CN108369146B - 测力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测力装置，该测力装置包括沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大，这是通过估算由于位于闭合轮廓负载感测元件上的相反象限上的一对悬臂的角运动而刻画的圆弧上的两个点之间的准线性增量位移来实现的，以提高测力装置的灵敏度且由此提高其分辨率。

Description

测力装置
技术领域
本发明涉及一种测力装置，该测力装置通常用在材料和结构测试系统中，用于精确地测量静态和动态负载。
背景技术
典型的测力装置(也称为测压单元)由负载感测元件组成，该负载感测元件与所施加负载成比例地弹性变形。这进而改变结合于负载感测元件的诸如应变计之类的敏感元件的电气性能。电气性能的此种变化可能与所施加的负载相关联。工业应用中的力传感器通常使用此种原理。
测力装置的灵敏度被定义为为能够以物理参数形式测得的变化与实际施加的力中最小变化的比值。灵敏度越高，测力装置的分辨率就越好。测力装置的灵敏度通过弹性变形的机械放大或者类似于电压或电流的电气性能的电气放大得以改进。
测力装置通常具有两种类型：(a)基于测力环，以及(b)基于应变计。在基于测力环的测压单元中，沿着环形力感测元件的施力轴线直接地测量线性弹性变形(不具有任何机械放大)，以指示所施加的力。测力装置的灵敏度受到用于测量弹性变形的位移传感器的灵敏度限制，该位移传感器通常是线性可变差分变压器(LVDT)。在基于应变计的测力装置中，一组经校准的箔阻应变计以特定的图案安装在挠性臂上，以拾取压缩或拉伸应变。这些应变计设置成形成称为全惠斯顿桥的电路，该电路的输出电压与施加于负载感测元件的力相关联。在这些现有技术的测压单元中，既不放大弹性变形也不放大电气性能，而是经由附加的电子信号调节板将通常为mV(毫伏)量级的输出电气信号放大为V(伏特)量级。然而，电气信号的放大导致高的信噪比。这些测压单元的更佳报告分辨率在满刻度的0.02-0.05％的量级上。电气信号的此种放大包含使用模拟电子装置，例如模数转换器、信号调节硬件等等。
发明内容
本发明公开一种测力装置，该测力装置包括机械地放大沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大，这是通过估算由于位于闭合轮廓负载感测元件上的相对象限上的一对悬臂的角运动而刻画的圆弧上的两个点之间的准线性增量位移来实现的，以提高测力装置的灵敏度且由此提高其分辨率。
根据本发明第一方面的测力装置包括闭合轮廓负载感测元件，该闭合轮廓负载感测元件沿着施力轴线(y-轴线)和与之垂直的轴线(x-轴线)是轴对称的。该装置包括第一悬臂和第二悬臂，该第一悬臂在其中一个象限中安装在轮廓上，且该第二悬臂在轮廓的相反象限中安装在轮廓上，其中，第一悬臂和第二悬臂的自由端部向轮廓内部定位，以使得这些臂在固定端部处垂直于轮廓上的圆弧。由所施加负载引起的变形导致两个臂均能绕它们的固定点无穷地旋转，这导致悬臂的自由端部进行准线性运动，以实现沿着施力轴线的变形的机械放大。
在本发明的另一方面中，第一悬臂和第二悬臂分别相对于x-轴线定位在角度α和α+180，以使得对于任何所施加的负载而言这些臂绕它们的固定端部的角运动最大。
在本发明的另一方面中，在第一悬臂的自由端部处安装有线性数字编码器，且在第二悬臂的自由端部处安装有编码器刻度，以使得线性数字编码器和编码器刻度彼此平行和相对，并且沿着臂的自由端部的运动定位。
在优选的方面中，在压缩负载下，第一悬臂和第二悬臂绕它们的固定端部逆时针转动角度-β/2，而在拉伸负载下，悬臂绕它们的固定端部顺时针转动角度β/2。
在另一方面中，第一悬臂和第二悬臂具有一定长度，以使得通过第一和第二悬臂的自由端部的假想线也通过轮廓的中心。
在另一方面中，在所施加的负载和对应变形下，自由端部在假想圆弧上进行准线性运动，这些准线性角运动导致假想线形成，而假想线形成使得变形能够机械地放大四倍。
根据本发明另一实施例的测力装置包括：闭合轮廓负载感测元件，该闭合轮廓负载感测元件沿着施力轴线和垂直于该施力轴线的轴线两者均是轴对称的；第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂，这些悬臂分别相对于x-轴线以角度α、180+α、180-α和360-α安装在轮廓上，其中，所有悬臂的自由端部均在轮廓内部，以使得这些臂在固定端部处垂直于轮廓上的圆弧；其中，由所施加负载导致的变形实现悬臂的自由端部的准线性运动，以导致沿着施力轴线的变形的机械放大。
在优选方面中，选择相对于轮廓的x-轴线的角度α，以使得对于任何所施加的负载而言每个悬臂绕其固定端部的角运动最大。
在优选方面中，在压缩负载下，第一悬臂和第二悬臂逆时针转动，且第三悬臂和第四悬臂顺时针转动，而在拉伸负载下，第一悬臂和第二悬臂顺时针转动，且第三悬臂和第四悬臂逆时针转动。
附图说明
现参照附图，其中，图示仅仅用于说明本发明可能实施例的目的，而并非用于限制本发明可能实施例的目的，
图1示出典型的测力装置的示意图；
图2示出根据本发明第一实施例的测力装置的操作的原理；
图3示出基于第一实施例的测力装置的分解视图；
图4示出基于第一实施例的测力装置的另一视图；
图5示出传感器安装配置的分解视图；
图6示出基于本发明的测压单元在伺服控制材料测试系统上的安装和操作；
图7示出本发明的数字测压单元的精确度与基于应变计的测压单元的精确度之间比较的图形表示；
图8示出根据本发明第二实施例的测力装置的操作的原理；
图9示出根据第二实施例的测力装置，该测力装置具有用于测量一对机械放大位移的配置；并且
图10示出根据第二实施例的测力装置的分解视图，该测力装置具有用于测量一对机械放大位移的配置。
具体实施方式
图1中示出基于电气放大原理工作的典型测力装置的示意图。施加在负载感测元件上的力导致元件的弹性变形，该弹性变形会改变例如与元件结合的应变计的电性能。测力装置的灵敏度被定义为为可测得的输出(物理参数)变化与输入(所施加力)的最小变化的比值。
如进一步会描述的是，本发明提供测力装置，该测力装置基于沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大的原理而工作。
根据本发明第一实施例的测力装置的操作的原理会参照图2进行解释。该测力装置包括具有闭合轮廓(5)的刚性负载感测元件，该负载感测元件沿着施力轴线和与该施力轴线垂直的轴线是轴对称的。根据该实施例，施力轴线将被称为y-轴线，且与该施力轴线垂直的轴线将被称为x-轴线。第一悬臂(1)在轮廓的四个象限的一个象限中安装在轮廓(5)上，且第二悬臂(2)在轮廓(5)的与上述象限相反的象限中安装在该轮廓上，且臂(1、2)的自由端部在轮廓(5)内，以使得每个臂均在其固定端部处垂直于轮廓的圆弧。臂(1、2)相对于x-轴线(垂直于施力轴线)以专门选择的角度定位，以使得针对沿着施力方向的相同量轮廓位移，这些臂绕它们的固定端部经受最大角运动。
在施力改变时，臂(1、2)的自由端部刻划圆弧。如果负载感测元件的轮廓尺寸r＝min(a、b)和沿着施力轴线的弹性变形(对应于负载P)δ/2使得R＞＞δ/2，则臂(1、2)的自由端部移动过的增量准线性距离Δ/2是共线的且Δ＝2δ。现在如果所施加的负载与此种机械放大位移Δ(由于臂的角运动导致)相关联而不是与弹性变形δ相关联，则测力装置的灵敏度是基于现有技术测力环的测力装置的两倍。
根据图2，负载感测元件被认为是闭合轮廓的，该闭合轮廓具有半长轴a和半短轴b，且该负载感测元件通过沿着y-方向的拉伸或压缩偏转而起作用。轮廓形状在不施加力时不变形，且此种轮廓用作参照。经变形的轮廓表示拉伸和压缩偏转。幅值P完全反向的拉伸-压缩负载的施加导致沿着y-方向的幅值δ/2的变形。刚性悬臂(1、2)在图2中表示为n1m1和n2m2(具有相等的长度)。第一臂(1)位于并且固定在n1处，且第二臂(2)位于并且固定在n2处。这些臂在另一端部m1和m2处自由移动。臂长度使得通过m1和m2的线l1l2也通过轮廓的原点(即，中心)。这些臂n1m1和n2m2分别相对于x-轴线以角度α度和180+α度位于轮廓上。这些臂垂直于轮廓上的圆弧，并且即使在变形的状况下也保持如此状态。在循环加载期间，这些臂分别绕n1和n2旋转，以使得自由端部m1和m2分别在圆弧r1和r2上移动。在施力过程期间：
(a)臂在无负载状况下，即在P＝0.0和δ＝0状况下，是平行的；在该状况下：距离L＝m1m2＝L0，
(b)在压缩负载P和变形-δ/2下，臂逆时针转动角度-β/2；在该状况下：距离L＝L＝m1m2＝Lc＝L0+Δ，
(c)在拉伸负载P和变形-δ/2下，臂顺时针转动角度β/2；在该状况下：距离L＝m1m2＝Lt＝L0-Δ。
选择角度α，以使得对于任何所施加负载P而言臂的角运动β/2最大。如果轮廓尺寸(a、b)和臂的长度(S)使得S、a、b＞＞δ，则点m1和m2在线l1l2上进行对应于角运动β/2的准线性运动，并且能在数学上示作：
Figure BDA0001701037920000051
在这之后，在任何施力点处，沿着线l1l2的线性化变形是
Figure BDA0001701037920000052
这暗指，针对与沿着y-轴线施加负载P对应的弹性变形δ/2，存在两个点m1和m2，以使得它们之间的距离几乎以2δ递增，也就是说放大4倍。
示例
下文是针对具有椭圆形形状闭合轮廓的负载感测元件的沿着施力轴线的变形的机械放大的示例。
假定，
a＝55.0mm，b＝50.0mm，S＝52.25mm，以及δ/2＝2.5×10-5mm
结果，
β/2＝0.0001°，且Δ/2＝5.0×10-5mm
此种机械放大的变形与沿着y-轴线的所施加负载相关联。围绕此创建的测力装置会比基于传统测力环的一种测力装置具有成倍优越的分辨率。
基于本发明的具有25KN容量的示例性测力装置的分解视图在图3中示出。测力装置包括轴对称的闭合轮廓(5)、位移传感器(即，数字编码器(6))以及刚性悬臂(1、2)，这些刚性悬臂固定在轮廓上且绕它们在轮廓上的固定端部自由旋转。负载感测元件的闭合轮廓(5)看起来大致类似于椭圆形，因为该闭合轮廓通过连接两个半圆而形成，这两个半圆形定位成与垂直线隔开相等距离的镜像。如图3和4中所示，在第一臂(1)的自由端部处安装有线性编码器(6)，且在第二臂(2)的自由端部处安装有编码器刻度(9)，以使得编码器(6)和刻度(9)彼此平行和相对，并且沿着臂的自由端部的运动定位。闭合轮廓(5)使用紧固件(4、7)容纳在后盖板(3)和前盖板(8)内。图5示出使用第一和第二悬臂(1、2)的编码器(6)和刻度(4)安装结构的分解视图。
基于本发明的测力装置的安装和装配被展示在伺服控制的基于机电的便携式材料测试系统上，该系统是由BiSS-ITW提供的通常被称为即插即用NANO系统。该结构在图6中示出，其包括根据本发明的测力装置(20)、顶部和底部抓持件(22、26)、测试样本(24)、致动器活塞(28)以及裂缝开口位移(COD)测量仪(30)。
图7示出使用基于本发明装置(数字测压单元)的力测量的精确度与从基于应变计的测压单元(模拟测压单元)获得的精确度的比较的曲线图。曲线图的列表数值下文在表1中给出。
表1
Figure BDA0001701037920000061
Figure BDA0001701037920000071
由于使用轮廓沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大并且利用高分辨率编码器来对其进行测量，因而基于本发明的测力装置提供的力测量分辨率比从基于应变仪的测压单元测得的分辨率具有越10倍以上的精确度。
在本发明的另一实施例中，作为沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大结果，测力装置通过测量与沿施力轴线的弹性变形相对应的两组机械放大位移使得所测得的力将施力轴线中的任何失准考虑在内。该实施例后面的原理在图8中说明，且基于该原理的测压单元的设计在图9和图10中示出。
图8示出闭合轮廓负载感测元件(15)，该闭合轮廓负载感测元件沿着施力轴线(y-轴线)和垂直于施力轴线的轴线(x-轴线)是轴对称的。第一悬臂(11)、第二悬臂(12)、第三悬臂(13)和第四悬臂(14)分别相对于x-轴线以角度α、180+α、180-α以及360-α安装在轮廓(15)上。
第一和第二悬臂(11、12)形成第一对悬臂，且第三和第四悬臂(13、14)形成第二对悬臂。第一、第二、第三和第四悬臂(11、12、13、14)的自由端部在轮廓(15)内，以使得每个臂在固定端部处垂直于轮廓上的圆弧。
闭合轮廓负载感测元件具有半长轴a和半短轴b，且通过沿着y-方向的拉伸或压缩偏转而起作用。轮廓形状在不施加力时保持不变形，且此种轮廓用作参照。经变形的轮廓表示拉伸和压缩偏转。幅值P的完全反向的拉伸-压缩负载的施加导致沿着y-方向幅值δ/2的变形。第一对悬臂(11、12)表示为n1m1和n2m2(具有相等长度)，且第二对悬臂(13、14)表示为n3m3和n4m4，且分别以角度180-α和360-α定位。随着第一和第二悬臂n1m1和n2m2的自由端部m1和m2在线l1上进行与闭合轮廓(15)的垂直偏转δ/2相对应的准线性运动Δ1/2，第三和第四悬臂(13、14)的自由端部m3和m4在线l2上进行准线性运动Δ2/2。在循环施力期间，第一和第二臂(11、12)分别绕n1和n2旋转，以使得自由端部m1和m2分别在圆弧r1和r2上移动。第三和第四臂(13、14)分别绕n3和n4旋转，以使得自由端部m3和m4分别在圆弧r3和r4上运动。当闭合轮廓垂直地压缩δ/2时，臂n3m3和n4m4绕n3和n4顺时针旋转，且臂n1m1和n2m2绕n1和n2逆时针旋转。这里，可示出的是：
Figure BDA0001701037920000081
和
Δ＝((Δ1+Δ2))/2。
上文得出的平均位移能与负载P相关联，该负载与闭合轮廓(15)的垂直偏转δ/2相对应。因此，能避免由于失准负载而在读数中引起的任何偏差。
悬臂(11、12、13、14)在轮廓形(15)负载感测元件中的安装在图9和10中示出。因此，沿着施力轴线的机械放大有助于设计具有改进灵敏度、分辨率和精确度的测压单元。
根据上述实施例的测力装置的实施方式连同高分辨率编码器的使用具有若干优点。此种设置是无需任何模拟电子装置的完全数字测压单元，由此省去类似于模数转换器、信号调节硬件等的电子硬件装置。
换能器响应对于轮廓形状变化敏感，但对于尺寸变化不敏感。因此，根据本发明的装置不受温度影响。只要温度在整个装置上是均匀的，轮廓形状就不会改变。因此，力的读数也会保持不变。
此外，弹性变形的机械放大导致力和经放大位移之间产生严格或高度线性的关系，这是因为，由于1×10-4度量级的无穷角运动，经放大位移是准线性的。
前文描述示出并且描述本发明的优选实施例。应意识到的是，该实施例仅仅出于说明的目的来描述，且多个替代和修改可由本领域技术人员实践，而不会偏离本发明的精神和范围。旨在包括所有这些修改和替代，只要它们落在被权利要求或其等同物所要求的本发明范围内。

Claims (16)

1.一种测力装置，包括：
具有闭合轮廓的负载感测元件，所述具有闭合轮廓的负载感测元件沿着施力轴线和垂直于所述施力轴线的轴线是轴对称的；
具有第一固定端部的第一悬臂和具有第二固定端部的第二悬臂，所述第一悬臂在所述闭合轮廓的四个象限中的一个象限中安装在所述闭合轮廓上，且所述第二悬臂安装在所述闭合轮廓的与上述象限呈中心对称的象限中，其中，所述第一悬臂和所述第二悬臂的自由端部在所述闭合轮廓内部，以使得所述第一悬臂和所述第二悬臂在各自的固定端部处垂直于所述闭合轮廓上的圆弧；
其中，由所施加负载P引起的变形δ/2导致所述第一悬臂和所述第二悬臂的所述自由端部进行准线性运动，以使得沿着所述施力轴线的所述变形δ/2能够机械地放大。
2.根据权利要求1所述的测力装置，其中，所述第一悬臂相对于所述垂直于所述施力轴线的轴线以角度α定位，且所述第二悬臂相对于所述垂直于所述施力轴线的轴线以角度α+180°定位，以使得对于任何所施加负载而言所述第一悬臂和所述第二悬臂绕它们固定端部的角运动是最大的。
3.根据权利要求1所述的测力装置，其中，在压缩负载下，所述第一悬臂和所述第二悬臂逆时针转动角度-β/2。
4.根据权利要求1所述的测力装置，其中，在拉伸负载下，所述第一悬臂和所述第二悬臂顺时针转动角度β/2。
5.根据权利要求1所述的测力装置，其中，在所述第一悬臂的所述自由端部处安装有线性数字编码器。
6.根据权利要求5所述的测力装置，其中，在所述第二悬臂的所述自由端部处安装有编码器刻度，以使得所述线性数字编码器和所述编码器刻度彼此平行和相对，并且沿着所述第一悬臂和所述第二悬臂的所述自由端部的运动定位。
7.根据权利要求1所述的测力装置，其中，所述第一悬臂和所述第二悬臂具有相等长度，以使得通过所述第一悬臂和所述第二悬臂的所述自由端部(m1、m2)的假想线(l1l2)也通过所述闭合轮廓的中心。
8.根据权利要求7所述的测力装置，其中，在所述所施加负载P和对应变形δ/2下，所述第一悬臂和所述第二悬臂的所述自由端部(m1、m2)分别在假想圆弧(r1、r2)上进行准线性运动；这些准线性角运动导致所述假想线(l1l2)形成，这使得能够将所述变形δ/2机械地放大四倍(Δ)。
9.根据权利要求1所述的测力装置，其中，所述负载感测元件的所述闭合轮廓具有椭圆形轮廓。
10.根据权利要求1所述的测力装置，其中，所述负载感测元件的所述闭合轮廓具有轴对称闭合轮廓型面。
11.根据权利要求1所述的测力装置，其中所述第一悬臂和所述第二悬臂是刚性悬臂。
12.一种测力装置，包括：
具有闭合轮廓的负载感测元件，所述具有闭合轮廓的负载感测元件沿着施力轴线和垂直于所述施力轴线的轴线是轴对称的；
第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂，所述第一悬臂、所述第二悬臂、所述第三悬臂和所述第四悬臂各自都具有安装在所述闭合轮廓上的固定端部；
其中所述第一悬臂、所述第二悬臂、所述第三悬臂和所述第四悬臂相对于所述垂直于所述施力轴线的轴线分别以角度α、α+180、180-α和360-α安装；
其中，所述第一悬臂、所述第二悬臂、所述第三悬臂和所述第四悬臂的自由端部在所述闭合轮廓内部，以使得每个悬臂在固定端部处垂直于所述闭合轮廓上的圆弧；
其中，由所施加负载导致的变形实现所述第一悬臂、所述第二悬臂、所述第三悬臂和所述第四悬臂的所述自由端部的准线性运动，以导致沿着所述施力轴线的所述变形机械地放大。
13.根据权利要求12所述的测力装置，其中，选择相对于所述闭合轮廓的垂直于所述施力轴线的轴线的角度α，以使得对于任何所施加负载而言所述第一悬臂、所述第二悬臂、所述第三悬臂和所述第四悬臂绕它们固定端部的角运动是最大的。
14.根据权利要求12所述的测力装置，其中，在压缩负载下，所述第一悬臂和所述第二悬臂逆时针转动，且所述第三悬臂和所述第四悬臂顺时针转动。
15.根据权利要求12所述的测力装置，其中，在拉伸负载下，所述第一悬臂和所述第二悬臂顺时针转动，且所述第三悬臂和所述第四悬臂逆时针转动。
16.根据权利要求12所述的测力装置，其中所述第一悬臂、所述第二悬臂、所述第三悬臂和所述第四悬臂是刚性悬臂。
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