CN110036267B - 同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力(F)的测量传感器(1)；具有至少一个压电式传感元件(10，10′)；力(F)在压电式传感元件(10，10′)的元件表面上产生电极化电荷，产生的电极化电荷的数量与力(F)的大小成比例；具有谐振元件(20)，其可以被激励到至少一个谐振频率(f)；力(F)沿着力方向施加在压电式传感元件(10，10′)上和谐振元件(20)上；力(F)在谐振元件(20)中引起横向应变(Q)，横向应变(Q)在谐振元件(20)中沿着横向方向发生，该横向方向与力方向形成一非零角度，横向应变(Q)的大小与力(F)的大小成比例；横向应变(Q)产生谐振频率(f)的频率变化(Δf)，该频率变化是力(F)的函数。

Description

同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的、用于同时测量力的测量传感器，该力既可以是动态的也可以是静态的。
背景技术
专利文献EP0065511A1示出了一种用于测量动态力的测量传感器，其具有压电式传感元件。该压电式传感元件具有多个由压电材料制成的盘形板，板的盘形直径明显大于板的厚度。为了测量力，使用纵向效应形式的直接压电效应。压电材料在空间上相对于力被定向为，使得力正交地作用在板的盘形表面上并在盘形表面上产生电极化电荷。电极化电荷由电极拾取并作为电荷信号(Ladungssignal)被引向分析单元。电极化电荷与作用力成比例。由于在实践中总是存在漏电流，因此利用直接压电效应仅可以对变化频率在几 Hz到几MHz范围内的动态力进行测量，仅可进行几分钟持续时间的准静态的力测量。
相反，静态力在数小时、数周和数年的长时间内也不会发生改变。为了测量静态力，专利文献EP0065511A1的测量传感器教导了逆压电效应的应用。另一种压电式传感元件具有多个由压电材料制成的盘形板，通过电极作为频率信号的交变电场施加在板上。交变电场通过逆压电效应激励板进行机械振荡。交变电场是可调节的并且由分析单元产生。如果交变电场的激励频率等于板的机械固有频率，则存在谐振，相应的频率称为谐振频率。在静态力的作用下，板的谐振频率改变，该频率变化由分析单元的振荡电路检测。根据专利文献EP0065511A1的教导，对动态力和静态力的测量是同时进行的。
发明内容
本发明的目的在于，对基于现有技术的、用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器进行改进。
本发明的目的通过独立权利要求的特征来实现。
本发明涉及一种用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器，具有：至少一个压电式传感元件，其中，力在压电式传感元件的元件表面上产生电极化电荷，所产生的电极化电荷的数量与力的大小成比例；谐振元件，该谐振元件可被激励至至少一个谐振频率；其中，力沿着一力方向施加在压电式传感元件上和谐振元件上；其中，力在谐振元件中引起横向应变，该横向应变在谐振元件中沿着一横向方向发生，该横向方向与力方向形成非零的角度，横向应变的大小与力的大小成比例；并且其中，横向应变产生谐振频率的频率变化，该频率变化是力的函数。
专利文献EP0065511A1教导了使用两个压电式传感元件同时测量动态力和静态力。这两个压电式传感元件以相对于待测量的力相同的空间方向来设置，并以相同的方式受到待测量的力影响。但是测量原理是不同的。直接压电效应被用于测量动态力，谐振频率的频率变化被用于测量静态力。机械振荡激励借助逆压电效应实现。现在，为了建立直接压电效应，一压电系数必须是非零的。并且为了建立逆压电效应，一压电模数(Modul)必须是非零的。虽然可以将压电式传感元件的压电材料空间地定向为，既能够建立直接压电效应，也能够建立逆压电效应，但是这样的压电效应很弱并且无法达到市场上要求的直接压电效应的高灵敏度。
而且，专利文献EP0065511A1的测量传感器是被机械预紧的。机械预紧能够防止在测量谐振频率的频率变化时在压电材料与电极之间出现接触电阻。但是机械预紧也会抑制机械振荡。因此测量传感器具有高损耗系数，不能满足市场需求。
因此，根据本发明的测量传感器具有压电式传感元件和谐振元件，两者可以彼此独立地在空间上相对于彼此并相对于待检测的力来设置，从而克服了专利文献EP0065511A1的缺点。压电式传感元件直接在力通路中测量力，而谐振元件则是力通路之外的振荡区域中测量由力引起的横向应变。因此，可以针对性地将压电式传感元件设置为关于力方向具有高灵敏度。独立于此地，针对横向应变而将谐振元件设置为，其在振荡区域中针对振荡有足够的空间，并且测量传感器因此具有高品质因子。
附图说明
下面参照附图对本发明进行示例性地详细说明。其中：
图1示出了测量传感器的一部分的示意性分解图；
图2以透视图示出了根据图1的测量传感器的第一种实施方式的一部分，其具有压电式传感元件；
图3以剖视图示出了根据图2的测量传感器的第一种实施方式的一部分；
图4以透视图示出了根据图1的测量传感器的第二种实施方式的一部分，其具有两个压电式传感元件；
图5以剖视图示出了根据图4的测量传感器的第二种实施方式的一部分；
图6以透视图示出了根据图1的测量传感器的第三种实施方式的一部分，其具有压电式传感元件；
图7以剖视图示出了根据图6的测量传感器的第三种实施方式的一部分；
图8以透视图示出了根据图1的测量传感器的第四种实施方式的一部分，其具有两个压电式传感元件；
图9以剖视图示出了根据图8的测量传感器的第四种实施方式的一部分；
图10示出了根据图1至图9的测量传感器的谐振元件的平均力灵敏度的第一视图，其取决于力导入角；
图11示出了根据图1至图9的测量传感器的谐振元件的平均力灵敏度的第二视图，其取决于力导入角范围；
图12以透视图示出了根据图1至图9的测量传感器的力施加元件的第一种实施方式；
图13以透视图示出了根据图1至图9的测量传感器的力施加元件的第二种实施方式；
图14以俯视图示出了根据图1至图9的测量传感器的力施加元件的第三种实施方式，其具有第一力导入角范围；
图15以俯视图示出了根据图1至图9的测量传感器的力施加元件的第四种实施方式，其具有第二力导入角范围；
图16示出了穿过具有根据图14或图15的力施加元件的根据图2或图3 的测量传感器的一部分的剖视图；
图17以剖视图示出了根据图8或图9的测量传感器的一部分，其具有两个根据图14或图15的力施加元件；
图18示出了根据图1至图9的测量传感器的谐振元件的平均热线膨胀系数的第一视图，其取决于力导入角；
图19示出了根据图1至图9的测量传感器的谐振元件的平均热线膨胀系数的第二视图，其取决于力导入角范围；
图20示出了根据图1至图9的、已被安装好可随时使用的测量传感器的一种实施方式的视图，其具有根据图14或图15的力施加元件。
具体实施方式
测量传感器1被配置用于对力F的同时测量，该力既可以是动态的，也可以是静态的。动态的力F在很短的时间内发生变化，并且变化平频率在几 Hz到几MHz的范围内。静态的力F在数小时、数周和数年的长时间内不会改变，并且变化频率在mHz到nHz的范围内。待检测的力F是动态的还是静态的仅取决于其变化频率。在了解本发明的情况下，技术人员也可以设置用于同时测量动态压力和静态压力的测量传感器。技术人员还可以设置用于测量加速度的测量传感器。
测量传感器1具有纵轴AA′、横轴BB′和斜轴CC′。这些轴彼此倾斜，优选地彼此垂直。在本发明意义下，术语倾斜表示这些轴彼此之间成任何非零的角度。纵轴AA′垂直于横向平面BC。图1至图9示出了具有至少一个压电式传感元件10、10′的测量传感器1的多种实施方式，该测量传感器通过直接压电效应测量力F并具有谐振元件20，该谐振元件通过谐振频率的频率变化来测量横向应变Q。力F和横向应变Q以箭头示意性示出。
力F沿着平行于纵轴AA′的力方向被导入到测量传感器1中。在本发明的意义下，也称为力方向AA′。力F在至少一个传感器接触区域K1、K1′中施加在压电式传感元件10、10′上，传感器接触区域K1、K1′位于力通路中。力F可以直接或间接地施加在压电式传感元件10、10′上。力F在至少一个谐振接触区域K2、K2′中施加在谐振元件20上，谐振接触区域K2、K2′也位于力通路中。力F可以直接或间接地施加在谐振元件20上。在根据图1至图9的实施方式中，压电式传感元件10、10′通过谐振接触区域K2、K2′与谐振元件20机械接触。
压电式传感元件10、10′直接在力通路中测量力F，而谐振元件20在位于力通路之外的振荡区域中测量由力F引起的横向应变Q。力F引起谐振元件20的弹性变形。谐振元件20的弹性变形是力的函数F，其优选与力F的大小成比例。在谐振元件20中，沿着纵轴AA′发生长度变化，并在横向平面 BC中发生横向应变Q。横向应变Q的大小是力的函数，其优选与力F的大小成比例。在根据图1至图5的实施方式中，力F是压力；在根据图6至图 9的实施方式中，力F是拉力。横向应变Q可以是各向同性的或各向异性的。特别是在压电材料中，横向应变Q是各向异性的。
压电式传感元件10、10′是中空圆柱形的(环、套筒等)。谐振元件20 是圆柱形的(盘、圆杆等)。纵轴AA′中心地穿过压电式传感元件10、10′和谐振元件20。在了解本发明的情况下，技术人员也可以实现其它已知形式的压电式传感元件和谐振元件，例如多面体、立方体、长方体、中空截锥、半盘、四分之一盘等。
压电式传感元件10、10′由压电材料11、11′构成。压电材料11、11′是诸如石英(SiO2单晶)、钙镓镓锗(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧 (La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、正磷酸镓、压电陶瓷等的晶体材料。优选地，压电材料11、11′由对称等级为m、32、3m、
Figure BDA0002078332790000051
2m或23的晶体材料构成。优选地，使用石英作为压电材料11、11′，其中正交轴x、y、z作为晶轴，并且轴z作为光轴。对于不同定向的压电材料11、11′，石英的弹性系数sλμ＝(δSλ/δTμ)的值在平面xy中是相等的。Sλ在矩阵表示法中称为机械应变张量，Tμ在矩阵表示法中称为机械应力张量，张量下标λ,μ＝1至6。对于不同定向的压电材料11、11′，石英的热线膨胀系数α在平面xy中也是相同的。
力F作用在压电式传感元件10、10′上，并在压电式传感元件10、10′的元件表面上产生电极化电荷。针对纵向效应形式的直接压电效应，压电式传感元件10、10′被定向为，使得力F在端面上作用在压电式传感元件上也产生电极化电荷。端面因此是元件表面。端面位于横向平面BC中。为了建立直接压电效应，压电系数diμ＝(δDi/δTμ)必须不等于零。Di称为电位移场 (elektrische Verschiebungsfeld)，Tμ在矩阵表示法中称为机械应力张量，其中，拉丁语下标i＝1至3并且张量下标μ＝1至6。灵敏度表示第一压电材料11、11′对力F的响应程度，力F产生多少电极化电荷。灵敏度由压电系数diμ＝(δDi/δTμ)来确定。压电材料11、11′被相对于力F定向为，使其针对直接压电效应具有高灵敏度，优选为最大灵敏度。优选地，使用石英作为压电材料11、11′，其中，正交轴x、y、z作为晶轴，并且轴z作为光轴。当压电式传感元件10、10′被切割为具有被作为平面yz的法线的轴线的x环时，压电系数d11针对纵向效应具有最大的灵敏度。x环的轴x平行于纵轴AA′。 x环的光轴z位于横向平面BC中。在了解本发明的情况下，技术人员也可以使用横向效应，其中，压电式传感元件被定向为，使得电极化电荷产生在垂直于力F作用于其上的端面的元件表面上。
谐振元件20同样可以由压电材料21构成。优选地，压电式传感元件 10、10′和谐振元件20由相同的压电材料11、11′制成，21，由此使得测量传感器1的制造成本低廉并且压电式传感元件10、10′和谐振元件20具有大致类似的物理特性。在了解本发明的情况下，技术人员还可以使用由诸如金属、非金属、半导体、有机材料、无机非金属材料等非压电材料和压电材料构成的复合材料来制成谐振元件。优选地，这两种材料通过诸如热压焊接、粘接等材料配合地相互连接。压电材料的振荡激励用于连接的机械振荡。
可以利用交变电场的激励频率将谐振元件20激励到基调和n次谐波 (Oberton)中的至少一个谐振频率。在激励频率等于谐振元件20的机械固有频率时，发生谐振。为了建立逆压电效应，压电模量eiλ＝δDi/δSλ必须不等于零。Di称为电位移场，Sλ在矩阵表示法中称为机械应变张量，拉丁语下标i＝1至3，张量下标λ＝1至6。谐振元件20被定向为，使得其作为厚度振子或者作为长度或应变振子或者作为弯曲振子或者作为表面剪切振子或者作为厚度剪切振子振荡。优选地，谐振元件20作为厚度剪切振子运行。作为厚度剪切振子，谐振元件20被定向为，使得圆柱形谐振元件20的两个端面在横向平面BC中逆向地移动。端面位于横向平面BC中。
横向应变Q产生谐振元件20的谐振频率f的频率变化Δf。该频率变化Δf是力F的函数。优选地，该频率变化Δf与横向应变Q的大小成比例。频率变化Δf＝Q*Kf*(f2*η/n*D)可以是多个参数的函数。因此，频率变化Δf 还可以与力灵敏度Kf成比例。力灵敏度Kf反过来又取决于力导入角θ。以D 代表尺寸参数，例如，压电材料21的横向平面BC中的直径。以η代表装置参数。优选地，使用石英作为谐振元件20的压电材料21，其中正交轴x、y、 z作为晶轴，轴z作为光轴。谐振元件20被切割为具有作为平面zx的法线的轴线的y盘，并且具有压电模量e26和弹性模量c66。y盘的轴y平行于纵轴AA′。y盘的光轴z位于横向平面BC中。还可以使用AT盘代替y盘作为谐振元件20。AT盘在平面z′x中切割，轴z与轴z′之间的角度为35.25°。在了解本发明的情况下，技术人员可以使用压电晶体材料中的其它已知的截面，例如CT截面、GT截面、BT截面、DT截面、FT截面等。
在根据图2、图3、图6、图7的实施方式中，测量传感器1具有唯一的压电式传感元件10。谐振元件20相对于纵轴AA′布置在压电式传感元件 10的内部。谐振元件20在空间上布置在压电式传感元件10的第一压电材料 11与第二压电材料11′之间。
在根据图4、图5、图8、图9的实施方式中，测量传感器1具有两个压电式传感元件10、10′。谐振元件20相对于纵轴AA′布置在第一压电式传感元件10与第二压电式传感元件10′之间。谐振元件20在空间上布置在第一压电式传感元件10的第一压电材料11与第二压电式传感元件10′的第二压电材料11′之间。因此，具有两个压电式传感元件10、10′的测量传感器1对于直接压电效应的灵敏度高于具有一个压电式传感元件10的测量传感器1对于直接压电效应的灵敏度，优选高两倍。
为了将力F基本对称地导入到压电式传感元件10、10′和谐振元件20中，测量传感器1具有相对于纵轴AA′对称的结构。在根据图2至图9的实施方式中，谐振元件20相对于纵轴AA′布置在第一压电材料11与第二压电材料 11′之间。优选地，第一压电材料11和第二压电材料11′是相同部件，由此使得测量传感器1的制造成本低廉。在根据图2、图3、图6、图7的实施方式中，第二压电材料11′与谐振元件20的压电材料21机械连接。优选地，该机械连接通过诸如焊接、扩散焊接、热压焊接、钎焊等的材料配合来实现。这种材料配合连接的成本低廉并且机械上是长期稳定的。
谐振元件20相对于纵轴AA′设置为圆柱形的并在中空圆柱形的第一压电材料11与中空圆柱形的第二压电材料11′之间。在第一压电材料11的中空圆柱中构成第一空腔33，在第二压电材料11′的中空圆柱中构成第二空腔33′。空腔33、33′位于谐振元件20的上部和下部。空腔33、33′沿着纵轴AA′并在横向平面BC中的空间扩展大于谐振元件20的机械振荡的幅度。因此，谐振元件20具有足够的空间在空腔33、33′中高质量地振荡。该机械振荡可以沿着纵轴AA′轴向地进行。该机械振荡可以在横向平面BC中径向地进行。该机械振荡可以作为横向平面BC中的厚度剪切振荡来进行。最后，该机械振荡可以作为轴向和径向振荡的组合或者作为径向振荡和厚度剪切振荡的组合来进行。
为了测量力F，压电式传感元件10、10′的压电材料11、11′的电极化电荷由电极12、12′、13、13′拾取并作为电荷信号导出到分析单元。电极12、 12′、13、13′还被称为充电电极12、12′、13、13′。为了测量横向应变Q，通过电极22、23将交变电场作为频率信号施加在谐振元件20的压电材料21 上。电极22、23也被称为频率电极22、23。电极12、12′、13、13′、22、23是由例如由纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等制成的导电材料制成的薄层。电极12、12′、13、13′、22、23与压电材料11、11′、21机械连接和电连接。优选地，该机械连接和电连接通过诸如焊接、扩散焊接、热压焊接、钎焊等这样的材料配合来实现。这种材料配合连接成本低廉并且在机械上和电上是长期稳定的。
充电电极12、12′、13、13′是中空圆柱形的，并且基本上完全延伸经过压电式传感元件10、10′的端面。频率电极22、23是圆柱形的并且通过谐振元件20的端面延伸到振荡区域中。该振荡区域位于谐振元件20的端面的中心区域中，该中心区域位于穿过端面中心的纵轴AA′的附近。在谐振元件20 的端面的径向远离纵轴AA′的边缘区域中，仅设有去往频率电极22、23的狭窄的电引线。在谐振元件20的振荡区域中，压电材料21被频率电极22、23 激励产生机械振荡，并且谐振元件20以大振幅振荡。在谐振元件20的振荡区域中设有谐振接触区域K2、K2′，力F在这里被导入到谐振元件20中。在谐振元件20的边缘区域中，压电材料21没有被频率电极22、23激励产生机械振荡，并且谐振元件20以小振幅振荡，振幅的大小随着去往频率电极22、 23的径向距离而减小。边缘区域的径向扩展被选择为，使得压电式传感元件 10、10′与谐振元件20的机械连接不会或仅可忽略不计地抑制机械振荡。
根据图2、图3、图6、图7的第一种和第三种实施方式具有四个电极 12、13、22、23；根据图4、图5、图8、图9的第二种和第四种实施方式具有六个电极12、12′、13、13′、22、23。在根据图2、图3的实施方式中，充电电极12不仅机械地和电地连接到压电式传感元件10的第一压电材料11，而且还机械地和电地连接到谐振元件20的压电材料21。充电电极12称为配对电极12。充电电极13布置在压电式传感元件10的第一压电材料11上，并用作电接地，并且还被称为接地电极13。接地电极13与测量传感器1的接地壳体41电连接。对于与电导体的电接触和机械接触而言，配对电极12 和频率电极22、23在正好是斜轴CC′附近的接触区Z中是易于接近的。对于四个电极12、13、22、23，测量传感器1仅需要三个电导体。
在根据图4、图5的第二种实施方式中，两个充电电极12、12′与谐振元件20的压电材料21机械连接。两个充电电极12、12′布置在谐振元件20 的压电材料21的不同端面上。两个充电电极12、12′彼此电连接并用作公共配对电极12、12′。为了使两个配对电极12、12′拾取具有相同符号的电极化电荷，第一压电式传感元件10的第一压电材料11和第二压电式传感元件10′的第二压电材料11′彼此以相反的极化方向布置。两个充电电极13、13′布置在压电式传感元件10、10′的压电材料11、11′上并被用作电接地，并且被称为接地电极13、13′。两个接地电极13、13′与测量传感器1的接地壳体41 电连接。对于电导体的电接触和机械接触来说，公共配对电极12、12′和频率电极22、23在正好是斜轴CC′附近的接触区Z中是易于接近的。对于六个电极12、12′、13、13′、22、23，测量传感器1仅需要三个电导体。
在根据图6、图7的第三种实施方式中，充电电极13与压电式传感元件10的第一压电材料11和谐振元件20的压电材料21机械连接和电连接。充电电极13与频率电极23电连接。这两个彼此电连接的电极13、23用作公共的电接地，并且也被称为接地电极13、23。充电电极12布置在压电式传感元件10的压电材料11、11′上并也被称为配对电极12。对于与电导体的电接触和机械接触来说，接地电极13、23，配对电极12和频率电极22在正好是斜轴CC′附近的接触区Z中是易于接近的。对于四个电极12、13、22、23，测量传感器1仅需要三个电导体。
在根据图8、图9的第四种实施方式中，两个充电电极12′、13机械连接到谐振元件20的压电材料21。两个充电电极12′、13布置在压电材料21 的不同端面上。两个充电电极12、13′布置在压电式传感元件10、10′的压电材料11、11′上。与谐振元件20的压电材料21机械连接的充电电极12′和布置在第一压电式传感元件10的第一压电材料11上的充电电极12彼此电连接，并用作公共的配对电极12、12′。为了使这两个配对电极12、12′拾取具有相同符号的电极化电荷，第一压电式传感元件10的第一压电材料11和第二压电式传感元件10′的第二压电材料11′彼此以相同的极化方向布置。与谐振元件20的压电材料21机械连接的充电电极13和布置在第二压电式传感元件 10′的第二压电材料11′上的充电电极13′彼此电连接并用作电接地，并且还被称为接地电极13、13′。这两个接地电极13、13′与测量传感器1的接地壳体 41电连接。对于与电导体的电接触和机械接触来说，接地电极13、配对电极12′和频率电极22、23在正好斜轴CC′附近的接触区Z中是易于接近的。对于六个电极12、12′、13、13′、22、23，测量传感器1仅需要三个电导体。
对于四个或六个电极12、12′、13、13′、22和23来说，具有三个电导体的测量传感器1的结构节省了空间并且使得测量传感器1的制造成本低廉。电极12、12′、13、13′、22、23在正好一个接触区Z中与电导体的电接触和机械接触通过材料配合和/或力配合实现。材料配合通过焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等实现。力配合通过螺栓连接、夹紧连接等实现。在了解本发明的情况下，技术人员还可以在一个以上的接触区中实现电极与电导体的电接触和机械接触。
在根据图6至图9的实施方式中，测量传感器1具有电绝缘元件14，电绝缘元件14是中空圆柱形的。电绝缘元件14由电绝缘的且机械刚性的材料制成，例如陶瓷、Al2O3陶瓷、蓝宝石等。电绝缘元件14与配对电极12 机械连接。优选地，该机械连接通过诸如焊接、扩散焊接、热压焊接、钎焊等这样的材料配合来实现。这种材料配合连接成本低廉且在机械上是长期稳定的。
压电式传感元件10、10′的压电材料11的电荷信号的放大和分析在分析单元中进行。为此，压电式传感元件10、10′的充电电极12、12′、13、13′电连接到分析单元的放大电路。对谐振元件20的压电材料21的激励通过分析单元的频率信号实现。为此，谐振元件20的频率电极22、23电连接到分析单元的振荡电路。频率变化Δf由振荡电路确定。分析单元根据所确定的频率变化Δf来确定横向应变Q。优选地，振荡电路是Col-pitts电路。典型的谐振频率在几kHz至几MHz的范围内，典型的频率变化Δf在2Hz/N至100Hz/N 的范围内。
图10和图11示出了取决于力导入角θ的力灵敏度Kf。力灵敏度Kf适用于根据图1至图9的实施方式的在空腔33、33′中振荡的谐振元件20。对于沿着横轴BB′的力导入角θ，力灵敏度Kf最大并被100％地标准化。对于相对于横轴BB′为45°的力导入角θ，力灵敏度Kf为零或0％。对于沿着斜轴 CC′的力导入角θ，力灵敏度Kf为最小的或-60％。
如果力导入角范围Ω从横轴BB′朝向斜轴CC′延伸90°，则根据图10 可知：力灵敏度Kf的和为总力灵敏度KfG的10％。在图11中限定了力导入角范围Ω。对于从横轴BB′朝向斜轴CC′延伸45°的第一力导入角范围Ω1，力灵敏度Kf的和为第一平均力灵敏度KfM1的50％。对于从横轴BB′朝向斜轴 CC′延伸30°的第二力导入角范围Ω2，力灵敏度Kf的和为第二平均力灵敏度 KfM2的75％。
利用至少一个力施加元件30、30′可以实现对力导入角范围Ω的最佳调节。力F施加在力施加元件30、30′上并由力施加元件30、30′传输到压电式传感元件10、10′和谐振元件20中。图12和图13以透视图示出了中空球区段形的力施加元件30、30′的第一和第二种实施方式。图14和图15以俯视图示出了中空截锥形的力施加元件30、30′的第三和第四种实施方式。力施加元件30、30′还可以是中空圆柱形、中空截棱锥形等。力施加元件30、30′由机械刚性材料构成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金，陶瓷等。
力施加元件30、30′是中空主体，其具有顶表面31、31′，侧表面32、 32′和空腔33、33′。谐振元件20布置在空腔33、33′中。空腔33、33′在力施加元件30、30′中和压电式传感元件10、10′中延伸。顶表面31、31′和侧表面 32、32′彼此机械地连接并包围空腔33、33′。力F沿着纵轴AA′施加在顶表面31、31′上，并从顶表面31、31′传递到侧表面32、32′中。侧表面32、32′具有至少一个留空区域34、34′，该留空区域延伸到空腔33、33′并阻止力F 传递到侧表面32、32′中。侧表面32、32′还具有至少一个未留空区域35、35′，并且仅该未留空区域35、35′传递力F。中空主体在背对顶表面31、31′的一端具有基表面36、36′。顶表面31、31′和基表面36、36′通过侧表面32、32′彼此机械连接。顶表面31、31′，侧表面32、32′和基表面36、36′优选为一体的。顶表面31、31′和基表面36、36′在横向平面BC中相互平行。侧表面32、32′的未留空区域35、35′和基表面36、36′在横向平面BC中形成至少一个力传递角范围Ω、Ω1、Ω2。
优选地，留空区域34、34′是窗形的。在根据图12的实施方式中，留空区域34、34′布置在侧表面32、32′的相对于纵轴AA′的下部区域中。在根据图13的实施方式中，留空区域34、34′布置在侧表面32、32′的相对于纵轴 AA′的中部区域中。在根据图14和图15的两种实施方式中，留空区域34、 34′形成侧表面32、32′的大部分。在根据图14的第三种实施方式中，力施加元件30、30′具有四个45°的第一力导入角范围Ω1。在根据图15的第四种实施方式中，力施加元件30、30′具有四个30°的第二力导入角范围Ω2。一个留空区域34、34′可以相应地限定两个第一或第二力导入角范围Ω1、Ω2，使得力F仅被传递通过该第一或第二力导入角范围Ω1、Ω2。优选地，每个力施加元件30、30′具有两个留空区域34、34′，它们彼此相对于纵轴AA′转动 180°的角度。
第一或第二力导入角范围Ω1、Ω2被局部地限定为，使平均力灵敏度KfM1、 KfM2总计接近力灵敏度Kf的最大值的100％。第一或第二力导入角范围Ω1、Ω2越小，压电式传感元件10、10′和谐振元件20中的局部压力就越大。第一或第二力导入角范围Ω1、Ω2的大小并因此使得压电式传感元件10、10′和谐振元件20中的局部压力能够根据压电式传感元件10、10′和谐振元件20的抗压强度来选择。压电式传感元件10、10′和谐振元件20越抗压，第一或第二力导入角范围Ω1、Ω2就可以选择得越小，并且平均力灵敏度KfM1、KfM2就越大。
图16示出了根据图2和图3的测量传感器1的剖视图，其具有根据图 14或图15的力施加元件30。图17示出了根据图8和图9的测量传感器1 的剖视图，其具有根据图14或图15的两个力施加元件30、30′。优选地，两个力施加元件30、30′是相同部件，该相同部件将力F对称地传递到压电式传感元件10、10′和谐振元件20。
压电式传感元件10、10′和谐振元件20机械连接到侧表面32、32′。该机械连接优选是间接的。因此在根据图16和图17的实施方式中，压电式传感元件10、10′间接地通过传感器接触区域K1、K1′和基表面36、36′机械连接到力施加元件30、30′。并且在根据图16和图17的实施方式中，谐振元件 20也通过谐振接触区域K2、K2′间接地机械连接到压电式传感元件10、10′，该压电式传感元件又通过传感器接触区域K1、K1′和基表面36、36′机械连接到力施加元件30、30′。优选地，该机械连接通过诸如焊接、扩散焊接、热压焊接、钎焊等这样的材料配合来实现。
根据图16，力F不仅施加在第一力施加元件30上，还施加在压电式传感元件10上。在这种情况下，力F一次是通过第一力施加元件30间接地施加在压电式传感元件10上，一次是通过传感器接触区域K1′直接地施加在压电式传感元件10上。根据图17，力F施加在第一力施加元件30上，并通过第一基表面36和传感器接触区域K1传递到第一压电式传感元件10中；力F 施加在第二力施加元件30′上，并通过第二基表面36′和传感器接触区域K1′传递到第二压电式传感元件10′中。在此，力F是通过力施加元件30、30′两侧间接地施加在压电式传感元件10、10′上。力F由此从压电式传感元件10、 10′传递到谐振元件20中。
顶表面31、31′和基表面36、36′在横向平面BC中相互平行。纵轴AA′垂直于横向平面BC。顶表面31、31′优选为圆形的，并具有恒定的外半径，或者顶表面31、31′相对于纵轴AA′具有最大距离B1。基表面36、36′优选为圆环形的，并且具有恒定的外半径，或者基表面36、36′相对于纵轴AA′具有最大距离B2。最大距离B2大于最大距离B1。因此，力F在侧表面32、32′中远离纵轴AA′地传递。力F的传递是在侧表面32、32′的未留空区域35、 35′的弯曲部分中进行的。力F的传递是从顶表面31、31′进行到谐振接触区域K2、K2′。沿着纵轴AA′从顶表面31、31′到谐振接触区域K2、K2′的长度被标记为A2。施加在顶表面31、31′上的力F在谐振元件20中引起增大的横向应变Q。最大距离B2与最大距离B1之间的差越大，横向应变Q越大。随着横向应变Q的增大，由力F产生的频率变化也增大。因此，在使用逆压电效应测量静态力时，实现了市场上要求的高灵敏度。
力灵敏度Kf对力导入角θ的依赖性还影响到压电材料11、11′、21的热线膨胀系数α的大小。根据图18，对于沿着横轴BB′的力导入角θ时的最大力灵敏度Kf的情况，热线膨胀系数α最大并被100％地标准化。对于沿着斜轴CC′的力导入角θ时的最小力灵敏度Kf的情况，压电材料11、11′、21的热线膨胀系数α最小并被55％地标准化。根据图18，在横轴BB′与斜轴CC′之间，从横轴BB′朝向斜轴CC′的整个90°的力导入角范围Ω中，总计产生总的热线膨胀系数为(Kf*α)G。该总的热线膨胀系数系数(Kf*α)G是关于全部力导入角θ求和的力灵敏度Kf与热线膨胀系数α的乘积。现在，如果力导入角范围Ω受到限制，则总计产生的压电材料11、11′、21的平均线膨胀系数(Kf*α)M1、(Kf*α)M2根据第一或第二力导入角范围Ω1、Ω2的大小而大小不同。根据图19，对于从横轴BB′朝向斜轴CC′的45°的第一力导入角范围Ω1，第一平均热线膨胀系数总计为(Kf*α)M1。对于从横轴BB′朝向斜轴CC′的30°的第二力导入角范围Ω2，第二平均热线膨胀系数总计为 (Kf*α)M2。
测量传感器1在运行中持续暴露在200℃或更高的温度下。在此，压电材料11、11′，21和力施加元件30、30′可以延伸不同的长度。力施加元件30、30′具有热线膨胀系数α30。为了能够比较热线膨胀系数α30并与平均热线膨胀系数(Kf*α)M1、(Kf*α)M2进行比较，利用根据图11的平均力灵敏度 KfM1、KfM2对根据图19的平均热线膨胀系数(Kf*α)M1、(Kf*α)M2进行加权。对于第一力导入角范围Ω1，压电材料11、11′、21具有第一加权热线膨胀系数αM1＝(Kf*α)M1/KfM1。对于第二力导入角范围Ω2，压电材料11、 11′、21具有第二加权热线膨胀系数αM2＝(Kf*α)2/KfM2。为了使压电材料 11、11′、21和力施加元件30、30′的不同的线膨胀保持尽可能得小，压电材料11、11′、21的第一或第二加权热线膨胀系数αM1、αM2基本上等于力施加元件30、30′的热线膨胀系数α30。优选地，使用石英作为压电材料11、11′、 21，其最大热线膨胀系数α为13.7*10-6K-1，这对应于图18和图19中的100％标准化；并且其最小热线膨胀系数α为7.5*10-6K-1，这对应于图18和图19 中的55％标准化。由钢制成的力施加元件30、30′所具有的热线膨胀系数α3为13.0*10-6K-1。对于第一力导入角范围Ω1＝45°，压电材料11、11′、21具有第一加权热线膨胀系数αM1＝12*10-6K-1，对于第二力导入角范围Ω1＝ 30°，压电材料11、11′、21具有第二加权热线膨胀系数αM2＝13*10-6K-1，其基本上等于力施加元件30、30′的热线膨胀系数α30。
谐振元件20使用逆压电效应测量温度T。谐振元件20的压电材料21 的谐振频率取决于温度T并被如下地表述：f(T)＝1/2d(T)*(eiλ(T)/ρ(T))1/2，其中,压电材料21的压电模量eiλ、材料厚度d和密度ρ取决于温度T。ΔfT表示取决于温度的频率变化。该频率变化ΔfT利用分析单元的振荡电路来确定。分析单元根据所确定的取决于温度的频率变化ΔfT来确定温度T。优选地，使用石英作为谐振元件20的压电材料21，其具有从几kHz 到几MHz范围内的谐振频率和从20Hz/K到200Hz/K范围内的取决于温度的频率变化ΔfT。
图20示出了根据图1至图9的、已被安装好可随时使用的测量传感器 1，其具有根据图14至图17的力施加元件30、30′。测量传感器1在真空下安装在壳体41中。壳体41是圆柱形的。至少一个力施加元件30、30′在壳体 41的端侧上以顶表面31、31′从壳体41伸出。优选地，两个力施加元件30、 30′在壳体41的两个端侧上分别以一顶表面31、31′从壳体41伸出。在根据图20的视图中仅示出了一个端侧。每个端侧具有中空圆柱形的盖42。壳体 41和盖42保护测量传感器1免受有害的外部影响，例如灰尘、湿气、机械冲击等。壳体41和盖42由机械抗性材料制成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。力施加元件30、30′通过盖42与壳体41机械连接。盖42通过关于纵轴AA′的径向外边缘与壳体41机械连接。优选地，该机械连接通过例如焊接、扩散焊接、热压焊接、钎焊等材料配合来实现。盖42通过关于纵轴AA′的径向内边缘与力施加元件30、30′机械连接。优选地，该机械连接通过诸如焊接、扩散焊接、热压焊接、钎焊等材料配合来实现。盖42对于到壳体41的小的力分流是薄的，盖42有0.3mm薄，优选为0.2mm，优选为0.1mm。盖42越薄，到壳体41的力分流就越小。
充电电极12、12′、13和13′的电荷信号可以经由电导体导出到分析单元上处的电接口43。分析单元的频率信号可以通过电接口43经由电导体施加到频率电极22、23上。分析单元可以通过带有线缆的插头与电接口43电连接。电接口43布置在壳体41的侧壁的开口中。电接口43与壳体41机械连接。优选地，该机械连接通过例如焊接、扩散焊接、热压焊接、钎焊等材料配合来实现。
电极12、12′、13、13′、22、23与电导体的电接触和机械接触容易地在正好接触区Z中完成。为此，根据图1至图9的测量传感器1在其被放置到壳体41中之前与电导体的剥皮端电接触和机械接触。然后，将测量传感器1 放置到壳体41中，并且与测量传感器1电接触和机械接触的电导体通过壳体 41的侧壁中的开口被向外引出，并通过材料配合和/或力配合与电接口43电接触和机械接触。材料配合通过焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等实现。力配合通过螺栓连接、夹紧连接等实现。
壳体41与盖42之间、盖42与力施加元件30、30′之间以及壳体41与电接口43之间的机械连接是压力密封的。
附图标记列表
A2 长度
B1，B2 最大距离
AA′，BB′，CC′ 轴
BC 横向平面
Kf 力灵敏度
KfG 总力灵敏度
KfM1，KfM2 平均力灵敏度
(Kf*α)G 总的线膨胀系数
(Kf*α)M1，(Kf*α)M2 平均线膨胀系数
F 力
Q 横向应变
K1、K1′ 传感器接触区域
K2、K2′ 谐振接触区域
Z 接触区
α 线膨胀系数
θ 力导入角
Ω、Ω1、Ω2 力导入角范围
1 测量传感器
10、10′ 压电式传感元件
11、11′，21 压电材料
12、12′、13、13′ 充电电极
14 电绝缘元件
20 谐振元件
22、23 频率电极
30、30′ 力施加元件
31、31′ 顶表面
32、32′ 侧表面
33、33′ 空腔
34、34′ 留空区域
35、35′ 未留空区域
36、36′ 基表面
41 壳体
42 盖
43 电接口。

Claims (15)

1.一种用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力(F)的测量传感器(1)；该测量传感器具有至少一个压电式传感元件(10，10′)，用于直接在力的力通路中测量该力(F)；其中，所述力(F)能够在所述压电式传感元件(10，10′)的元件表面上产生电极化电荷，所产生的电极化电荷的数量与所述力(F)的大小成比例；该测量传感器还具有谐振元件(20)，所述谐振元件(20)可以被激励到至少一个谐振频率(f)；其中，所述力(F)沿着力方向能够施加在所述压电式传感元件(10，10′)上和所述谐振元件(20)上；其特征在于，所述谐振元件(20)能够在所述力(F)的力通路之外的振荡区域中测量该力(F)，所述力(F)能够在所述谐振元件(20)中引起横向应变(Q)，该横向应变(Q)在所述谐振元件(20)中沿着横向方向发生，该横向方向与所述力方向形成一非零的角度，所述横向应变(Q)的大小与所述力(F)的大小成比例；并且所述横向应变(Q)产生所述谐振频率(f)的频率变化(Δf)，该频率变化(Δf)是所述力(F)的函数。
2.根据权利要求1所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述测量传感器(1)具有正好一个压电式传感元件(10)；所述压电式传感元件(10)具有第一压电材料(11)和第二压电材料(11′)；并且所述谐振元件(20)在空间上被布置在第一压电材料(11)与第二压电材料(11′)之间。
3.根据权利要求1所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述测量传感器(1)具有两个压电式传感元件(10)；第一压电式传感元件(10)具有第一压电材料(11)；第二压电式传感元件(10′)具有第二压电材料(11′)；并且所述谐振元件(20)在空间上布置在第一压电材料(11)与第二压电材料(11′)之间。
4.根据权利要求2或3所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述压电式传感元件(10，10′)针对纵向效应形式的直接压电效应被定向为，使得所述力(F)作用在所述压电式传感元件上， 在元件表面上，还产生电极化电荷；并且所述压电材料(11，11′)相对于所述力(F)被定向为，使得所述压电材料针对所述直接压电效应具有高灵敏度。
5.根据权利要求2或3所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述第一压电材料(11)是中空圆柱形的并构成第一空腔(33)；所述第二压电材料(11′)是中空圆柱形的并构成第二空腔(33′)；并且所述谐振元件(20)在空腔(33，33′)中作为厚度振子或者作为长度或应变振子或者作为弯曲振子或者作为面剪切振子或者作为厚度剪切振子振荡。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述压电式传感元件(10，10′)是中空圆柱形的；并且所述谐振元件(20)是圆柱形的。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述压电式传感元件(10，10′)具有第一压电材料(11)和第二压电材料(11′)；并且所述谐振元件(20)具有与所述压电式传感元件(10，10′)的压电材料(11，11′)相同的压电材料(21)。
8.根据权利要求7所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述压电式传感元件(10，10′)和所述谐振元件(20)的压电材料(11，11′，21)由石英构成；所述压电式传感元件(10，10′)的压电材料(11，11′)的光轴被布置为平行于所述谐振元件(20)的压电材料(21)的光轴；并且所述压电式传感元件(10，10′)和所述谐振元件(20)的压电材料(11，11′，21)在垂直于光轴的平面中具有相同的弹性和热特性。
9.根据权利要求8所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述压电式传感元件(10，10′)和所述谐振元件(20)的压电材料(11，11′，21)由对称等级为m，32，3m、
Figure FDA0002913455310000021
2m或23的晶体材料制成。
10.根据权利要求7所述的测量传感器(1)，其特征在于，振荡电路在所述谐振元件(20)的压电材料(21)上施加一交变电场；并且分析单元确定所述谐振元件(20)的压电材料(21)的机械固有频率的频率变化(Δf)；并且该分析单元根据所确定的频率变化(Δf)确定所述力(F)。
11.根据权利要求7所述的测量传感器(1)，其特征在于，振荡电路在所述谐振元件(20)的压电材料(21)上施加一交变电场；并且分析单元确定所述谐振元件(20)的谐振频率(f)的取决于温度的频率变化(ΔfT)；并且该分析单元根据所确定的取决于温度的频率变化(ΔfT)确定温度。
12.根据权利要求7所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述力(F)在所述压电式传感元件(10，10′)的元件表面上产生电极化电荷；并且充电电极(12，12′，13，13′)拾取所述电极化电荷；频率电极(22，23)在所述谐振元件(20)的压电材料(21)上施加一交变电场；并且所述电极(12，12′，13，13′，22，23)与所述压电式传感元件(10，10′)和所述谐振元件(20)的压电材料(11，11′，21)材料配合地连接。
13.根据权利要求12所述的测量传感器(1)，其特征在于，针对所述充电电极(12，12′，13，13′)和所述频率电极(22，23)，所述测量传感器(1)具有正好三个电导体；并且所述充电电极(12，12′，13，13′)和所述频率电极(22，23)在正好一个接触区(Z)中与所述电导体电接触和机械接触。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述测量传感器(1)被安装在壳体(41)中；所述测量传感器(1)具有至少一个力施加元件(30，30′)；并且所述力施加元件(30，30′)在所述壳体(41)的端侧上以顶表面(31，31′)从所述壳体(41)中伸出。
15.根据权利要求14所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述力施加元件(30，30′)通过盖(42)与所述壳体(41)机械连接；并且所述盖(42)是薄的，以便使得到所述壳体(41)的力分流是小的。
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