CN1077024A - 载荷传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种载荷传感器，它用以测量由诸如 重力、加速度、压力以及类似东西所产生的力和独立 位移。该载荷传感器具有一种梁式结构，其中的梁至 少在一个平面上相互平行设置。通常，这些平行的梁 设置到一个固定的基板上，并在两根梁之间设置敏感 装置。工作时，由于在第二根梁中的相关偏转或作 用，一根梁的偏转将在敏感装置中产生一个响应。

Description

本发明涉及用以测量力的载荷传感器，尤其涉及一种用以测量诸如由力、加速度或压力装置所产生的、导致拉伸或压缩的力的载荷传感器，上述装置用以将力转换为电信号，传送至计算或测定点。该传感器能抵抗因老化、温度和湿度变化而产生的环境干扰，而这些变化最终将影响系数、磁带或内摩擦力的材料性能。
荷载测量器件和传感器为一种现有技术。例如，第4，043，190号美国专利的发明人Gallo披露了一种用以测量质量或力的仪表，其中，感应的位移间接作用于两个横向振动的电激励弦线的张力。第4，170，270号美国专利的发明人Sette等披露了一种用以防止测量挠度的载荷传感器过载的装置。第4，237，988号美国专利的发明人Blawert等同样披露了一种用于精密天平的过载保护装置。第4，384，495号美国专利发明人Paros披露了一种用于双条谐振器的安装结构，以保证谐振器的对称荷载响应于外力。
进一步，第3，712，395号美国专利发明人Streater等披露了一种重力传感器，它包括两个差动荷载的振动元件。第4，196，784号美国专利发明人Suzuki等披露了一种称重天平，它具有一个内部载荷传感器。第1，322，871号美国专利披露了一种具有预应力弦线的力测量装置，该预应力弦线可通过电子电路被激励成横向振荡的状态。第4，300，648号美国专利发明人Gallo还披露了一种用以感受质量和力的仪表，它包括平置于一平行面上两个扁平簧片。第3，274，828号美国专利发明人Pulvari披露了一种以压电振荡器为基础的力传感器。
另外，第3，366，191号美国专利的发明人Reid等披露了一种依赖于桥式电路的称重装置。第3，479，536号美国专利发明人Nor-ris披露了一种压电力传感器，它是一种压电振动梁，安装成沿其长度接受压缩力和拉伸力。第3，529，470号美国专利发明人Agar披露了一种具有复合支柱的力传感器，它具有两根条，能通过电反馈在一共同的谐振频率上维持横向振动，其中的振动频率可指示出施加至复合支柱上的力。第3，541，849号美国专利发明人Corbett披露了一种振荡晶体力传感器。第3，621，713号美国专利发明人Wirth等披露了一种用以测量质量和力的仪器，当其受到荷载加压时能以频率振动表示。
第3，724，572号美国专利发明人Saner，第3，853，497号美国专利发明人Van    de    Vaart等，第3，885，427号美国专利发明人Melcher等以及第3，915，248号美国专利发明人Paelian都披露了一种称重系统，此系统借助将力或重量传输到频率敏感元件而起作用。第3，963，082号美国专利发明人Meier，第4，088，014号美国专利发明人Wirth等，第4，143，727号美国专利发明人Jacobson以及第4，179，004号美国专利发明人Ebbinge都披露了一种感受力的载荷传感器。
最后，第4，215，570号美国专利发明人Eer    Nisse披露了一种小型石英谐振器的力传感器，它具有一个双端音叉的形状。第4，239，088号美国专利发明人Check等披露了一种采用重量一周期传感器的天平，该传感器提供一振荡输出，其周期作为被测重量的函数而变化。第4，299，122号美国专利发明人Ueda等披露了一种以振动器为基础的力传感器，该振动器具有一对相互平行的平板形振动片。第4，321，500号美国专利Paros等披露了一种纵向隔离系统。第4，372，173号美国专利发明人Eer    Nisse等披露了一种谐振器力传感器，它包括一对通常拉长的平行条，具有呈音叉状排列的两个端，并耦合于条的末端。
近来，石英双端音叉已作为力传感器应用于张力阻止荷重结构运动的场合，或通过荷重结构内的应力产生张力的场合。当施加到力敏感晶体的力为所加荷重的一小部分时，可采用杠杆系统和平行导向结构。由于在谐振的双端石英音叉中产生合适的频率变化所需的力无需很大，故力敏感晶体通常较小。
然而，为了阻止不想要的横向偏转影响，荷重结构必须很结实。由于当张力施加到晶体上时，力敏感晶体及其结合点发生偏转，这些充当平行弯曲梁或弯曲支轴的结构的弯曲部分即承受某些负荷。
至于输出稳定性，在一定温度和时间内，现有技术的载荷传感器取决于荷重结构和结合点的稳定性。例如，第4，838，369号美国专利发明人Albert披露了一种载荷传感器，设想在所产生的信号与所感受的力之间提供一种线性关系。Albert采用一种特殊的晶体设计，通过螺钉安装到载荷传感器的框架上，它能产生一种摩擦结点，导致不适当的零复位和传感器精度。Albert相信一种纵向刚性的结构能抵抗因荷重位置的变化而产生的干扰。Albert的载荷传感器如此设计，使力扩展在载荷传感器上，当其受压时导致功或能量损耗在螺钉联结点内部。随之，这一现象导致形成较差的零复位和精度。
同样，Albert并未注意到材料、非应变的敏感设计以及蠕变和滞后的减小或抵消，他未能提供一种能真正消除材料和温度影响的载荷传感器。
通常，标准后，这些装置中材料的老化经常引起长期性能受损。进一步，这些装置在分辨率方面局限于一定程度，其中，内摩擦力蠕变以及应变滞后在其设计中加以补偿。石英晶体结合接点通常利用其本身的反作用蠕变和滞后补偿由荷重结构引起的蠕变和滞后。当石英晶体利用诸如环氧树脂一类粘合剂粘合时，由于基片与石英之间不同的膨胀以及环氧树脂硬化期间的收缩性，应力将被引入粘合接点和晶体中。
此外，当这些应力在一段时间后减轻时，结合接点的特性因粘合剂的非线性应力一应变曲线而变化。这样将引起载荷传感器在这段时间内产生超零和偏移，直至粘合结点上的应力被减缓。石英与基础材料之间不同的膨胀，将使力传感器除所加负荷外还会因温度而产生输出。
结果，对于载荷传感器而言，还需要补偿因应用环境所产生的应力而在传感器元件中所发生的弹性模数、内摩擦蠕变和应变滞后方面的变化。
根据本发明，提供一种力敏载荷传感器，它包括一基板，一个固定在基板上的负荷支承元件，用以支持负载量的装置被固定到基板上，并与负荷支承元件分隔开，且在至少一个平面上与之平行，以及用以感受力的装置，力敏装置固定在负荷支承元件与负载量支持装置之间。负荷支承元件起到像弹簧一样的作用。弹簧是这样一种元件，当一个力在其可移动的部分上作功时，它可以通过偏转储存能量，然后通过释放所储存的能量，提供一个力位移一个距离而作功。
根据本发明的另一方面，提供一种力敏载荷传感器，它包括一个三维结构，该三维结构具有一个内部窗孔，该内部窗孔由顶壁、底壁以及第一和第二侧壁所限定;固定在所述三维结构的内部窗孔中的至少一个壁面上的基板;固定在基板上的一个负荷支承元件;用以支持负载量的装置被固定到基板上，并与负荷支承元件分隔开且在至少一平面内与之平行，以及用以感受力的装置，力敏装置被固定在负荷支承元件与负载量支持装置之间。进一步的实施例还可以包括一个以上的力敏装置，并被固定在任何若干个负荷支承元件之间。
根据本发明的另一方面，提供一种力敏载荷传感器，它包括用以感受力的第一和第二电气元件，一个基板以及在结构上用以支持两个电气元件的装置被固定在基板上，当载荷传感器受压时，该装置能对第一和第二电气元件提供幅度相等但方向相反的作用。当通过力的影响加压载荷传感器，将出现第一和第二电气元件的独立信号处理，并产生一个与差分模式信号相分离的独立模式信号。
根据本发明一个较佳的方面，提供一种力敏载荷传感器，它包括一个三维结构，该三维结构具有一个窗孔，该窗孔由一个顶壁、一个底壁所限定，并由第一和第二侧壁所联接;设置在所述窗孔内的基板，该基板被固定在至少一个窗孔壁面上;第一负载量支持悬臂梁，所述第一负载量支持悬臂梁固定在所述基板上并在三维结构窗孔的平面内延伸;第二个平行的负载量支持悬臂梁，它被固定在基板上并且也在所述三维结构的窗孔内延伸;一个负荷梁，该负荷梁固定在基板上，并位于第一负载量支持悬臂梁与第二负载量支持悬臂梁之间;固定在第一负载量支持悬臂梁与荷载梁之间的第一电气敏感元件，以及固定在负荷梁与第二负载量支持悬臂梁之间的第二电气敏感元件。当通过力的影响加压载荷传感器时，第一和第二电气敏感元件的独立信号处理将产生一个与差分模式信号隔离的独立模式信号。
本发明提供一种力敏载荷传感器，它能产生与不想要的信息以及由于负荷力的位置变化而引起的干扰高度隔离的输出信号。该力敏传感器表明能减少内摩擦蠕变和静态应变滞后效应。该力敏传感器的设计使其表明能减少由于温度而对高温下组件中零点、跨距和预应力的影响。
最好，该结构是由各向同性金属一体制成，这样，弹性模数几乎为相同，且如果晶体粘合系统相对于晶体联接的各个传感器元件是非常硬质的话，此弹性模数的影响几乎可消除。如果在所用材料的极限内设计，那么载荷传感器可以由适当单一结构的、具有相当好的弹性模数性能接近的材料所制造。
对施加到力敏晶体上的力产生影响的内摩擦蠕变、静态滞后、弹性模数的温度敏感性以及返回零负荷读数等所有因素都由于这些影响的公共性而趋向于消除。例如，如果载荷传感器元件不但影响晶体，而且抵制所加的力，那么它将有内摩擦蠕变，长时间的输出通常将增大。然而，对于本发明，与晶体相连的传感器元件也具有内摩擦蠕变，并将引起输出减小，这样就消除了内摩擦蠕变对施加到晶体上的力的影响。
由于晶体所负荷的弹簧相对于石英与结构材料之间不同的膨胀具有很大的偏转，故零点漂移可以减小。如果将第二个相反负荷的晶体被用于同一个一体化结构中，由于晶体所负荷的第二个弹簧在物理上与第一个弹簧相匹配，其输出从第一个晶体的输出中减去，故零点漂移也可以消除。
由于并联弹簧系统和串联弹簧系统两者的弹性模数对于温度具有几乎相同的灵敏度，故跨距偏移也可以减小并几乎得到消除，当并联弹簧在所加负载下偏转更大时，在串联弹簧中的反作用力可得到减小。
因为由于石英与结构材料之间的不同膨胀，所产生的最初的零点漂移相对于串联弹簧的偏转是小的，如果粘结结点的高温零点漂移与第二晶体和弹簧的高温零点漂移是一致的话，则他们由松弛引起的移动是小的，甚至可以被取消，所以由高温处理的应力的松弛引起的老化在零点上被减小。
由于在粘合结点负荷下的偏转相对串联弹簧的偏转是非常小的，所以对跨距的老化也被减小。因此，由于高温处理引起的预应力的松驰，粘结剂中的弹性模数的变化仅有很小的影响。
考虑负荷影响，因为被外力加载的平行弹簧长时间的连续移动几乎被由于弹簧结构的各向同性的性能而在串联弹簧中引起反作用力的松弛所取消，所以内摩擦蠕变被减小。
而且，由于平行弹簧和串联弹簧因其各向同性的性能致使其运动阻力是相同的，故静态应变滞后也可减小。
当负载移掉后，零返回受到与滞后相同的方式的影响。根据当负荷从载荷传感器中心朝向任一端时，剪力引起平行弹簧弯曲的原理，对负载位置的跨距灵敏度被减小。由于相对于外结构中的水平折褶平行四边形元件而言，顶部和底部横向折褶容易侧向弯曲，故跨距灵敏度也可以减小。
图1是根据本发明一个较佳实施例的载荷传感器的透视图。
图2是图1所示载荷传感器的正视图。
图3是图2所示载荷传感器沿3-3线的截面图。
图4是根据本发明另一个实施例的载荷传感器的透视图。
图5是根据本发明再一个实施例的载荷传感器的透视图。
参见附图，其中几张图中相同的部分用相同的标号表示，图1表示一个力敏载荷传感器20。该载荷传感器通常包括一个三维结构，该三维结构具有一窗孔，由顶壁26和底壁28所确定，并分别由第一和第二侧壁24A和24B所联接。传感器20通常包括一个其板40，它设置在窗孔10中，并固定到至少一个窗孔壁上。固定在基板上的是第一负载量支承悬臂梁42A，它在所述三维结构窗孔10的平面内延伸;以及第二负载量支持悬臂梁42B，它与第一负载量支承悬臂梁42A分隔开并与之平行。负载梁45也固定在基板上，它位于第一和第二悬臂梁之间。在本发明的实施例中，两个敏感元件也固定在各个梁上。其中，第一敏感元件固定在第一负载量支承悬臂梁42A与负载梁45之间，第二敏感元件固定在负载染45与第二负载量支承悬臂梁42B之间。
参见本发明的载荷传感器一个最简单的实施例，图5表示一个载荷传感器，通常包括一个基板40，它为本发明中的所有元件提供稳固的位置。根据本发明某一实施例，载荷传感器的基板40可以提供一个基础，用以接受来自被感知负载的重量、力或其它位移。在其它功能中，该基板也可以用作一个台板或其它表面，用以接收需要分析的力。
通常，基板40可以包括任何数量的设计和物质，只要提供一定的柔韧性。基板必须能够挠曲，以便于传送由基板所感受到的力，并转化为附加在基板内的平行的梁42和45的位移。通过此位移，平行的梁最终将应力和应变分布到悬挂在两个平行的梁之间的敏感装置。
最好，基板由均质的和各向同性的金属组成。载荷传感器定义为一种整体的或一体化的结构，其中，基板和平行的梁结构被模压，作为一个连续部件。这可以通过任何几种手段，包括机械加工、铣切、离子切割、铸造或任何已知的手段完成。最好，载荷传感器在每次铣切周期后，把应力释放掉。另外，在本发明更佳的实施例（图1）中，载荷传感器最好被对称地机械加工，梁的弹簧系数最好互相匹配。为此，敏感元件的响应应当尽可能紧密地匹配。此外，载荷传感器可以进一步铣切，并通过对载荷传感器加压来释放应力;校准响应并从加压的传感器上去除多余的材料，以使响应均衡。
较佳的结构成分包括金属，例如单一金属和金属合金。混合金属包括铝及其合金，诸如2024-T3、7075-T6和1100;铜及其合金，包括ASTM    B147、ASTM    B145和ASTM    B146;锌及其合金，包括ASTM    A40A和ASTM    AC41A以及任何其它众所周知的金属，以提供一种轻型的结构，对于需由传感器感受的力具有较好的回弹性。最好是诸如铝及其氧化物一类的金属用于形成本发明的载荷传感器，但几乎任何适合于制造的结构性材料都可以使用。
载荷传感器也可以由聚合物体系制成，它能够提供均匀的材料性能，例如弹性系数、温度灵敏度和膨胀特性等。其中，塑料有诸如聚酰胺、聚酰胺-亚胺、聚氯乙烯、聚乙烯、丙烯、聚碳酸脂;氨基塑料有诸如蜜胺树脂、浇注环氧树脂、浇注丙烯酸、浇注氟塑料、酚醛塑料、聚丙烯腈、浇注聚氨基甲酸酯、浇注聚酯或聚烯烃;合成或自然橡胶聚合物和共聚物有诸如硅酮;陶瓷有诸如二氧化硅;以及纤维质的产品;或这些混合物的任何混合。
基板40的最简单的实施例在图5中可视为一种刚性夹具，一平行的梁42和45附加其上。在图4所示一个替换的实施例中，基板40可视作一安装板，用以在负荷量支持装置42中设置负荷支承装置或负荷梁45。为此，在图5所示的至少一个平面中，基板有助于相互平行地设置负荷梁45和悬臂支持梁42。
当应用于图4所示的载荷传感器时，基板40可用以将悬臂支持梁42和负荷梁45设置在载荷传感器结构20的窗孔10内。尤其是，基板40通常延伸并被附加到形成载荷传感器窗孔10的内壁28上。尽管不是必需的，载荷传感器基板40可以附加到内壁28，就这方面而论，或者可以通过任何若干附件包括折褶32，附加到任何其它的内壁包括侧壁24A、24B或顶壁26。
由此可见，基板40可以采用任何若干形式，包括如图5所示一种简单的刚性结构40，就这点而论，或采用如图4所示的较为复杂的平台40。基板40也可以由安装在其表面上的各个梁之间折褶所组成，以防止不想要的或超出预定的轴之外干扰运动。
本发明的载荷传感器通常还包括一种平行的梁式结构，它有助于测量作用于载荷传感器的力。平行的梁式结构42和45（图4和图5）还具有固定敏感元件52的功能。通常，平行的梁式结构可以包括合适材料和尺寸的任何结构，它将在预定的条件下有利于呈现出挠曲。
参见图5，平行的梁42和45的确定将取决于力的幅度、加速度或由梁式结构所感受的其它运动。有关的参数包括平行的梁的长度、梁在具有插口44和46方面的必要性，如图5所示。有关的参数还包括用以制作梁的材料，以及用以将梁附着到任何预定基板上的折褶。
通常，根据本发明，平行的梁式结构可以包括任何若干种不同的结构。图5表示平行的梁式结构一个替换的实施例，它包括平行的梁42和45。在本例中，平行梁45作为一个负荷梁，它是任何质量，力或作用于该结构上的其它位移的主要支承体。与此同时，负荷梁42作为支承加到其上的负荷量的装置。换句话说，梁42将接受因位移而产生的主要的力。与此同时，梁45作为一个负荷支承元件以及一个安置敏感元件52的附加点。
如图5所示，内边部分41由梁45的底侧、梁42的上侧、敏感装置52的内侧以及基板40的外侧所形成。平行的梁45和42偏转时将沿轴向移动，该轴向与位移力的方向是一致的。然而，基板40的外侧面以及敏感装置52的内侧面将保持相互平行或处于“平行四边形”的形状、这种平行四边形结构的结果在力传感器中是对力矩臂的否定。
这种结构产生了一种较容易制作的载荷传感器，它能提供一种均匀的响应，而不管通常横穿平行梁表面的力加到什么地方。此外，平行的梁式结构，包括了几乎一个接近一个的梁，它提供这样一种结构，其中温度、湿度以及其它环境应力变化将使各个梁有同样响应。实质上，本发明提供了一种力传感器，它能够补偿弹簧系数变化，并允许补偿由环境应力所造成的任何变化和偏差。
本发明一个更佳的替换实施例示于图4中，其中，负荷支承部件45与悬臂梁42或负荷量支持装置成平行地设置在三维结构或组件的窗孔内。再有，基板40具有一个与敏感元件52内侧面平行的内平面。同时，悬臂梁42的整个结构在其内缘上是与负荷梁45的里面或反面平行的。
而一般，窗孔44和46可以分别确定于每个负荷梁42和45。这些窗孔允许对力有较大的灵敏度，考虑到由较佳辐度的力造成的负荷梁弯曲。本例中，诸如44和46所示的窗孔允许建立一种对施加到传感器上的力具有较大灵敏度的载荷传感器。这些窗孔很容易用标准工具开凿或加工，并可以呈现为槽形或哑铃型状。
一般，如图4所示，载荷传感器可以采用任何几种结构，包括三维六面方块结构。传感器内，通常可以有一个由两侧壁24A和24B以及一顶壁26和一底壁28确定的窗孔10，设置在该窗孔之内的是基板40，基板40上安装负荷梁45和悬臂负荷量支持梁42。
此外，在载荷传感器内通过利用折褶可以附加任何若干元件。这些折褶除了防止基板或其它结构转向或弯曲到预定以外的平面之外，还有助于确定平行梁式结构的负荷量。在将所感受的力转换为基板和平行梁式结构的位移，以便通过机械作用最终产生一个来自敏感元件的传感信号而影响敏感元件方面，折褶是整体式的。
通常，折褶可以设置在载荷传感器内部任何地方，以防影响挠曲。尤其如图4所示，折褶32可作为基板40的基础，以将基座40设置到底壁28。折褶34也可以作为负荷梁45的顶部，将负荷梁45设置到顶壁26。
在三维结构的窗孔内，敏感元件52被支承在负荷支承梁45与负荷量支持梁42之间。负荷梁45和悬臂支持梁42在三维方块20的窗孔10内的至少一个平面上是平行的。这样就保持了由基板40、敏感元件52以及梁42和梁45的两内壁或相对侧壁所形成的一个类似平行四边形的结构。相应地，在本发明中，由于任何力而造成的载荷传感器的弯曲也将形成一种类似平行四边形的响应。
敏感元件的贴装可以借助一种能提供整体的或固定和稳定的联接装置来实现，例如热塑或热固粘合剂。一类较佳的粘合剂包括环氧树脂型粘合剂，诸如市场上现成的那一类。较佳的载荷传感器其性能可以尽可能地固定和稳定。要求该联接对平行弹簧系统较大弯曲的影响能减至最小。于是，当固定联接部位活动时，相对于梁的弯曲程度其活动是极小的。这样，由于不甚完满的固定联接部位，对于小量的弯曲，其输出将是很不灵敏的。
图5中，本发明的载荷传感器还包括敏感装置52。该敏感装置通常用以感受由加到载荷传感器上的力所产生的力。该敏感装置受压缩力或拉伸力的影响，并将该力转换为一个电信号，并将它送到一个电路进行测定。通常，根据本发明，包括硬电线、电路、含有半导体和类似元件的晶体管电路等，任何一种敏感装置都可以采用。可以采用的敏感装置包括光、电一机以及阻抗或谐振敏感装置。
一个较佳的敏感元件包括一个阻抗或诸如石英晶体的谐振器。较佳的谐振器包括由瑞士ETA制造供应的微晶体。这种谐振器通常称为双端调谐音叉，并通常由两个平行的叉所组成，它们的端部被联接在一起。这些叉被压电激励，由此可根据其弯曲的量在板的平面内相互相对振荡。通过将一个拉力或压缩力沿其轴向加到晶体上，其固有频率将像小提琴的弦那样提高或降低。
石英晶体是一种非常稳定和可靠的机电元件。它的强迫频率响应和准数字输出信号连同精确频率测量特性使之能获得良好的性能。单晶石英显著的机构和物理特性输出一种具有精确重复性，没有滞后并具有良好的热稳定性和长时期稳定性的运行特性。而且，由于石英具有很高的硬度，故在安装结构上仅产生很小的位移。
为了驱动石英谐振器还需要一个振荡器。由于晶体的等效电气参数与广泛应用的音叉的参数相同，为本领域熟练人员所已知的常见的皮尔斯振荡器即适合于晶体的工作。采用标准的集成放大器的振荡器也很容易实现。一个有用的振荡电路可以通过本领域熟练人员已知的任何类型的电路结构，为其提供5至15V电压。
更好一点，石英晶体传感器的尺寸从大约0.1英寸到1.0英寸范围，最好为大约0.5英寸到0.25英寸。该传感器的频率范围可以在很大程度上取决于所需的应用。然而，已经发现，20KHz至100KHz，更好的为44KHz、48KHz，最好为86KHz至94KHz的频率是最有用的。
本发明的载荷传感器还可以包括多种类型的电路，这些电路可用以测定由敏感装置所接收到的电信号，并反映被感受力的合适辐度。通常，根据本发明，任何与本目的相称的能对电信号提供线性响应的电路均可使用。
最好，适用于本发明的电路是阻抗电路，例如惠斯顿电桥结构以及类似的电路，或差分电路，能抵消载荷传感器中元件的偏置信号。惠斯顿电桥采用四个电阻性元件，排列成矩形电路，电压跨接在其两个对角上，信号测量点则跨接在另两个对角上。
参见图1，图1表示平行梁式结构的一种更佳的实施例。该实施例的载荷传感器可以用两个敏感元件52A和52B、一个基板40和适当的结构工作，当载荷传感器受压时确保两个敏感元件将受到同等的影响。这将便于每个相应的传感器的独立信号处理，产生一个共同模式信号效应和差分模式信号效应。
共同模式信号效应包括温度效应、压力效应、外界振动效应和老化效应，在任何其它效应之中，对图1所示的两个悬臂梁42A和42B以及传感器52A和52B都具有同等的影响。差分模式效应最重要的就是作用于敏感元件上的力或应力，不相等地影响悬臂梁42A和42B以及敏感元件52A和52B。
在此情况下，中空悬臂梁42A、42B和45即可设置到由窗孔底侧28所形成的单个基板40上。通过经由附设在挠性梁和固定梁45顶端之间的敏感装置52A和52B，附设两个挠性梁42A和42B，载荷传感器能够补偿弹性系数、变量和滞后的变化以及内摩擦蠕变。在这种情况下，由于挠性臂和固定梁将按比例地受影响，通过将敏感元件附设在两者之间，即可消除在弹性系数、滞后或蠕变方面的变化。
尽管不希望束缚在一个特定的工作模式或理论，我们认为载荷传感器具有一负荷支承梁45，可安置一桥型间隙至一小弹簧42。由于负荷支承梁45受到力的传递而偏转，小弹簧42支承一负荷，力的传递是通过一个有关的脊形力敏元件52A或52B来实现的，其偏差在满负荷时仅为例如约0.000005英寸。在这种情况下，整个载荷传感器偏转仅约0.015英寸。于是力敏元件感受到一个力，该力与机械材料的弹性系数无关。
在此情况下，当P为荷重时，总荷重由平行的弹簧支承，它为：
PT＝P1+P2
其中，P1是由梁45承担的荷重，P2是由弹簧42承担的荷重。
加在每根梁上的荷重与其偏转成正比：
P1＝K1Y1，P2＝K2Y2
其中Y1和Y2分别为偏转，以英寸计，K1和K2分别为弹性常数，表示每英寸偏转的负荷的磅数。
如果连接具有极高弹性常数的力敏元件，那么在荷载下两个梁具有几乎同等的偏转。
Y1＝Y2且 (P1)/(K1) = (P2)/(K2)
每根梁的弹性常数与其合成材料的弹性系数成正比：
K1＝C1E1K2＝C2E2
其中C1和C2是与梁的形状有关的常数，E1和E2是其相应的弹性模数。
由于两根弹簧的材料是相同的，故其模数也相同。
E1＝E2且 (P1.)/(C1E1) = (P2)/(C2E1)
由于力敏元件为连接元件，故P2上的力等于力敏元件上的力。所以，所敏感到的力正比于所加负荷。
P 2 = P 1 P 2 C 1 = (P T -P 2 ) × C 2 C 1 ,且P 2 ＝ P T C 1 ＋C 2 ／C 1
C2和C1为尺寸系数，故P2直接与所加的力有关，而实际上与弹性系数的作用无关。
因此，如果存在非线性应力一应变关系时，两根弹簧的结构呈现相同的环境效应和应力程度时，弹性模数对温度、内摩擦蠕变（与时间有关的弹性模数效应）以及静态滞后（形成对弹性模数有时间关系的内部材料摩擦效应）的灵敏度即可忽略。
如果温度不影响力敏传感器的性能，这些载荷传感器的输出信号仅取决于其结构尺寸以及所施加的载荷。当载荷传感器与力敏元件采用不同的材料时，温度变化将引起力敏元件的信号以零偏移的形式发生变化。其它环境影响例如大气压也可在零稳定性方面产生同样的影响。为了克服这些环境影响，一种紧密匹配的第二个力敏元件通常为最佳。第二个力敏元件52B可以安装在负荷梁45与另一平行的梁42B之间。然后与第一个力敏元件54A比较，该力敏元件将呈现一个负力。通过减去两个力敏元件之间的差值，其所加的力的输出被加倍，而影响元件52A和52B的干扰作用因相等而被抵消。
本权利要求所限定的发明可用于任何弯曲的梁式结构。这些梁可以刚性地固定到基板上，或通过混合的或固定的支点或支承支点系统用杠杆来移动。载荷传感器可以通过其上的应力受到压缩力或张力或它们二者的支配。在具有两根或多根梁的系统中，本发明还可以在上述两根梁之间再添加若干梁。这些梁可以固定安装到基板上。此外，也可将一根梁固定在基板上，而其它几根梁则固定在第一根梁上。
本发明还可以用于多根梁系统，它不提供一种刚性的方式将梁安置在基板上。例如，在此应用中，多根平行的梁可以设置或悬挂在一个基板的下方，而权利要求所限定的载荷传感器设置在梁与基板之间的直线上。这种应用可以在单点天平上发现，诸如用以称重产品、家畜及类似物体的天平上。
本发明还可以用以计量大质量的物体，例如卡车，或大结构的物体，例如房子或建筑物。在这种情况下，梁可以固定在两个支点上，该两支点设置在梁的两端，本申请的传感器则沿着梁固定在一接点上。当受压时，本发明的传感器将感受到弯曲敏感梁的力。
此外，本申请的发明可用于多个支点系统，例如偏转板，它可以刚性地安装在一或多个边缘上，或由杠杆通过支点来撬动。
本申请的发明可以用于两个轴向负荷的弹簧之间，诸如盘形悬挂弹簧应用。这些类型的系统在车辆支承应用或振动隔离系统例如减震器中可见到。在这些应用中，被测定的力可以被敏感，与干扰无关且用在所测力幅度持续变化的环境中。
在悬挂系统中，诸如当受压时偏转的系统中，本申请的发明可以用多根弹簧，这些弹簧通过轴向的运动在载荷传感器上提供伸缩作用，而载荷传感器垂直地与弹簧设置在一条直线上。而弹簧相对负荷与基板之间的一条线设置成一角度。通过将载荷传感器设置在两组弹簧、链条或其它活动元件之间，负荷支承机构可用以感受在大规模应用中的力，诸如感受悬挂式升降机的力。
本发明还可以用以感受压力量或压力变化。通过将本申请的载荷传感器设置在两个平台之间的一条线上，将每个平台固定到一个含有弹簧的系统，诸如风箱，则不管绝对压力或差压都可以测量。在绝对压力系统中，例如，本载荷传感器可以受到由膨胀风箱与支承或反应式风箱所产生的压缩力的支配，这些风箱没有压力敏感，而几乎只是跟踪或计量位移。
在差压测量中，本发明的载荷传感器可以被设置在与反向风箱或隔膜成一直线的位置上，而这些风箱或隔膜被设置在反向的流动通道门之间。总之，对于压力测量，本发明的载荷传感器可以设置在两个反向流动源之间的直线上。
本发明还可以用以感受加速度方面的瞬时变化，例如非重复性实验一类的实验室应用中，其中由滞后而产生的影响均可消除。例如，破坏性试验（如汽车坠毁试验），爆破试验以及类似的试验都可应用，这类应用可以采用在两个负荷支承元件外部或之间安装物体的一种系统，本发明的载荷传感器也安装在该两个负荷支承元件之间。
借助本发明的载荷传感器还可以完成扭力或力矩的感受。在诸如车辆轮轴、马达输出以及类似运动（任何将产生转矩的运动）的应用中，相应的力都可以由本发明的载荷传感器来感受，可以将载荷传感器安装到转矩发生元件与轴向直线排列的反应式扭力元件之间。
任何其它应用，诸如扭转弯曲以及类似的应用都适用于本发明。可以发现，载荷传感器的设计可提供许多不同的应用，某种对力的敏感无材料影响或环境干扰的机械机构的设计是我们所希望的。
上述讨论，例举和各实施例描述了我们目前对本发明的了解。然而，由于本发明在不脱离其精神和范围的情况下，还可以作出许多变换，因此，本发明完全属于所附的权利要求中。

Claims (33)

1、一种力敏载荷传感器，其特征在于包括：
(a)一个基板；
(b)设置在所述基板上的负荷支承元件；
(c)设置在所述基板上用以支承负荷量的装置，所述装置与所述负荷支承元件隔开并至少在一个平面上与之平行；以及
(d)用以敏感力的装置，所述力敏装置以抑制摩擦运动的方式设置在所述负荷支承元件与所述负荷量支承装置之间；
当受压时，所述载荷传感器能补偿弹性模数的变化，且当偏转与被测力之间保持一线性相关时，能考虑到因环境应力而产生的偏转变化。
2、如权利要求1所述的载荷传感器，其特征在于，所述负荷支承元件和所述负荷量支承装置包括悬臂梁。
3、如权利要求2所述的载荷传感器，其特征在于，所述负荷支承元件和所述负荷量支承装置具有设在其结构中的中心窗孔。
4、如权利要求1所述的载荷传感器，其特征在于，所述基板和所述敏感装置通过所述负荷支承元件和所述负荷量支承装置联接，以形成一矩形的中心窗孔;至少所述基板和所述敏感装置处于相对位置且相互平行。
5、如权利要求1所述的载荷传感器，其特征在于，所述敏感装置包括一个压电谐振器。
6、如权利要求1所述的载荷传感器，其特征在于，所述敏感装置包括一个压电石英谐振器，所述谐振器包括相互平行设置，且附设在其端部上的第一尖叉和第二尖叉。
7、一种力敏载荷传感器，其特征在于包括：
（a）具有一个由顶壁、底壁以及第一和第二侧壁确定的内窗孔的三维结构;
（b）设置在所述三维结构内窗孔内的至少一个壁面上的一个基板;
（c）设置在所述基板上的负荷支承元件;
（d）设置在所述基板上用以支承负荷量的装置，所述装置与所述负荷支承元件隔开，并至少在一个平面上与之平行;以及
（e）用以敏感力的装置，所述力敏装置设置在所述负荷支承元件与所述负荷量支承装置之间。
8、如权利要求7所述的载荷传感器，其特征在于，所述三维结构具有由第一和第二侧壁联接的顶壁和底壁确定的内窗孔，以形成一个内窗孔，所述基板通过一个折褶设置在所述内窗孔内部的至少一个内壁上。
9、如权利要求7所述的载荷传感器，其特征在于所述负荷支承元件和所述负荷量支承装置包括悬臂梁。
10、如权利要求7所述的载荷传感器，其特征在于，所述负荷支承元件和所述负荷量支承装置具有设在其结构内部的中心窗孔。
11、如权利要求7所述的载荷传感器，其特征在于，所述基板和所述敏感装置通过所述负荷支承元件和所述负荷量支承装置联接，以形成一个矩形中心窗孔，至少所述基板和所述敏感装置处于相对位置且相互平行。
12、如权利要求7所述的载荷传感器，其特征在于，所述敏感装置包括一个压电谐振器。
13、如权利要求7所述的载荷传感器，其特征在于，所述敏感装置包括一个压电石英谐振器，所述谐振器包括第一和第二尖叉，所述第一和第二尖叉相互平行设置，且联接在其两端上。
14、如权利要求7所述的载荷传感器，其特征在于，所述负荷支承元件包括设置在所述基板上，并从所述基板跨至所述三维结构的顶壁。
15、如权利要求8所述的载荷传感器，其特征在于，所述负荷量支承装置包括一个悬臂梁。
16、如权利要求7所述的载荷传感器，其特征在于包括：
（a）包括一六面体的三维结构，所述三维结构具有由顶壁和底壁确定的内窗孔，所述顶壁和底壁通过第一和第二侧壁联接在一起;
（b）一个基板，包括基本平行于所述内部顶壁和底壁放置的一个平台;
（c）一个负荷支承梁，跨接每个所述基板与所述内部顶壁之间，并设置在每个所述基板上;
（d）一个负荷量支承装置，包括一个悬臂梁;以及
（e）一个敏感装置，包括一个压电石英敏感元件，所述敏感装置跨接在所述负荷量支承悬臂梁与所述负荷支承梁之间，并设置在它们两者上面。
17、如权利要求16所述的载荷传感器，其特征在于，所述三维结构包括设置在所述顶壁中的折褶，所述顶壁联接所述第一和第二侧壁，所述载荷传感器进一步包括设置在所述底壁中的折褶，所述底壁联接所述第一和第二侧壁。
18、如权利要求16所述的载荷传感器，其特征在于，所述基板通过一个折褶固定到所述三维结构。
19、一种力敏载荷传感器，其特征在于包括：
（a）用以敏感位移的第一和第二装置，所述位移当受压时能同样响应;
（b）一个基板;以及
（c）用以在结构上支持所述第一和第二敏感装置的装置，所述结构支持装置固定在所述基板上并支持第一和第二敏感装置，所述支持装置当所述载荷传感器受压时能对所述第一和第二敏感装置提供同等的影响;
由此，通过接受到的力加压所述载荷传感器可对所述第一和第二敏感装置提供独立的信号处理，并产生一个与差分模式信号分离的共同模式信号。
20、如权利要求19所述的传感器，其特征在于，所述结构支持装置包括用以将第一和第二敏感装置设置在对加在传感器上的力处于同等影响下的一个对称结构。
21、如权利要求19所述的传感器，其特征在于，所述对称结构包括：
（a）用以支持负荷量的第一装置，它被固定到所述基板上;
（b）用以支持负荷量的第二装置，它被固定到所述基板上，所述第二负荷量支持装置与所述第一负荷量支持装置间隔分开且至少在一个平面上与之平行;
（c）固定到所述基板上的负荷支承元件，所述负荷支承元件与所述第一负荷量支持装置和所述第二负荷量支持装置间隔分开并起到媒介作用，所述负荷支承元件与所述第一和第二负荷量支持装置至少在一个平面上成平行设置，其中，所述第一敏感装置安装在所述第一负荷量支持装置与所述负荷支承元件之间，所述第二敏感装置安装在所述第二负荷量支持装置与所述负荷支承元件之间。
22、如权利要求21所述的载荷传感器，其特征在于，所述第一和第二负荷量支持装置包括悬臂梁。
23、如权利要求21所述的载荷传感器，其特征在于，所述支承元件包括一根梁和所述负荷支承梁。
24、如权利要求21所述的载荷传感器，其特征在于，所述对称结构包括具有一内窗孔的三维结构，所述窗孔由通过第一和第二侧壁联接在一起的顶壁和底壁所确定，所述基板安装到具有所述负荷支承部件的至少一个内壁上，所述负荷支承部件跨接在所述基板和一个所述内壁之间，并安装在至少一个内壁上。
25、如权利要求24所述的载荷传感器，其特征在于，所述第一和第二负荷量支持装置包括至少在三维结构窗孔中一个平面上与所述负荷梁平行的梁。
26、如权利要求25所述的载荷传感器，其特征在于包括：
（a）一个三维结构，它包括一六面体，所述六面体具有由顶壁和底壁确定的内窗孔，所述顶壁和底壁通过第一和第二侧壁联接在一起;
（b）一个基板，包括基本上与所述内顶壁和内底壁平行设置的一个平台;
（c）一个负荷支承梁，跨接在所述基板和所述内顶壁之间，并固定在每个所述基板和所述内顶壁上。
（d）第一和第二负荷量支持装置，包括一个悬臂梁;以及
（e）每个第一和第二敏感装置包括一压电石英敏感元件，所述第一敏感元件跨接在所述第一负荷量支持悬壁梁与所述负荷支承梁之间，并设置在它们两者之上，所述第二敏感元件跨接在所述第二负荷量支持悬臂梁与所述负荷支承梁之间，并设置在它们两者之上。
27、如权利要求25所述的载荷传感器，其特征在于，所述三维结构包括设置在所述顶壁中的折褶，所述顶壁联接所述第一和第二侧壁，所述载荷传感器进一步包括设置在所述底壁中的折褶，所述底壁联接所述第一和第二侧壁。
28、如权利要求25所述的载荷传感器，其特征在于，所述基板通过折褶固定到所述三维结构上。
29、一种力敏载荷传感器，其特征在于包括：
（a）具有一窗孔的三维结构，所述窗孔由第一和第二侧壁联接的一顶壁和一底壁所确定;
（b）设置在所述窗孔内的基板，它固定在至少一个所述窗孔的壁上;
（c）第一负荷量支持悬臂梁，所述第一负荷量支承悬臂梁固定在所述基板上并在所述三维结构的窗孔的平面内延伸;
（d）第二负荷量支持悬臂梁，它固定在所述基板上，并与所述第一负荷量支持悬臂梁间隔分开且在至少一个平面上与之平行，所述第二负荷量支持悬臂梁也在所述三维结构的窗孔内延伸;
（e）一个负荷梁，它设置在所述基板上，在所述第一负荷量支持悬梁与所述第二负荷量支持悬臂梁之间起媒介作用并在至少一个平面内与之平行，所述负荷梁与所述第一和第二负荷量支持悬臂梁间隔分开;
（f）用以敏感位移的第一装置，所述位移敏感装置被设置在所述第一负荷量支持悬臂梁与所述负荷梁之间;以及
（g）用以敏感位移的第二装置，所述位移敏感装置被设置在所述负荷梁与所述第二负荷量支持悬臂梁之间，由此，通过接受到的力加压所述载荷传感器能对所述第一和第二敏感装置提供独立的信号处理，并产生一个与一差分模式信号相分离的共同模式信号。
30、如权利要求29所述的载荷传感器，其特征在于进一步包括用以接收和处理所述共同模式信号和差分模式信号的电路装置。
31、如权利要求29所述的载荷传感器，其特征在于，所述基板通过一折褶固定在至少一个所述三维结构的窗孔壁上。
32、如权利要求31所述的载荷传感器，其特征在于，所述负荷梁通过一折褶固定到至少一个所述三维结构的窗孔壁上。
33、如权利要求29所述的载荷传感器，其特征在于，每个所述三维结构的顶壁和底壁在与所述第一和第二侧壁的联接点上均包括有折褶。
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