测结构的应变的应变变送器，包括：具有应变轴线的应变体，其具有多个用于将应变体固定到结构上的固定装置；以及测量元件，其设置在这些固定装置之间的中间位置处、在应变轴线上、并位于该结构上。

背景技术

应变变送器例如安装在机械结构上，用于监控工序。在压铸机中，例如通过应变变送器监控模具的锁模力(Schliesskraft)，在此通常使用DMS(应变仪)。对于由在工具闭锁时产生的大的力所导致的大的应变，应变仪提供了非常可靠的测量值。但另一方面，其也应能够测量非常小的力：在移动期间如果构件未正确地脱模，则所谓的模具保护功能应通过立即停止模制件(Formteile)的行进(Zufahren)来保护工具免于损坏。为此，必须能够检测工具上的已经最小的力或应变。

通过DMS无法如此良好地检测小的应变。相反，压电应变变送器良好地适用于检测小的应变和大的应变，但遗憾的是无法静态测量。

在专利文献GB1456403中提出一种S形的应变变送器，其在中间位置包括具有测量电桥的芯片，测量电桥能够根据所确定的剪切应力推论基础结构上的应变。已经证实：接触这种芯片是非常麻烦的。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种前述类型的应变变送器，其能够检测非常小和非常大的测量值，并且也能够静态测量。此外，该应变变送器也应当容易接触，并能够轻易地补偿结构上的温度波动。

该目的通过以下方式得以实现：测量元件包括板，静态测量的、连接至全桥的压阻硅芯片整个表面地安置在该板上，压阻硅芯片输出与其应变成比例的电压，在此将电路板安装在测量元件上，电路板与硅芯片的电触点电连接。电路板包括基本上相对于板绝缘的导体电路，导体电路在优选的设置中又与同样设置在板上的插头电连接。

这种连接至全桥的硅芯片具有比传统的同样连接至全桥的DMS传感器更高的约60倍的灵敏度，并因此也能够检测非常低的、低至约一个微应变(1με)(即每米1微米(μm/m))的信号。与压电传感器相反，连接至电阻电桥的硅芯片输出电压信号，并能够静态测量。

由于芯片设置在板上并已通过电路板与触点连接，可以在测量元件安装到应变体上之前检验测量元件本身的功能。由此可以尽早确定并挑出有缺陷的芯片，从而能够大量降低成品的次品率。

板可以焊接在应变体的整个边缘上，从而产生密封的连接。

优选地，板安装在应变体的下表面，在该下表面上用于组装的应变体被贴靠在该结构的组装平面上。但是，板应通过较小的距离、约为毛细距离(Kapillarabstand)与该组装平面间隔，由此板和结构之间不会存在摩擦而导致测量偏差。在结构的附近确保了测量元件上的温度与结构上的温度相等。为此，芯片和电路板位于板的背向该结构的一侧。在应变体中贯穿至其下表面的空隙能够实现接入插头或电路板上的合适的触点。

附图说明

以下参照附图对本发明进一步进行说明。其中，

图1是根据现有技术的应变变送器的示意图；

图2是在根据本发明的应变变送器中使用的全桥的说明性视图；

图3示出了根据本发明的应变变送器的一种优选实施方式；

图4是根据本发明的应变变送器的测量元件的俯视示意图；

图5是根据本发明的具有放大器的应变变送器安装在结构上的剖视图。

具体实施方式

本发明涉及一种应变变送器1，当应变变送器1被安装在一结构2上时，应变变送器用于检测该结构的应变。图3示出了根据本发明的应变变送器1的优选、简易的形状。在图5中示出了固定在结构2上并包括放大器的这种应变变送器1的示例。

图1示出了根据现有技术的应变变送器1。其具有应变体3，应变体具有中央应变轴线4，应变体3在测量期间沿着该应变轴线发生应变。应变体3包括两个分别具有两个固定装置5的端部区域9，以及具有测量元件6的中间区域10，该测量元件特别地还设置在应变轴线4上、在固定装置5之间的中间位置。该测量元件6包括四个连接至全桥7的、应变敏感的电阻R，在此电阻分别相对于应变轴线平行地或直角地设置。在图2中详细描述了优选在根据本发明的设置中所使用的全桥。每两个在电阻之间对置的电桥分别构成用于测量信号的电源E+、E-或电压下降(压降)S+、S-的接口，测量信号在此被标记为V。与在图1中的设置不同，在图2中的全桥7的电阻设置为与应变轴线4呈45°角，这导致了测量元件的灵敏度与图1中的设置相比提高了约50％。

根据本发明的应变变送器1配备有应变体3，该应变体包括在其中集成了如图2的全桥的硅芯片8，应变体输出与其应变成比例的电压。

图3示出了如优选安装在根据本发明的应变变送器1中的根据本发明的应变体3。该应变体3具有类似S的形状，该形状也可以是被镜像的S形。该应变体3还具有两个分别包括两个固定装置5的外端部区域9，以及包括测量元件6的中间区域10。在根据本发明的实施方式中，中间区域的连接至外区域的连接部18点对称地设置在应变轴线4外。因此，应变轴线4两次在固定装置5之间延伸出应变体3之外。在固定装置5之间牵拉时，应变体3的中间区域10被转动和扭曲，因为该中间区域只在连接部18上与端部区域连接。因为该连接部18点对称地设置在应变轴线4外，所以力矩作用于中间区域10。优选地，用于根据本发明的应变变送器的测量元件6检测剪切应力。这是有利的，因为剪切应力比应变应力更均匀地(homogener)产生。

在图4中示出了这种具有板11的测量元件6，在该板上，优选在中间，硅芯片8整个表面地安置。此外，测量元件6包括电路板13，在此电触点12从硅芯片8经由电路板13引出。电路板13至少包括绝缘地安装在板11上的导体电路23。优选地，板11包括接触导体电路23的插头11。否则，电路板13不能具有所示的能够通过接口直接地接触放大器或处理单元的触点。

在检测剪切应力时，硅芯片8对角地安装在板11上，使得硅芯片8获取在期望方向上的剪切。

优选地，测量元件6与其板11一起直接安装、优选焊接在应变体3的整个边缘上。由此可以实现密封的连接。在该焊接内部，应变体3还特别具有空隙22，通过该空隙可以建立与电路板13的连接。

在图5中示出了在应变轴线4处剖切的根据本发明的应变变送器1。固定螺栓19将应变变送器1特别是端部区域9中的应变体3固定地保持在结构2上。应变体3具有组装平面15，在该组装平面上应变体贴靠结构2。由于该应变体3根据图3具有S形，所以未连续地示出该应变体3。在中间区域10中设置包括硅芯片8的测量元件6。

根据本发明，在被组装状态下的测量元件6仅通过尽可能小的距离(约为毛细距离21)近乎贴靠在结构2上。其优点在于，结构的温度始终尽可能地与测量元件6的温度相同。

为了在硅芯片8上实现测量，总是以E+、E-进行恒定的供电。检测到的S+和S-之间的电压V又给出由芯片上的应变所产生的测量信号。根据本发明，除了取决于应变的电压值V，还可以在硅芯片8上读出即时的本地温度T1。为此，通过恒定的供电来测量E+与E-之间的桥电压。如果芯片8上的静态温度发生变化，则电阻也会改变，而不存在芯片上的应变。桥电阻的该变化可以作为在E+、E-时的桥电压的变化被检测，由此可以确定结构的第一温度T1。

可以根据该值V、T1借助校准表来确定结构2的应变。由此可以补偿静态温度条件。静态温度条件是可以升高或降低、但在较长时间内保持恒定的温度。由静态温度条件导致的测量误差可以通过上述方式得以补偿。因此，还可以将芯片8设计为第一温度传感器。

优选地，应变变送器1还可以设有放大器17，放大器具有连接至未示出的处理单元的接口20。特别地，放大器17可以通过电触点被安插在测量元件6上，或通过其他插头被安插在插头14上。在放大器17发生故障时，可以轻易地拔出并替换该放大器，而不必为此将应变变送器1从结构2上取下。

优选地，放大器17是具有两个不同输出区域(Ausgabebereichen，输出范围)的双通道放大器。由此可以确保，凭借同一应变变送器能够既传输非常小的信号也传输非常大的信号。

特别地，放大器17可以包括第二温度传感器16，用于补偿由温度波动而产生的测量误差。

通过使用附加的温度传感器16，可以确定第二本地温度T2。一旦温度T1、T2彼此不同，则不再存在静态的温度条件，而是动态的温度波动。在确认不相等的温度T1、T2时，可以根据其他的校准曲线修正所确定的结构2的应变，由此补偿动态的温度波动。

附图标记列表

1 应变变送器

2 结构

3 应变体

4 应变轴线

5 固定装置

6 测量元件

7 全桥

8 硅芯片

9 端部区域

10 中间区域

11 板

12 电触点

13 电路板

14 插头

15 组装平面

16 第二温度传感器

17 放大器

18 连接部

19 固定螺栓

20 接口

21 毛细距离

22 空隙

23 绝缘的导体电路

R 电阻

E+、E- 电源

S+、S- 测量信号的电压下降

V 用于确定应变的电压

T1 在板和在结构上的温度

T2 离开结构的温度，周围环境温度

Claims (13)

1.一种用于检测一结构(2)的应变的应变变送器(1)，包括：具有应变轴线(4)的应变体(3)，所述应变体(3)在测量期间沿着该应变轴线发生应变，其具有多个用于将所述应变体(3)固定到结构(2)上的固定装置(5)；以及测量元件(6)，其被设置在所述固定装置(5)之间的中间位置且在所述应变轴线(4)上且位于所述结构(2)上，其特征在于，所述测量元件(6)包括板(11)，压阻硅芯片(8)完整表面地安置在所述板上；所述板(11)直接安装在所述应变体(3)上；所述压阻硅芯片(8)能够进行静态测量并连接至全桥(7)，并且在应变状态下输出与其应变成比例的电压；以及所述测量元件(6)还包括电路板(13)，其中，电触点(12)从所述压阻硅芯片(8)经由所述电路板(13)引出，所述电路板(13)是绝缘地安装在所述板(11)上的电绝缘的导体电路(23)，

所述应变变送器还包括组装平面(15)，所述组装平面在组装状态下贴靠在所述结构(2)上，其中，所述测量元件(6)以毛细距离(21)间隔地且毗邻地安装在所述应变变送器中的组装平面(15)上。

2.根据权利要求1所述的应变变送器，其特征在于，所述测量元件包括插头(14)，其中，所述电触点(12)从所述压阻硅芯片(8)经由所述电路板(13)引导至所述插头(14)。

3.根据权利要求1所述的应变变送器，其特征在于，所述全桥(7)包括多个电阻，所述电阻被设置为与所述应变轴线(4)呈45°角。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的应变变送器，其特征在于，所述应变体(3)具有类似S的形状，包括两个具有所述固定装置(5)的外端部区域(9)、以及具有所述测量元件(6)的中间区域(10)，其中，所述中间区域至外区域的连接部点对称地设置在所述应变轴线(4)外。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的应变变送器，其特征在于，所述测量元件(6)能在所述应变体(3)应变时检测剪切应力。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的应变变送器，其特征在于，所述压阻硅芯片(8)包括第一温度传感器，用于补偿由温度波动而产生的测量误差。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的应变变送器，其特征在于，所述应变变送器包括放大器(17)，所述放大器具有连接至处理单元的接口(20)。

8.根据权利要求7所述的应变变送器，其特征在于，所述放大器(17)通过电触点(12)被安插在所述测量元件(6)上。

9.根据权利要求8所述的应变变送器，其特征在于，所述放大器(17)通过电触点(12)被安插在安装在所述板(11)上的插头(14)上。

10.根据权利要求7所述的应变变送器，其特征在于，所述放大器(17)是具有两个不同输出区域的双通道放大器。

11.根据权利要求7所述的应变变送器，其特征在于，所述放大器(17)包括第二温度传感器(16)，用于补偿由动态的温度波动而产生的测量误差。

12.一种通过使用具有第一温度传感器的且根据权利要求6所述的应变变送器(1)来检测一结构(2)的应变的方法，其特征在于，在压阻硅芯片(8)上读出取决于应变的电压值V以及当前的本地温度T1，并根据所述值V、T1以及根据校准表来确定所述结构(2)的应变，以补偿静态的温度条件。

13.根据权利要求12所述的方法，其使用具有第二温度传感器(16)的且根据权利要求11所述的应变变送器(1)，其特征在于，在所述第二温度传感器(16)上确定第二本地温度T2，其中，在确认温度T1、T2不相等时修正所确定的所述结构(2)的应变，以补偿动态的温度波动。