CN108291846B - 测压仪 - Google Patents

Abstract

测压仪包括：具有基部的弹性体、适于在载荷施加到膜上时屈服的柔性膜、用于测量施加到膜上的载荷的传感器、至少一个连接器，其中该连接器具有连接至膜的第一端部以及连接至传感器的第二端部，其中连接器被构造为将施加到膜上的载荷传递到传感器。

Description

测压仪

技术领域

一种测压仪包括具有基部的弹性体、适于在载荷施加到膜上时屈服的柔性膜、用于测量施加到膜上的载荷的传感器。

背景技术

这种类型的许多测压仪是公知的，例如图1示出了具有弹性体和用于检测响应于要测量的载荷的弹性体的形变的传感器装置的电容测压仪。

然而，由于传感器装置以非对称方式启动，当偏心载荷施加到弹性体上时，该现有技术的测压仪提供具有实质性误差的测量，由于所有传感器装置中固有的非线性，这导致测量误差。

US 4,825,967公开了一种重量检测装置，其通过使用压敏传感器检测因扁平板的偏转造成的电极之间距离的变化而导致的静电容量的变化来检测物体的重量，该压敏传感器具有由跨过适当的间隙粘在一起并且彼此平行延伸的两个弹性绝缘体构成的扁平板。

发明内容

根据本发明，提供一种测压仪，其包括具有基部的弹性体、适于在载荷施加到膜上时屈服的柔性膜、用于测量施加到膜上的载荷的传感器、至少一个连接器，该连接器具有连接至膜的第一端部和连接至传感器的第二端部，其中连接器被构造为将施加到膜上的机械力传递到传感器。

这意味着力施加到膜上，引起膜弯曲或变形，膜的偏转可以经由连接器传送到传感器。由于测量是在传感器中进行的，该测量与膜不是直接测量关系，因此其允许连接器过滤掉与测压仪适于测量的载荷不平行的膜的任何运动，即，当偏心载荷施加到膜上并且膜的弯曲在多于一个方向上时。

在本发明的含义内，术语“连接”可以是指连接器直接或间接连接至膜和/或传感器。这意味着连接器可以连接至与传感器或膜连接的测压仪主体的单独部分。

在本发明的含义内，柔性膜的一部分适于相对于测压仪的其他部分运动，其中相对于测压仪的其他部分测量膜的运动差异。可以想象的是，测压仪包括多于一个部分，在膜的运动期间，该多于一个部分随着膜运动，而测压仪的多于一个部分保持固定，即，当载荷施加到膜上时，膜的一部分适于相对于测压仪的固定部分运动和/或弯曲。

在一个实施方式中，传感器可以包括第一传感器部分，该第一传感器部分具有固定到测压仪的弹性体上的固定的第一端部以及自由的第二端部。因此，第一传感器部分适于具有连接至测压仪的固定部分的一个端部，而第二端部(可以是自由端部)和/或与第一端部相对的端部可以适于相对于测压仪的固定部分随着膜的运动而运动。

在一个实施方式中，连接器可以连接至第一传感器部分的第二端部，使得膜的运动被传递到第一传感器部分的第二端部。因此，通过将传感器的自由端部连接至膜，可以将因施加到膜上的力造成的膜的偏转和/或运动传送或传递到第一传感器部分的自由端部，使得第一传感器部分将在预期的方向上相对于膜运动相同的距离或相对的距离，即，在施加到膜上的力的方向上的运动。

在一个实施方式中，传感器可以包括第二部分，其中第二部分包括电容测量装置。传感器的第二部分可以被视为传感器的允许被传递的膜的运动使用电容测量来测量的部分。在一个示例中，电容测量可以是固定部分和活动部分的形式，其中活动部分的运动相对于固定部分来测量，并且该运动可以以电容测量结果来表示。在一个示例中，传感器的第一部分可以是适于响应于膜的偏转和/或运动而弯曲的梁、板或其他类型的柔性材料，而第二部分可以是能够提供从第一部到第二部分的距离的电容测量的固定刚性梁，反之亦然。

在一个实施方式中，电容测量装置可以包括至少一个电极。在本发明的含义内，术语“电极”可以被视为测量电极。在电容测量中，测量可以在接地部分和测量电极之间进行，其中电容测量反映这两个元件之间的电容。在一个实施方式中，根据本发明的传感器可以包括多个电极和/或测量电极以及多个接地元件。可替代地，术语“电极”可以被视为对电容测量的一般描述，其中接地元件可以被视为一个电极并且测量电极可以被视为第二电极。在术语“电极”的一般含义内，本发明可以设置有至少一对用于电容测量的电极。

在一个实施方式中，测压仪还可以包括电容测量电路。电容测量电路可以被视为可以用于提供接地元件和测量电极之间或所述的电极对之间的电容测量的电路。

在一个实施方式中，传感器可以包括至少一个电极，其中，电极固定地连接至测压仪的弹性体。通过提供具有至少一个电极的传感器，电极可以附接至弹性体，允许电极相对于膜或测压仪的预期可移动的任何部分静止以测量力。

在一个实施方式中，传感器可以包括连接至连接器并且适于相对于弹性体的其他部分随着膜运动的活动部分。活动部分可以部分可移动和/或完全可移动，这意味着当膜偏转或运动时，特别是当膜在施加的力的方向上偏转或变形时，活动部分也可以运动。因此，由于传感器的该部分随着变形而运动，传感器的该部分可以用于测量膜的偏转/形变率，并且传感器的该部分可以用于对要转化成电信号的运动量进行测量，该电信号表示施加到膜上的力。

在一个实施方式中，膜可以包括载荷引入部分或载荷接收部分，该载荷引入部分或载荷接收部分限定了载荷预期要施加于测压仪的膜的区域。膜的该区域是测压仪最适于接收力以进行精确测量的区域。该区域可以在膜上增强，以确保在力施加到膜上时该区域不显著变形。这种增强可以是具有更大厚度的区域的形式的增强或加强该区域的类似方法。

在一个实施方式中，连接器可以是能够将压力和/或张力从膜传递到传感器的刚性连接器。连接器可以是刚性杆或刚性联杆的形式，这意味着经由张力和/或压力通过膜传递的力/形变可以经由联杆向前传送到传感器或测压仪的另一个部分，即，该连接器是既能够推动传感器或测压仪的第二部分和/或又能够拉动该第二部分的类型。

在一个实施方式中，连接器可以是适于将张力从膜传送到传感器的柔性连接器。连接器可以被视为能够拉到传感器或测压仪的第二部分上的金属丝或绳索，而它不能提供压力，即，如果在预期的方向上施加压力，连接器会弯折。

在一个实施方式中，测压仪可以包括侧壁，其中膜连接至该侧壁的一个端部，并且在载荷施加到膜上时，该膜适于相对于侧壁运动。测压仪的侧壁可以是环形壁，其中环形壁的一个端部可以被视为基部端部，而环形壁的另一个端部附接至膜的周边。膜可以从一个侧壁延伸到相对的侧壁，并且可以在整个路径上不间断，使得膜可以被视为封闭由测压仪的环形侧壁限定的容积体的一部分。

在一个实施方式中，侧壁可以基本上是刚性的。这意味着侧壁可以用作测压仪的固定部分，或为测压仪的传感器提供固定基部，因此当膜偏转、变形或运动时，侧壁基本上不改变其形状、位置或形式，并且可以用作用于测量膜的运动的基点。

在一个实施方式中，连接器可以经由枢轴连接部连接至膜和/或传感器。这意味着连接器可以经由该连接部枢转并且在膜的运动期间相对于它所附接的平面或表面改变其角度。因此，枢轴连接部确保连接器牢固地紧固到至少一个表面/区域，并且允许相对于该表面/区域的角运动，同时确保在偏转/运动返回到其原来的位置时，连接器返回到其原来的位置。

在一个实施方式中，膜可以定位成与测压仪的基部相对。这意味着测压仪可以定位在表面区域或测压仪的基部所定位在的位置上，并且载荷可以施加到测压仪的相对区域上，其中膜定位为接收载荷。

本发明的目的是提供测量与偏心施加的载荷无关的测压仪。

根据本发明，该目的是通过提供插在弹性体和传感器装置之间的联杆来实现的。

这样，根据本发明，要测量的载荷可以通过由联杆启动的各种类型的传感器装置来测量，该联杆仅传递与要测量的力一致或平行的该弹性体的形变。

根据本发明的测压仪的第一实施方式包括具有膜的弹性体和传感器装置，其中膜具有载荷引入部分，并且传感器装置通过每个端部都具有枢轴的联杆联接至膜。

根据本发明的测压仪的第二实施方式包括具有膜的弹性体和电容传感器装置，其中膜具有载荷引入部分，并且电容传感器装置通过每个端部都具有枢轴的联杆联接至膜。

根据本发明的测压仪的第三实施方式包括具有膜的弹性体和电容传感器装置，其中膜具有载荷引入部分，并且电容传感器装置通过每个端部都具有枢轴的联杆以杠杆作用联接至膜。

根据本发明的测压仪的第四和第五实施方式包括具有膜的弹性体和电容传感器装置，其中膜具有载荷引入部分，并且电容传感器装置通过每个端部都具有枢轴的联杆与集成电路联接至膜。

所有实施方式所获得的优点是，弹性体上的偏心载荷仅以与要测量的力一致或平行的弹性体的形变来启动传感器装置，而由于偏心载荷造成的与要测量的力不一致或不平行的膜的形变被联杆吸收。

附图说明

图1示出了作为现有技术的电容测压仪，其具有弹性体和用于检测响应于要测量的载荷的弹性体的形变的传感器装置。

图2示出了用于图1中的测压仪的电容传感器装置。

图3以放大的比例示出了响应于要测量的载荷的图1的测压仪的弹性体的形变。

图4以放大的比例示出了在偏心施加的载荷的情况下响应于要测量的载荷的图1的测压仪的弹性体的形变。

图5示出了根据本发明的测压仪，其中每个端部都具有枢轴的联杆插在弹性体和传感器装置之间。

图6示出了根据本发明的测压仪，其中每个端部都具有枢轴的联杆插在弹性体和电容传感器装置之间。

图7示出了根据本发明的测压仪，其中每个端部都具有枢轴的联杆插在弹性体和电容传感器装置之间，其中联杆提供杠杆作用。

图8示出了根据本发明的测压仪，其中每个端部都具有枢轴的联杆插在弹性体和电容传感器之间，其中电路与电容传感器集成在一起。

图9、图10、图11和图12示出了根据本发明的测压仪，其中每个端部都具有枢轴的联杆插在弹性体和电容传感器装置之间，其中电容传感器装置的大多部分是集成的。

图13、图14、图15和图16示出了根据本发明的测压仪，其中每个端部都具有枢轴的联杆插在弹性体和电容传感器装置之间，所述电容传感器装置被设置为提供差分电容变化。

具体实施方式

图1中的传感器示出了作为现有技术的具有弹性体1和电容传感器装置的测压仪，其中弹性体1在作为弹性体1的一部分的膜3中具有载荷接收部分2，膜3因要测量的载荷P而变形，电容传感器装置在表面4处安装在膜3上。电容传感器装置5设置有环形电极6和7和电子电路模块8，用于响应于要测量的载荷而测量电极6和7的电容值。

图1的电容传感器装置5在图2中示出，具有安装区域4和与膜3的接地内表面构成测量电容的环形电极6和7。

在图3中，为了清楚起见，以放大的比例示出了由于施加到载荷接收部分2上的载荷P造成的膜3的形变。在膜变形时，电极6和7到膜3之间的距离根据载荷P而变化，其中电极7的距离变化大于电极6的距离变化。如果电极6和7连接至电容测量电路8，获得表示载荷P的信号。

在图4中，载荷接收部分2上的偏心施加的载荷P使膜3在载荷P的方向上变形，但同时使载荷接收部分2倾斜，导致在施加偏心载荷的一侧电极6和7与膜之间的距离变化较大，而在载荷接收部分的相对侧的距离变化较小。在图4中，为了清楚起见，放大了距离的变化。电容传感器遵循C＝A/a，其中C是电容，A是电极6或7的面积，a是距离，因此电容C是距离a的非线性函数，这又意味着由于因偏心载荷造成的两侧的距离变化较大和较小而导致的减小和增加的电容不抵消。因此，根据现有技术的测压仪上的偏心施加的载荷将导致测量误差。

现在将参照图5更详细地描述本发明，图5是本发明的基本实施方式，其具有弹性体1，弹性体1在此包括具有载荷引入部分2的膜3、将膜3的载荷接收部分2连接至传感器装置12的联杆9。联杆9在此被示出为在每个端部都具有枢轴，但是该联杆基本上可以形成为柔性联杆，特别是如果将联杆上的力转化成张力的话。

在图5中，联杆9在膜的中间水平处或其附近连接至膜3，以在偏心施加载荷时减少联杆9的上端部的横向运动。

根据本发明，图5的测压仪将容许偏心施加的载荷，因为只有平行于施加的载荷P的膜3的形变才会被传送到传感器装置8，而在所有其他方向上的膜3的形变将被联杆9吸收。

图6是根据本发明的测压仪，其具有电容传感器装置，该电容传感器装置具有通过联杆9连接至膜3的电极13，联杆9在此具有枢轴10和11。电极14和15与(膜的内表面)电极13形成由电容测量电路8测量的电容，该电容提供表示载荷P的信号。

图7的测压仪与图6的测压仪相比具有的优点在于，膜3在载荷P的方向上的特定形变通过13的总长度除以13的位于弹性体1上的13的锚固点与联杆9紧固到13上的点之间的长度的比率而被放大。与根据图6的测压仪相比，该杠杆作用提供的13的端部的运动更大，并因此对于膜3的特定形变提供的电容的变化更大。

根据图8的测压仪包括集成的电容传感器单元16，该集成的电容传感器单元16包括电极17和18，该电极17和18与接地电极13和19形成测量电容。膜3的形变通过联杆9被传送到13和19。通过联杆9传送到13的膜3的形变将导致电极17和接地电极19之间的距离减小，这对于电极17导致电容较高，并且对于电极18和接地电极13反之亦然。电容由电路8测量。

用根据本发明的测压仪的该实施方式所获得的优点是电容测量电路与电极之间的集成，优选集成在公共印刷电路板上或者为了最高的稳定性集成在公共的薄膜或厚膜电路上。

在图9的测压仪中，接地电极13安装在弹性体1中，优选在指定的焊接区域22和23处激光焊接到弹性体1上，其中22提供一定的柔性以吸收弹性体1和电极13的膨胀差异。电极20与电极13分离，优选通过激光切割分离，并且接地电极13和20之间的唯一连接部是柔性梁21，该柔性梁21允许电极20的自由端部在响应于要测量的载荷的膜3的形变通过联杆9传送时运动。

在接地电极13的上侧和下侧安装分别在图11和图12中示出的电极载体24和28。

在根据图9的测压仪的实施方式中，可以省略电极载体中的一个，即24或28。

图11和图12的电极载体优选地制造成具有集成在印刷电路材料的公共电路板上或者为了最高的稳定性集成在薄膜或厚膜电路上的电极25和26以及电容测量电路8。

电极载体24和28通过紧固件27紧固在电极13上。电极26以电极20的自由端部作为其接地对电极。电极25以电极13作为其接地对电极。当电极20的自由端部响应于由联杆9传送的膜的形变而运动时，两个电极26的电容以差分方式变化，而电极25和接地电极13之间的电容在理论上将不变并且用作电极26的参考，以补偿来自变化的环境温度的影响。

这样，根据本发明，提供一种测压仪，其基本上没有因偏心载荷和环境温度变化引起的误差。

在图13的测压仪中，分别在图14和图15中所示的接地电极29和30安装在弹性体1上，优选在指定的焊接区域33处激光焊接到弹性体1上，该指定的焊接区域33提供一定的柔性以吸收弹性体1和电极29和30的膨胀差异。电极载体31和32在图16中被示出并且安装在电极29和30之间。电极29和30的各自的移动部分34和35与电极29和30分离，优选通过激光切割分离，并且接地电极和移动部分34和35之间的唯一连接部是柔性梁36，当响应于要测量的载荷的膜3的形变通过联杆37传送到接地电极29的移动部分34和通过联杆38传送到接地电极30的移动部分35时，该柔性梁36允许移动部分34和35的自由端部通过梁39倾斜。联杆37和38优选在每个端部都设置有枢轴40。

电极载体31和32优选制造成在两侧具有电极，其中电极41和42面向移动部分34并且电极43和44面向移动部分35。

电容测量电路8优选集成在电极载体31和32上，该电极载体31和32可以由印刷电路板材料组成或为了最高的稳定性而由薄膜或厚膜电路组成。

当移动部分34的右端部因膜3的向下变形而通过联杆37和梁39偏转时，看出图13中的电极41的电容因电极41与接地电极29的移动部分34的右端部之间的距离的增加而减小。

同样地，电极42的电容因电极42与接地电极29的移动部分34的左端部之间的距离的减小而增大。

当移动部分35的左端部因膜3的向下变形而通过梁39和联杆38偏转时，看出图13中的电极44的电容因电极44与接地电极30的移动部分35之间的距离的减小而增大。

同样地，电极43的电容因电极43与接地电极30的移动部分35的右端部之间的距离的增大而减小。

该实施方式的优点在于，电极载体31的电极42和44的电容都增大，这意味着如果电极42和44的电容之和用于信号的计算，则电极载体31相对于接地电极29和30的可能运动高度抵消。

同样地，电极载体32的电极41和43的电容都减小，这意味着如果电极41和43的电容之和用于信号的计算，则电极载体32相对于接地电极29和30的可能运动高度抵消。

实施方式

1.具有弹性体和传感器装置的测压仪，其中所述传感器装置通过柔性联杆联接至所述弹性体。

2.具有弹性体和传感器装置的测压仪，其中，所述传感器装置通过在一个端部或在两个端部都具有枢轴的联杆联接至所述弹性体。

3.具有弹性体和传感器装置的测压仪，其中，所述传感器装置是电容式的并且通过联杆联接至所述弹性体。

4.具有弹性体和传感器装置的测压仪，其中，所述传感器装置是电容式的并且通过联杆联接至所述弹性体的膜。

5.具有弹性体和传感器装置的测压仪，其中，所述传感器装置是电容式的并且通过联杆联接至所述弹性体的膜，其中联杆的一个端部联接至膜的中间水平。

6.具有弹性体和传感器装置的测压仪，其中，所述传感器装置是具有差分耦合电容的电容式的，并且通过联杆联接至所述弹性体的膜。

7.具有弹性体和传感器装置的测压仪，其中，所述传感器装置是电容式的并且通过联杆联接至所述弹性体的膜，所述联杆联接至传感器装置，放大弹性体的形变。

8.具有弹性体和传感器装置的测压仪，其中，所述传感器装置是具有集成的电极和测量电路的电容式的并且通过联杆联接至所述弹性体的膜。

Claims (13)

1.一种测压仪，其包括：

-弹性体，其具有基部；

-柔性膜，其适于在载荷施加到膜上时屈服；

-传感器，其用于测量施加到膜上的载荷；

-至少一个连接器，该连接器具有连接至膜的第一端部和连接至传感器的第二端部，其中连接器被构造为将施加到膜上的机械力传递到传感器，

其中，传感器包括第一传感器部分，所述第一传感器部分具有固定到测压仪的弹性体上的固定的第一端部以及自由的第二端部，

所述连接器的第二端部连接至第一传感器部分的第一端部和第二端部之间，以利用杠杆作用使得第一传感器部分的第二端部处的运动量相比连接器与第一传感器部分的连接部分处的运动量更大，

在所述第一传感器部分的第二端部处放大的运动量能够用于测量膜的偏转或形变率。

2.根据权利要求1所述的测压仪，其中，传感器包括第二部分，其中第二部分包括电容测量装置。

3.根据权利要求2所述的测压仪，其中，电容测量装置包括至少一个电极。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，测压仪还包括电容测量电路。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，传感器包括至少一个电极，其中电极固定地连接至测压仪的弹性体。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，传感器包括活动部分，所述活动部分连接至连接器并且适于相对于弹性体的其他部分随着膜运动。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，膜包括载荷引入部分或载荷接收部分，所述载荷引入部分或载荷接收部分限定了载荷预期要施加于测压仪的膜的区域。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，连接器是能够将压力和/或张力从膜传送到传感器的刚性连接器。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，连接器是适于将张力从膜传送到传感器的柔性连接器。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，测压仪包括侧壁，其中膜连接至所述侧壁的一个端部，并且其中膜适于在载荷被施加到膜上时相对于侧壁运动，所述侧壁是环形的，其中膜的周边区域附接至侧壁。

11.根据权利要求10所述的测压仪，其中，侧壁是刚性的。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，连接器经由枢轴连接部附接至膜和/或传感器。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的测压仪，其中，膜定位成与测压仪的基部相对。

Images