CN110121636B - 测量元件、测量系统及提供用于测量力的测量元件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量力的测量系统，例如插头连接中的弹簧力，具有测量元件，该测量元件具有有利的几何设计和/或形成为使得其可以呈现对应于若干测量范围的若干机械状态，和/或至少在力作用于测量臂的形成为具有测量臂的牢固连接的一侧，从而总体上改善响应灵敏度和/或准确度和/或分辨率。因此，根据本发明的测量元件可以满足测量系统分析的标准，并且因此可以创建条件以获得用于评定测量对象的准确且可再现的测量结果。

Description

测量元件、测量系统及提供用于测量力的测量元件的方法

技术领域

本发明总体上涉及测量技术领域，其中特别是具有相对小的值的力，例如，几百分之一牛顿到几百牛顿，例如测量插头连接中的触头的弹簧力所需的那样。

背景技术

对通常垂直作用于材料的相对小的力的测量在许多技术领域中是一个重要的问题，以便能够对所涉及的材料点和/或施加力的部件做出适当的陈述。在这方面的一个重要应用领域是确定在许多类型的连接中的接触力，例如插头连接，其中电气和机械接触通常由触头针脚等产生，触头针脚通过由互补的触头元件产生的基本上垂直的作用力来加载。由此产生的弹力具有在两个接触表面之间产生和保持可靠电接触的功能。由此施加的接触力应该足够大，以便在设想的位置处产生两个接触表面之间的相对平面的接触，且从而去除可能的杂质、沉积物等，以使接触具有尽可能低的电阻。另一方面，由此施加的接触力不应太大，因为在这种情况下，在施加接触力的部件的偏转期间需要相对大的力，并且特别地，在接触表面上的过度磨损也会在重复插接和解联对应的部件的情况下发生。然而，另一方面，必须维持最小的接触力，以便在整个接触期间重复提供所需的电气和机械连接。

为了确定并监控相应的接触力，采用所谓的测量元件或测量变换器，其例如承担触头元件的作用，例如插头，并且连接到要检查的互补插头装置。在如印刷文献DE 10 2011054 319 A1中作为示例描述的一些已知系统中，在与互补部件接触的给定位置处使用测量臂，该测量臂配备有当加载力时可以输出对应的信号的测量单元。换句话说，在这些已知的系统中，例如以压阻材料等形式提供的测量单元精确地定位在与互补部件的表面产生接触的点处，这意味着可以或多或少地直接记录所产生的法向力。只有当测量臂的整个结构(包括测量单元)基于待检查的部件的对应点的几何形状尽可能相同地建模时，在记录的力和插头连接之间实际发生的力之间才产生相对精确的对应关系，这是因为否则在发散几何形状的情况下会产生与实际条件不对应的力。此外，测量单元和插头连接的互补区域之间的直接接触可导致测量单元上的磨损增加，特别是如果进行频繁测量以便高效地经济地利用测量系统。为了保持低磨损程度，通常施加合适的涂层以增加测量单元的机械强度。然而，通过施加适当的机械或更稳健的涂层，会降低测量单元的响应灵敏度，从而会降低所获得的测量结果的准确性和分辨率。

在其他已知的测量系统中，通过提供适当形成的一对测量臂来执行力的“间接”记录，就其几何形状和材料特性而言，所述测量臂可以在很大程度上根据实际情况进行建模，然而，其能够相对于彼此进行相对偏转，然后在测量系统的适当点处进行检测。在这方面，例如文献DE 25 56 836描述了用于测量小力，特别是接触弹簧力的测量元件和测量头，其中测量元件由具有由槽形成的两个腿的单件板构成，所述腿经由腹板彼此连接。在短腹板和相邻的刚性区域上形成应变仪，通过该应变仪，由于短腹板的变形，一部分由于施加在腿上的弹簧力而变形，因此可以输出与该变形成比例的信号。由于由槽分开的两个腿，连接腹板例如具有槽的尺寸，并且应变仪的范围基本上大于连接两个腿的腹板。

通过示例参考两个印刷文件描述的传统系统确实允许在相应有限的测量范围内高效地确定弹簧力，但由于测量单元的结构，“直接”测量系统的响应灵敏度和分辨率以及测量精度可能相对较低，在频繁重复测量的情况下，由于不可避免的磨损，发生测量单元的整体几何形状的变化，该变化可能长时间不被注意并且进而又对所确定的力产生影响。

先前描述的“间接”测量概念确实允许对测量臂的区域中的实际条件进行相对精确的建模，即，对应的插头连接之间的联接可以相对逼真地建模，但是由于几何结构和相对长的应变计，必须预期降低的测量准确度。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的是提出一种装置，利用该装置，例如插头连接的弹簧力的力可以以增加的响应灵敏度和/或改进的可重复性和/或增加的准确度来确定，其中，尽可能逼真地实现插头连接系统的建模。

根据本发明的一个方面，通过用于检测力的测量元件实现上述目的。根据本发明的测量元件包括在测量元件的纵向方向上延伸的第一测量臂和在纵向方向上延伸的第二测量臂，其中第一测量臂和第二测量臂可以在垂直于纵向方向的方向上相对于彼此偏转。测量元件还包括变形部分，其以可弹性变形的方式将第一测量臂和第二测量臂彼此连接，且其具有面向一测量臂和第二测量臂的第一侧和背离第一测量臂和第二测量臂的第二侧。根据本发明的测量元件还包括至少一个变换器单元，其布置在变形部分的第一侧和/或第二侧，其响应于变形并且完全位于变形部分内。

因此，根据本发明的测量元件的特征在于，提供了两个测量臂，这两个测量臂可相对于彼此偏转并且可以以任何合适的形式制造和布置，以便因此逼真地模拟相应的应用目的。在这种情况下，两个测量臂通过变形部分以可弹性变形的方式彼此连接，从而可以经由变形部分检测相对偏转。为此目的，至少一个变换器单元完全布置在根据本发明的测量元件中，在变形部分面向测量臂的一侧或变形部分的背离侧。

换句话说，根据本发明的测量元件对应于“间接”测量概念，因此使得对应的测量臂的高度稳健性和适应性能够达到设想的应用目的，而另一方面，由第一测量臂和第二测量臂的相对偏转引起的变形可以通过适当定位的变换器单元而高效地捕获。变形部分在这里设计为使得至少一个变换器单元完全容纳在变形部分上，因此，一方面限定为，变形部分本身具有足以接收第一变换器的尺寸，且进一步适当地形成以使变换器单元能够在面向测量臂的一侧和/或在背离侧上定位。通过适当选择的变形部分的尺寸，一方面，预期的变形“分布”在更大的区域上，结果出现了改进的分辨率。另一方面，一个或多个变换器单元覆盖变形部分的较大表面，并因此输出一个或多个信号，其使得能够以更大准确度和/或更高的分辨率评估所记录的力区域，即，具有更大的线性度、更低的温度依赖性和对非最佳插接的更低的依赖性，例如在手动操作的情况下歪斜地插接的部件。

在有利的变型中，提供了两个或更多个变换器单元，其布置在变形部分的第一侧和/或第二侧，并且响应于变形。

在根据本发明的测量元件的该变型中，因此在背离侧或面向侧或两侧上设置两个或更多个变换器单元，使得在此处同样具有变形部分的合适几何形状，使得这两个或更多个变换器单元完全在变形部分内的布置成为可能。因此，可以关于以优化的方式关于获得对应的信号来执行对应的变换器单元的数量和位置的选择。换句话说，通过至少两个变换器单元的布置，可以在变形部分中进行变形分量的空间上解决的确定，使得评估可以获得准确度和/或可以通过两个或多个独立信息的存在而增加响应灵敏度。因此，总体而言，通过适当设计变形部分，其可以完全接收至少一个变换器单元，并且在进一步优选的实施例中，可以完全接收两个或更多个变换器单元，在评估变形部分的变形时，可以实现改进的响应行为和更高的准确度，即，具有更大的线性度、更低的温度依赖性和对非最佳插接的更低的依赖性，例如在手动操作的情况下歪斜地插接的部件。

在有利的实施例中，在给定材料特性的情况下，变形部分的几何设计根据通过模拟给定范围的力的变形行为而确定的几何设计来建模，所述力必须通过第一测量臂和第二测量臂的相对偏转来测量。换句话说，变形部分的几何设计是根据变形部分的材料特性和关于预期的力和所要测量的力来确定的，通过模拟和该模拟几何配置，然后使用适当的材料进行建模，从而实现模拟的几何设计和实际产生的几何设计的“行为”的高度“相似性”。换句话说，由于本发明的概念，变形部分的几何形状(其对于将待测量的力转换成对应的信号是重要的)可以通过对模拟结构建模来高效地进行调整，对于感兴趣的应用，该模拟结构可以用几乎任何所需的准确度来计算。以这种方式，然而，通过适当地选择几何设计，可以实现关于先前确定的测量范围的预期的测量结果的精确度。特别地，在适当布置的变换器单元的基础上实现了良好的响应行为。

在另一有利实施例中，至少一个变换器单元的位置位于通过模拟确定的区域中和/或具有局部最高变形的区域中。换句话说，执行变形部分的几何设计，使得可以在变形部分上完全设置一个或多个变换器单元，其中为变换器单元选择另外的对应位置，其中，在两个测量臂的相对偏转的情况下，其组合地输出优化的信号和/或维持局部最高程度的变形。对于给定的几何设计或者基于模拟，变形部分中具有局部最高变形的这些区域可以例如通过实验确定。这里，必须理解“具有局部最高变形”的区域，使得如果为单个变换器单元的位置提供具有局部最高变形的区域，则在变形的最大值的区域中，其可以是收缩或膨胀，对于由变换器单元覆盖的变形部分的那个面内的所有位置都实现了。类似地，如果两个或更多个区域设置有局部最高变形，则这些区域各自包含在由相应的变换器单元覆盖的面中的变形的最大局部值，并且对应的两个或更多个区域的覆盖面内的所有其他变形值小于在相应的区域中确定的局部最大值。

通过对变换器单元的位置的该选择，实现了优化的响应行为和高准确度以及改善的分辨率，因为特别是在局部最大变形的区域中，当在相应的变换器单元“感测”的区域中改变相对偏转时，必须预期变形的最大梯度，其进而又反映在对应的高响应行为和高分辨率中。

在另一有利的实施例中，测量元件具有第一测量范围，所述第一测量范围是固定的，是因为，当通过第一测量臂和第二测量臂的相对偏转测量且等于或小于第一阈值的力施加影响时，第一测量臂和第二测量臂保持彼此间隔开。换句话说，在该实施例中，即使当所要测量的力在给定区域内施加影响时，在第一测量臂和第二测量臂之间总是保存中间空间，从而避免直接接触测量臂。以这种方式，即使非常小的力也可以以合适的分辨率可靠地记录，因为相对偏转不会导致任何直接接触，因此不会导致施加影响的小力的任何“篡改”。

在另一有利实施例中，测量元件具有第二测量范围，所述第二测量范围是固定的，是因为当通过第一测量臂和第二测量臂的相对偏转测量且大于所述第一阈值的力施加影响时，第一测量臂的前部区域与第二测量臂的前部区域接触。换句话说，在该变型中，存在至少第二测量范围可用，其区别在于第一测量臂和第二测量臂在前部区域中彼此接触。换句话说，第二测量范围因此与第一测量范围的不同之处至少在于第一测量臂和第二测量臂接触，这表示可检测的机械状态。以这种方式，在对应的力的记录期间产生补充信息，据此，可以在第一测量臂和第二测量臂的相对偏转几乎没有改变的情况下，与不直接导致第一测量臂和第二测量臂之间的接触的相对偏转相比，仍然可以识别出更大的力的发生。因此，可以高效地查询该补充信息以评估力。

在另一清楚的实施例中，测量元件具有第三测量范围，所述第三测量范围是固定的，是因为当通过第一测量臂和第二测量臂的相对偏转测量且大于第一阈值并且等于或大于高于所述第一阈值的第二阈值的力施加影响时，第一测量臂的前部区域与第二测量臂的前部区域接触，且由第一测量臂的后部区域和第二测量臂的后部区域形成的中间空间的尺寸是所要测量的力的特性。换句话说，在根据本发明的该变型中，待测量的相对大的力在第一测量臂和第二测量臂之间产生接触，但是当力进一步增加时，所述接触与较小的力引起的接触状态差别很小，但后部区域的中间空间的尺寸是实际尺寸的量度。换句话说，即使经由变形部分测量的第一测量臂和第二测量臂的相对偏转仍然相对较小，因为例如基本上仅发生第一测量臂和第二测量臂的变形，然而，通过进一步评估中间空间的尺寸，可以进行作用力的附加分类。换句话说，三条信息基本上可用于力的最终估计，即，变形部分的变形、第一测量臂和第二测量臂的前部区域的接触的所知、以及中间空间的调节尺寸。

由于在相同的测量元件中建立了两个或更多个测量范围，因此，与传统系统相比，通过评估可以通过第一测量臂和第二测量臂的不同机械状态确定的附加信息，可以覆盖非常宽范围的力。

在有利的实施例中，设置第一检测装置，其形成为记录第一测量臂的前部区域与第二测量臂的前部区域的接触。换句话说，借助于第一检测装置，可以记录和评估测量元件关于第一测量臂和第二测量臂的可能的可用接触的状态。在这种情况下，检测装置可以是压力敏感系统，其设置在第一测量臂或第二测量臂上或两者上并且输出压力相关信号。例如，可以提供压电材料，当压力加载时，压电材料输出压力相关的电信号。应当注意，在这种情况下，与先前描述的“直接”测量概念相反，机械应力在这里相对较小，因为例如仅发生精确限定的机械接触，其垂直于测量元件的纵向方向，通过第一测量臂和第二测量臂，而没有发生对待测物体的直接接触，特别是在检测装置的纵向方向上没有位移的情况下。也可以使用基于电容、声学、压阻、电阻或光学或基于高频电磁场的其他压敏传感器，以便输出适当的信号。在其他变型中，第一测量臂和第二测量臂之间的接触的所知可以例如基于电阻测量获得，例如，如果经由变形部分彼此连接的测量臂具有相对高的电阻，而在接触引起的“短路”的情况下，产生明显更低的电阻。类似地，第一测量臂和/或第二测量臂和/或变形部分可以至少部分地包含绝缘材料，从而当测量臂处于“打开”状态时产生非常高的电阻，而在“闭合”状态(即接触状态)下，可以测得显著较低的电阻。

在另一个清楚的实施例中，提供了第二检测装置，其形成为记录中间空间的尺寸。换句话说，通过该第二检测装置，可以记录中间空间的尺寸，其取决于施加影响的力，从而提供其作为用于评估施加影响的力的信息。第二检测装置可以例如基于电测量原理来设计，例如电容测量、电阻测量、声阻抗测量、电感耦合、电磁高频阻抗测量或光学测量等，而在其他变型中，可以以电阻、压阻、光学、声学或电磁高频有源应变仪等的形式提供检测变形的对应装置，以便根据通过改变第一测量臂和/或第二测量臂的形状而施加影响的力，而评估产生的中间空间的尺寸。

在另一清楚的实施例中，第一测量臂的第一表面与第二测量臂的第二表面相对，第一表面和第二表面形成为彼此互补且具有带有表面法线的表面区域，所述表面法线与相对偏转形成角度。换句话说，在该变型中，测量臂的彼此面对的那些表面彼此互补地形成，使得例如如果两个表面假设地上下叠置，则将创建某种形状配合。此外，在这种情况下，某些表面区域被取向成使得它们相对于偏转方向成角度，即，相对于施加影响的力的方向，该力导致第一测量臂和第二测量臂的相对偏转。该几何特性例如可以通过相应表面中的拱形部分或锥形部分以及它们相关的互补表面形状来实现，或者也可以通过相对于偏转方向倾斜的两个其他水平光滑表面来实现。通过这种彼此面对的表面设计，可以增加测量臂的刚度并因此提高其机械稳健性。在其他实施例中，两个面对的表面是具有法线的水平面，所述法线平行于测量力的方向。

在另一有利实施例中，测量元件被构造成使得第一测量臂和第二测量臂的总厚度被设计在相互作用区域内，使得在没有所要测量的力的作用的状态下，它变化和/或可变化。换句话说，根据该变型的测量元件在相互作用区域中具有至少不同的总厚度，即，在一个或多个待测量的力对第一测量臂和/或第二测量臂施加影响的区域中，使得可以针对待测量的物体建模不同的情况。换句话说，在插头连接的情况下，例如可以存在具有不同横向尺寸的区域，例如以便沿纵向方向中的不同位置引发不同的接触力，从而这样的情况可以用在交互区域中具有不同总厚度的结构建模。例如，可以提供两个或更多个离散区域，其在每个单独区域内具有均匀的厚度，但厚度因区域而不同。通过提供变化的厚度，还可以针对几何形状的变化评估施加影响并且要检查的力，从而获得关于实际行为的更可靠的陈述，例如，其中例如由于频繁的插接和拔出，横向尺寸可能在一定的使用寿命之后变化。在另一变型中，总厚度是可变的，使得例如对于待测量的力施加影响的给定位置，可以调节一个或多个不同的厚度并且可能还有对应的轮廓，以便获得关于相应的连接部件的行为的更详细的陈述。这里应该注意的是，在所要测量的力已经施加影响的状态下，总厚度的“变化”也是可能的，其中总厚度不是直接由对应的实际厚度给出，而是可能通过变化的偏转，仅在所要测量的力的中断之后，即在没有所要测量的力施加影响的状态下，才能确定变化的总厚度。

在另一有利的变形中，相互作用区域具有变化的总厚度，其由第一测量臂和/或第二测量臂的+/-200μm的范围内的变化的厚度引起。对于具有变化总厚度的这种区域，可以针对许多测量条件获得关于实际条件的合适陈述，例如关于实际插头连接中的弹簧力，因为这例如可以是插头连接中的磨损的典型区域。

在另一有利变型中，在第一连接区域和/或第二连接区域中，提供具有可调节的伸长/收缩的致动器元件，第一连接区域与第一测量臂联接，第二连接区域与第二测量臂和/或变形部分联接。利用该致动器元件，因此可以在对应部件的相应部分中可控制地引起尺寸的可控变化，由此，测量元件的机械行为可以作为整体进行调节。例如，致动器元件可以布置成使得其膨胀/收缩的变化导致两个测量臂的间距的变化，从而获得不同的总厚度。在有利的变型中，测量臂的总厚度可以从0.001改变到2.0mm。以这种方式，例如，可以可控地调节测量元件的响应行为，以便对真实结构元件的特定范围的不同横向尺寸建模。如先前已经说明的，由于致动器元件的可控特性，在计划测量之前，实际上在与测量对象接触之前，以及在与测量对象接触期间，可以执行测量元件的配置的改变，例如第一测量臂和第二测量臂的总厚度。合适的致动器元件例如是压电部件，利用该压电部件，可以通过施加合适的控制电压、具有主轴齿轮或手动主轴齿轮的电磁或电动旋转致动器来调节伸长/收缩。然而，也可以使用在合适区域中提供尺寸变化的其他机构。

关于用于改变厚度的上述机构，应该注意的是，小的厚度变化，例如+/-15μm，优选地用于描绘触头针脚的上限和下限公差。较大的厚度变化，例如+/-100μm，优选用于描绘具有测量元件的不同类型的触头针脚。

在前面提到的两个厚度变化范围中，例如可以高效地采用以下两种方法：

厚度变化，用施加的力插接，即厚度的动态变化。结果，可以简单地确定弹簧特性。这对于限定插头连接器很有用：可以高效地检查新产品并将其呈现给客户。例如，根据客户的公差范围调整弹簧特性，或者根据产品进行厚度变化。因此，测量元件涵盖了大范围的产品。因此，还可以检查尚未具有任何特定测量元件的新产品。

没有施加力没有插入的厚度变化，即静态厚度变化。因此，可以牢固且不可变地调整不同的测量情况。因此，箔片适用于此目的，以便改变一个或两个测量臂的厚度，但也“静态地”使用致动器元件，特别是手动主轴齿轮。对于制造中伴随的产品的检查会产生有趣的考量：

厚度的变化取决于客户对同一插头连接器产品的测量指令。

厚度的变化取决于产品，即一测量元件涵盖了大范围的产品。

总的来说，静态或动态改变总厚度的可能性导致成本降低。

在清楚的实施例中，一个或多个致动器元件用作传感器。换句话说，除了迄今为止描述的用于信号生成和信号评估的概念，根据该概念，变换器单元将机械电压或变形转换为电信号并且评估该信号以确定力，补偿的概念可以在一些实施例中借助于致动器元件使用。在这种情况下，评估由致动器元件执行的行程和/或由致动器元件施加的功直到实现变换器单元的特定信号。

在另一优选实施例中，定位元件设置在第一测量臂和/或第二测量臂处，以定位校准质量或校准长度元件。对应的测量元件通常通过用量计重量或根据校准长度施加影响来校准，例如通过添加到对应的测量臂的重量和/或通过引起的限定的长度偏转和通过确定的产生的偏转。通过提供定位元件，待附接的校准重量的位置被精确地固定，由此可以以可再现的方式执行校准，并且由校准产生的值必须分配在测量元件的机械和电气特性中，而不受校准质量或校准长度元件的作用点的失调的影响。在一个变型中，定位元件是在相应的测量臂中形成的凹槽或对应的凹口，其可以适当地围绕并因此定位用于悬挂校准质量的线绳或其他线。在其他变型中，可以提供适当的压花或定位元件的另一个凸起，其接合在校准质量的互补部件中，以实现可靠的定位。

根据本发明的另一方面，前述问题通过一种用于测量力的测量元件来解决，其具有在测量元件的纵向方向上延伸的第一测量臂和在纵向方向上延伸的第二测量臂，其中第一测量臂和第二测量臂可以在垂直于纵向方向的方向上相对于彼此偏转。根据该方面的测量元件还包括变形部分，该变形部分以可弹性变形的方式将第一测量臂和第二测量臂彼此连接。另外，第一测量元件具有第一测量范围，所述第一测量范围是固定的，是因为，当通过第一测量臂和第二测量臂的相对偏转测量且等于或小于阈值的力施加影响时，第一测量臂和第二测量臂保持彼此间隔开。另外，测量元件具有第二测量范围，所述第二测量范围是固定的，是因为当通过第一测量臂和第二测量臂的相对偏转测量且大于所述第一阈值的力施加影响时，第一测量臂的前部区域与第二测量臂的前部区域接触。

在根据本发明该方面的测量元件中，基于变形部分的变形进行待测量力的评估，其中，通过提供至少两个测量范围可以实现总体上更宽的测量范围和/或更高的准确度，这两个测量范围通过测量臂的前部区域的接触和非接触而彼此不同。换句话说，测量元件形成为使得对于达到特定阈值力的力，当在测量元件上施加影响时，避免第一测量臂和第二测量臂之间的机械接触，因此，在这种情况下，对于相对小的力，例如在几十牛顿到几百牛顿的范围内，可以实现有利的响应行为，因为基本上只有变形部分的弹性弹簧力作为所要测量的力的反作用力而发生。当超过第一阈值时，发生两个测量臂的机械接触，使得测量臂本身的机械特性也作为待测力的反作用力发挥越来越重要的作用。换句话说，即使变形部分的变形没有遭受如此明显的变化，与两个测量臂之间的接触开始之前的情况一样，可以经由附加信息(即，两个测量臂接触的信息)对待测量的力进行更广泛的评估。换句话说，对于具有相对一般形状的变形部分并且在其上提供变换器单元或与其相关的变换器单元的测量元件，与传统的“间接”测量系统相比，可以实现相对大范围的待测量的力。在前面的实施例中还解释了基于测量臂的两个不同机械状态提供至少两个测量范围的其他优点和特性。

在另一优选实施例中，提供第三测量范围，所述第三测量范围是固定的，是因为当通过第一测量臂和第二测量臂的相对偏转测量且大于第一阈值并且等于或大于高于第一阈值的第二阈值的力施加影响时，第一测量臂的前部区域与第二测量臂的前部区域接触，且由第一测量臂的后部区域和第二测量臂的后部区域形成的中间空间的尺寸是所要测量的力的特性。如前文已经解释过的，通过提供另一测量范围，产生了根据本发明的测量元件的更进一步的应用领域。

在另一有利实施例中，提供第一检测装置，用于记录测量臂的接触，必要时结合第二检测装置，其记录中间空间的尺寸。如已经结合第一方面中的前述实施例所解释的，可以通过相应的检测装置获得合适的信号，例如电信号，以便评估通过测量臂的相应机械状态获得的信息。

在第二方面的测量元件的有利实施例中，在变形部分上提供响应于变形的一个或多个变换器单元。换句话说，在这些变型中，变形部分在几何上设计成使得至少一个，优选若干个变换器单元可以容纳在其上，从而可以高效且精确地确定变形部分的变形。例如，如果使用应变仪，则可以将其设置成使其在变形部分上以全长施加，从而与要记录的变形的良好分辨率相关地实现了高响应特性。在一个变型中，一个或多个变换器单元中的一个布置在变形部分面向测量臂的一侧。因此，变形部分至少形成为使得可以将变换器单元布置在面向侧，由此可获得例如在上述传统的间接测量布置中不可能的位置。在另外的变型中，作为变换器单元在变形部分的面向测量臂的那一侧的附接的附加或替代，一个或多个变换器单元也可以布置在背离测量臂的一侧，以便因此进而增加响应属性和/或准确度和/或分辨率。

变形部分的几何设计优选地基于通过模拟确定的几何设计建模，如已经结合第一方面所解释的那样。以这种方式，利用变形部分的给定材料特性，可以固定测量元件的实质方面，使得可以高度准确地适应预期应用，由于实施了至少两个不同的测量范围，能够覆盖大范围的待测力。

如前文所解释的，变换器单元的位置固定在具有局部最高变形的区域上，该区域通过实验和/或模拟确定。

在另一有利的实施例中，采取适当的措施，这些措施也结合第一方面进行解释。例如，测量臂的彼此面对的那些表面适当地形成，如前文所解释的，和/或第一测量臂和第二测量臂的总厚度变化或可调节，如前文已经描述的那样。在另一变型中，厚度可以在+/-200μm的范围内变化，和/或可以提供单独的区域，每个区域具有一致的厚度但是可以在区域与区域之间不同，和/或致动器元件可以设置在测量元件中的适当的点出，以便根据需要调节机械特性，例如总厚度，例如在0.2mm至2.0mm的范围内。此外，可以提供合适的装置以保证校准质量或校准长度元件的作用点的准确位置。

在本发明的另一方面，上述目的通过用于记录力的测量元件来实现，该测量元件具有第一测量臂，其在测量元件的纵向方向(L)上延伸，具有前部区域和后部区域。此外，在纵向方向上延伸的第二测量臂设置有前部区域和后部区域，其中第一测量臂和第二测量臂的后部区域可以在垂直于纵向方向的方向上相对于彼此偏转，且前部区域彼此牢固地连接。测量元件还包括用于记录由第一测量臂和第二测量臂的后部区域形成的中间空间的尺寸的检测装置。

通过在力作用侧“闭合”的测量臂的这种配置，产生了一种稳健的结构，其中在后部开放区域中实现了响应灵敏度，而对测量臂的最前部区域施加影响的力的影响非常小。这对于非常大的力是有利的，因为该布置更加刚性。由于更稳健的结构，也可以实现小的总厚度。

在一个变型中，检测装置包括一个或多个变换器单元，其响应于第一测量臂和/或第二测量臂的后部区域的变形。换句话说，检测装置，附加地或作为唯一的检测装置，具有响应于变形的部件，例如薄金属膜应变计和/或硅应变计和/或聚合物应变计和/或压电装置等，和/或光学变换器单元和/或高频电磁变换器单元和/或声变换器单元，其能够实现高精度。

在另一实施例中，检测装置包括记录第一测量臂的后部区域与第二测量臂的后部区域之间的间隔的装置，作为其结果，作为上述变换器单元的替代或附加，可以使用其他测量概念，例如电容和/或电感空间测量、超声测量、光学空间测量、电磁空间测量等。以这种方式，可以进一步提高响应灵敏度和准确性。

在另一变型中，第一测量臂和第二测量臂在背离前部区域的一侧彼此弹性地联接。通过这种附加的机械联接，一方面产生测量元件的整体更高的稳定性，特别是两个测量臂的稳定性，但是仍然保留了记录中间空间的变化的能力。在另一实施例中，弹性联接由变形部分实现，变形部分设置有一个或多个变换器单元，变换器单元记录变形部分的变形。在这种情况下，变换器单元可以是检测装置的一部分，或者可以另外提供。

根据本发明的另一方面，上述问题通过用于检测力的测量系统解决。测量系统包括测量元件，如前述实施例之一中所描述的或如以下详细描述中所解释的。此外，测量系统具有校准单元，其可以与所述测量元件联接，且在联接状态下，其固定第一测量臂和/或第二测量臂处的用于加载校准质量或应用校准长度元件的位置。换句话说，在本发明的该方面，通过校准单元可以进行极其可靠的校准，可以进一步加强先前解释的测量元件的有利效果。在一个变型中，校准单元以容器的形式提供，该容器以精确的方式接收两个测量臂的一部分，从而暴露第一测量臂和/或第二测量臂的精确固定的区域，然后，所需的校准力可以作用于该区域。例如，容器可以具有盖子或杯子的形式，当引入第一测量臂和第二测量臂时，容器通过其几何形状强制执行盖子或杯子内的两个测量臂的精确位置。利用校准单元中的一个或多个对应定位的孔，然后可以将期望的校准力施加到第一测量臂和/或第二测量臂上。在这种情况下，校准力可以例如通过属于校准单元的重量或单独的重量来施加。例如，校准单元中的一个或多个孔可以用作压力杆的引导件，该压力杆本身用作校准质量，或者与附加质量相关联地起到校准质量的作用，从而在精确固定的位置施加所需的校准力。

根据本发明的另一方面，通过提供测量元件的方法解决了上述问题，其中测量元件具有一个或多个先前说明的实施例的特性。该方法包括选择至少用于制造测量元件的变形部分的材料，以及固定通过第一测量臂和第二测量臂的相对偏转来测量的力的至少一个测量范围。此外，为响应于变形的一个或多个变换器单元选择一种或多种材料和一种或多种操作模式。该方法还包括：通过进行模拟计算，以所选材料的材料特性和固定测量范围为基础，确定变形部分的模拟几何设计。最后，该方法包括通过对模拟的几何设计进行建模，由所选材料制造变形部分。

在根据本发明的方面，首先选择用于变形部分的材料和一个或多个变换器单元，并且针对所需的测量范围(即，针对待测力的尺寸的范围)确定一种或多种可能的几何形状，其中这有利地进行，以使得对于所选择的测量范围产生高度准确性和/或良好响应特性和/或高分辨率。在通过模拟确定的几何设计的基础上，产生了变形部分的实际几何设计，由此实现了模拟特性与实际预期的特性的高度一致性。在有利的变型中，模拟还从确定一个或多个变换器单元的一个或多个有利位置的方面进行，所述一个或多个变换器单元将布置在变形部分上。这里，变换器单元的位置的术语应该被理解为使得也限定区域的尺寸和形式以及因此变换器单元的尺寸和形式。换句话说，对于变形部分的给定几何设计，为对应的若干较小的变换器单元提供若干较小的区域可能是有利的，从而获得整体信息，其具有更高的空间分辨率和可能更高的统计显着性或通常更准确，以评估变形部分的变形。例如，通过模拟，可以高效地确定在变形部分的面向测量臂的一侧或背离测量臂的一侧上附接一个或多个变换器单元是否有利，或者提供两侧用于附接一个或多个变换器单元。可以在一个有利实施例中基于有限元方法执行模拟计算。众所周知，有限元方法对于用计算机执行模拟特别有利，因为该方法的开发总是在与计算机辅助工具的交互中进行，因此能够在任何期望的合适的计算机平台上实现高效的实现。

附图说明

其他有利的实施例也在从属权利要求中限定，并且当参考附图研究时，从以下详细描述中得出，其中：

图1a是根据一个实施例的测量系统的示意性侧视图，

图1b至图1d是变形部分的示意性侧视图，该变形部分具有不同的几何形状和不同的位置以及用于变形相关的信号输出的变换器单元的数量，

图2a是根据另一实施例的测量系统的示意性侧视图，其中使用不同的机械状态来实现不同的测量范围，

图2b至图2d示出了测量元件的三种不同的机械状态，

图3a至图3e示出了根据各种实施例的测量臂的截面并且因此彼此面对的表面的示意性透视图，

图4a示出了测量系统的示意性侧视图，该测量系统具有测量臂的变化或可变化的总厚度，

图4b描绘了实施例，其中一个或两个测量臂的厚度在不同区域中被不同地调节，

图4c示意性地示出了可以以可控方式改变测量元件的一部分的长度/收缩的实施例，

图5示出了两个测量臂的一部分的示意性侧视图，其中提供了对力不灵敏的部分，

图6示意性地示出了变型的透视图，其中设置了若干对测量臂，以便同时彼此独立地测量多个力，

图7示意性地示出了具有适合的截面的测量元件的一部分的侧视图，

图8a示出了另一实施例的测量系统的示意性侧视图，其中提供了单独的校准单元，

图8b示出了变型，其中，作为校准单元的替代或附加，提供了定位元件以准确地固定校准力，以及

图8c示意性地示出了图8a的测量系统的一部分的侧视图，其中测量臂的一部分定位在校准单元中并且以高局部分辨率加载测量力。

具体实施方式

现在将参考附图更详细地描述本发明的另外的实施例。

图1a示出了测量系统180的示意性侧视图，该测量系统180被形成用于测量力，特别是记录在几百分之一牛顿至几百牛顿的范围内的力，其中在这种情况下是相应力的分量，其垂直于系统180的纵向方向L取向并且位于图1a的投影平面中。换句话说，在实践中，这种力可能以一定角度作用在系统180上，其中测量该力的对应分量，其位于图1a的投影平面中并且垂直于纵向方向L取向。然而，由于测量系统180中的轻微偏转或变形，可能发生关于先前确定的力方向的小的角度偏差。

系统180包括校准单元190，其用于在精确指定的位置处在系统180处施加给定的已知力，如下面还将更详细地解释的。系统180还包括测量元件100，其是系统180的部件，其加载有待测量的力并提供对应于该力的信号。测量元件100包括第一测量臂110和第二测量臂120，其在无应力状态下在其之间形成间距101，根据应用，间距101可具有从十分之几毫米到一毫米以上的尺寸。具有前部区域110A和后部区域110B的第一测量臂110和类似地具有前部区域120A和后部区域120B的第二测量臂120经由变形部分130彼此机械地联接，使得测量臂110、120相对于彼此的相对偏转(其导致间距101的变化)引起部分130的弹性变形，该变形经由合适的装置变换为信号。为简单起见，图1a中未示出用于将变形变换成信号的这种装置。另外，在所示的实施例中，测量臂110、120通过对应的腿或过渡区域115、125连接到变形部分130。过渡区域115、125通常配置成使得当它们被加载具有前述取向的力时，它们仅显示可忽略的变形。换句话说，由测量臂110、120、过渡区域115、125和变形部分130构成的几何布置构造成使得，当测量臂110、120的相对偏转发生时，明显的变形仅发生在变形部分130中，并且如下所述，在一定程度上也在测量臂110、120处发生。应当注意，当测量臂110、120处于“无应力”状态时，小的力仍然可以对测量臂110、120施加影响，但是这些基本上没有引起明显的变形，特别是在部分130中。例如，在所描绘的取向中，重力可以垂直于纵向方向L向下作用，并且该力导致不可测量的变形，即使仅测量元件100的一部分刚性地连接到另外的主体，例如外壳(没有示出)。

如图1a所示，变形部分130特别在垂直于纵向方向L的方向上具有显著的长度，因此，根据材料和几何形状，变形部分130可以记录所需的响应灵敏度，即使在测量臂110、120的微小偏转的情况下。为此目的，形成为将部分130的变形转换成信号的一个或多个变换器单元附接在给定位置处，例如在面向测量臂110、120的侧面130A和/或背离测量臂110、120的侧面130B。还应注意，除材料特性外，“高度”或材料壁强度(即材料在垂直于图1a的投影平面的方向上的尺寸，特别是变形部分130的尺寸)也对部分130的变形特性具有显著影响，因此，在选择变形部分130的几何设计时也要考虑到这一点。

图1b示出了变形部分130的示意性侧视图，其几何设计适用于相应的应用，使得对于由测量臂的偏转引起的变形实现期望程度的响应灵敏度、准确度和分辨率。在所示的实施例中，变形部分130基本上对应于具有相对尖锐边缘131的或多或少矩形的截面，即，具有到连接区域115、125(图1a)的对应的过渡，从而可以指定相应准确定义的长度130L，其对应于尖锐边缘131的间距。取决于应用和其他材料特性以及部分130的壁厚，长度130L可以在5mm至20mm或更大的范围内。在这种情况下，长度130L在此选择，使得至少一个变换器单元可以完全布置在其上。

在模拟计算的基础上，变形部分130的几何设计从材料特性开始确定，即，弹性模量，壁厚等，其中基于适当选择的有限元数量构造虚拟变形部分，并且确定在发生弯曲力的情况下的机械行为。在这种情况下，可以基于测量元件100的几何设计来确定进入计算的弯曲力，例如，假设在沿着纵向方向L(图1a)在给定长度处，某个范围力作用在测量臂上并最终经由过渡区域传递到变形部分130上。以这种方式，在给定的材料壁强度和已知的材料特性的情况下，可以确定显著的尺寸，例如部分130的长度130L或宽度130D。换句话说，与传统的测量系统相比，变形部分130的几何设计首先通过计算确定，这取决于其他因素，特别是对于给定壁厚的材料特性，使得测量系统的所需的操作模式在施加影响的力的给定范围内得到保证。此外，当进行这种模拟计算时，在给定的力作用在测量臂上的情况下，也可以确定具有局部最高变形的对应区域，并确定为合适的位置，即针对对应的测量变换器的位置和扩张性。以这种方式，当制造测量元件100时，可以对期望的应用进行优化的适应，特别是对发生的力的范围，这意味着与传统系统相比，响应灵敏度和/或分辨率和/或准确度以及因此再现性得到改善，如前所述。以这种方式，例如可以在适当配置的变形部分130的基础上利用测量系统180进行测量系统分析，其中可以系统地检查和评估准确性、正确性、系统测量偏差、可重复性、再现性等。以这种方式，还可以以对应的系统的方式获得关于通过测量系统180(图1a)测量的测量对象的陈述。

在对应的模拟计算的基础上，确定例如位置(即，例如，中间点的所在)和变换器单元140的尺寸，以便因此获得所需的分辨率、准确度、响应灵敏度等。例如，在所示的实施例中，变换器单元140完全设置在变形部分130的范围130L内的中心位置，因为在那里已经计算出最大的变形值。换句话说，变换器单元140在其背离侧面130B上完全布置在变形部分130内。替代地或附加地，具有合适尺寸的另外的变换器单元141可以布置在面向侧130A上，其中，在此也通过模拟计算给出变换器单元141的准确所在和尺寸。

图1c示出了另一种变型，其中几何设计与图1b中的设计不同，例如就长度130L和/或代表性宽度130D而言，例如，在长度130L的中间测量。如前面已经解释的，在这种情况下考虑了部分130的材料壁厚，这里为了简单起见，假设材料厚度对于相应的不同几何设计是相同的。部分130的几何设计(其中边缘131的形状与图1b中的相对尖锐的边缘131相比可以是不同的)这里也首先通过模拟再次确定，若干个变换器单元的合适位置也已经被确定。在所示的实施例中，变换器单元142和143例如完全在部分130的长度130L的范围内布置在背离侧，并且因此位于外部区域上，而另一个变换器单元144在部分130的面向侧设置在中心区域中。当注意，在计算部分130的变形行为时，特别还可以考虑一个或多个变换器单元的机械行为，其因此也包含在变形部分的“材料特性”和“材料厚度或壁厚”中。

在清楚的实施例中，至少一个变换器单元固定在其位置，包括其尺寸，使得其覆盖最大变形的区域，而其他变换器单元布置成使得它们至少设置在变形的局部最大值的区域中。例如，这种方法可以有利于提高响应灵敏度以及准确性。例如，变换器单元144可以位于全局最大变形的位置，而变换器单元142和143可以布置在具有局部最大变形的位置。在其他清楚的实施例中，可以适当地布置变换器单元而不考虑变形的整体或局部最大值，使得在相互作用中，获得针对部分130中的引发变形的优化信号。

图1d示出了另一种变型，其具有适用于部分130的几何设计，其中变换器单元145、147设置在部分130的边缘区域附近的相对位置处，并且类似地，变换器单元146、148设置在部分130的相对边缘区域处的相对位置处。这里的情况也是如此，部分130的精确几何设计(即其长度、宽度、边缘形状等)，在给定材料特性和材料厚度的情况下(例如包括变换器单元的特性)，通过模拟来确切，且变换器单元145、...、148的对应位置也可以通过模拟适当地获得。

应当指出的是，在计算的几何设计和一个或多个变换器单元(其优选地完全位于变形部分内)的计算位置的基础上，然后在制造实际的测量元件时建模，其中，通过可用的制造技术，在理论上确定的几何设计与实际实施的几何设计之间仅发生小的偏差。换句话说，从尺寸的理论目标值到实际建模的实际值的典型偏差例如在1μm到几微米的范围内。

图2a示出了根据另一实施例的测量系统280的示意性侧视图。如图所示，系统280具有测量元件200和校准单元290。测量元件200包括第一测量臂210和第二测量臂220，其在无应力状态下通过间距201彼此分开。此外，第一测量臂210和第二测量臂220经由对应的连接区域215、225联接到变形部分230，以及一个或多个测量变换器，为简单起见，图2a中未示出，其被附接到变形部分230。在清楚的实施例中，对应的测量变换器单元可以如关于图1b至1d中的系统180所示和所述地布置。然而，应该注意的是，一个或多个测量变换器单元的对应的定位可以基于模拟计算进行，如先前所述，例如，在其他实施例中，仅合适的几何形状(其可以通过实验等来确定或者也可以通过模拟来确定)就足够了并且可以用作测量元件200的基础。换句话说，在有利实施例中，变形部分230的几何设计特别是基于模拟计算确定的，但是在其他实施例中，这不是必需的，并且对应的实验结果和其他专业知识可能足以配置测量元件200以用于所需的应用领域。测量元件200特别是通过能够采用对应于待测力的不同测量范围的不同机械状态而设计为用于加宽的测量范围。

图2b示出了测量元件200的一部分的示意性侧视图，其中第一测量臂的前部区域210A和第二测量臂的前部区域220A以无应力状态示出，意味着在那里保持间距201。然而，当加载力时，值0小于第一阈值，例如几十牛顿的力，发生两个测量臂的相对偏转，即，特别是两个前部区域210A、220A，以便调整新的间距201A，其代表施加的力F₁。应该注意的是，如果两个测量臂对于施加影响的力F₁具有足够的刚度，则可能发生相对偏转而没有两个测量臂的明显的弹性变形。如果力F₁增加，则发生间距201A的进一步减小和间距201A不为0的区域，即，只要两个前部区域210A、220A之间没有直接的机械接触，就被称为第一测量范围。

图2c示出了测量元件200的另一机械状态，其中力或力F₂的对对两个测量臂施加影响，使得它们彼此直接接触。在这种情况下，在两个前部区域之间刚刚发生机械接触的力F₂被称为阈值。换句话说，从测量臂的两个前部区域直接接触时起，在变形部分230处可能不会发生额外的或显著减小的偏转，并且可能仅发生测量臂的某种弹性变形，使得第一前部区域210A和第二前部区域220A之间的接触表面变大。可以适当地检测区域210A、220A之间的机械接触，为此目的，提供合适的检测单元250。

这里示意性地示出的检测单元250可以适当地形成以记录前部区域210A、220A之间的电阻，该电阻例如在测量臂整体由具有相对高电阻的材料构成时变化。换句话说，在这种情况下，如果没有接触，则在绝缘体处测得无限电阻，或者如果电流是通经由测量臂、过渡区域和变形部分进行的(见图2a)，则测得相对大的电阻。另一方面，如果存在直接接触，则通过“接触电阻”的并联连接相应地减小电阻，使得这允许相应地记录直接接触。此外，接触表面的增加可有助于进一步可测量地减小电阻，这意味着获得力F₂的对应的代表信号。

在其他设计变型中，检测装置250可以附加地或替代地实现其他测量概念，例如电容测量、电感测量等，以便获得对应的输出信号。此外，作为直接接触的电评估的替代或附加，可以提供一个或多个压敏传感器，其然后输出取决于力F₂的信号。这里必须注意的是，这种传感器的适当机械应力施加相对较低，因为应力仅发生在垂直于纵向方向的方向上，并且仅在超过限制第一测量范围的对应阈值力时发生。

图2d示出了另一实施例，其中描绘了另一机械状态，其中作用在测量臂上的力的进一步上升不会导致前部区域210A和220A之间的接触表面211的任何进一步增加，这意味着，从特定的第二阈值力开始，基本上由第一测量臂的后部区域210B和第二测量臂的后部区域220B形成的中间空间202的尺寸被改变。当高于第二阈值的力(此处称为F₃)施加影响时，则发生中间空间的变形或减小，从而例如产生减小的尺寸202A。为了记录尺寸或形状及其从中间空间202到中间空间202A的变化，提供了合适的另一检测装置251，其输出信号，该信号例如是中间空间202、202A的尺寸的度量。在这种情况下，检测装置251可以具有任何合适的传感器，例如应变仪、压电元件、用于电感和/或电容测量的电气部件等，这意味着可以提供更大的力的另外的测量范围。在这种情况下，变形部分230(图2a)可能不会遭受进一步明显的变形，因此不能显著地有助于对发生的力的表征，但是由检测单元250和/或251获得的信息能够对发生的力进行进一步的评估。以这种方式，单个结构能够覆盖非常大范围的力，其中，由于变形部分230的特性，可以实现很大程度的响应灵敏度和分辨率，特别是在图2b的机械状态表征的第一测量范围中。

在另一设计变型中，图2d中描绘的测量元件200是测量元件，其中测量臂210、220在其前部区域210A、210B处机械地彼此牢固地连接，这意味着直接在彼此牢固连接的区域上施加影响的力不会引起中间空间202的明显变形或变化。另一方面，后部区域210B、220B对待测量的力作出反应，这也是结合图2d描述的先前实施例中的情况。因此，检测装置251记录中间空间202的尺寸，例如通过记录后部区域210B、220B的变形和/或通过记录后部区域210B、220B的指定区域的间距，为此目的存在许多合适的测量概念，这些概念已经在前面列出过了。

换句话说，在这些实施例中，不可分离的前部区域210A、220A产生很大的刚性，这使得可以容纳非常大的力。稳健的机械结构附加地允许用于所要测量的给定力的非常小的总厚度。

在一些实施例中，为了机械稳定的目的，测量臂适当地机械地联接在背离前部区域210A、220A的侧面(未示出)上，例如压在一起，如左侧示意性示出的，或者通过粘合剂彼此连接，如图2d的右侧示意性示出的，使得在那里施加影响的力对中间空间202的尺寸没有显著影响。在其他实施例中，测量臂210、220通过弹性变形部分彼此联接，例如以变形部分230的形式，其形成为使得如果中间空间改变，则引起部分230的某种变形。用于此的合适的几何设计可以通过实验并且特别是通过模拟来确定。变换器单元也可以设置用于这种适当设计的变形部分，这些变换器单元能够用作检测装置251的附加或替代，以便确定所要测量的力。

应当注意，如前所述，除了那里描述的概念，在测量系统280中实现的用于实现两个或更多个测量范围的两个或更多个不同机械状态的概念也可以以相同的方式在测量系统180中实现，即，在测量元件100中。此外，具有牢固或刚性连接的前部区域210A、220A的前述实施例同样可以与先前或下文描述的特征组合。

图3a至3e示出了测量臂的前部区域的示意性透视图，其例如可以在先前描述的测量元件100、200中使用，并且还在下面描述的测量元件中使用。

图3a示出了第一测量臂310和第二测量臂320的透视图中的截面的视图，其中相应地彼此面对的表面312和322被设计成使得它们彼此互补，即，使得当它们彼此叠置时具有某种形状配合，并且使得表面的至少一些区域具有表面法线322N，该表面法线322N与待测量的力分量F_N形成角度。在图3a所示的变型中，表面312和322具有基本上光滑的面，其相对于待测量的力分量F_N的方向相应地形成大于10度的角度，甚至更有利地为30度以上。

图3b示出了另一变型，其中表面312和322形成为互补的弯曲面，因此这里也是，在曲线形式的重要区域中，表面法线322N与待测量的力分量形成或多或少的大角度。

图3c示出了另一变型，其中面对和互补的表面312、322具有若干弯曲部分，这意味着，在这种情况下，也存在许多具有表面法线322N的面区域，其与待测量的力形成角度。

图3d示出了另一变型，其中表面321、322形成为楔形，因此这里也是，表面法线322N相对于待测量的力分量的方向形成角度。

面对表面312、322(它们彼此互补，并且具有至少在区域中形成相应的表面法线与力分量的方向之间的角度的特性)导致第一测量臂和第二测量臂的整体更加刚性的行为，由此可以实现更稳健的机械行为。

图3e示出了另一变型，其中表面在偏转方向上取向，使得法线322N指向所要测量的力的方向。

图4a示意性地示出了具有校准单元490和测量元件400的另一测量系统480的侧视图，其中第一测量臂410和第二测量臂420的总厚度至少在一些区域中是变化的或者可以变化。必须注意的是，测量元件400的整个测量臂410、420的或一部分的变化或可变的总厚度的特性也可以安装在先前描述的测量元件100、200中的每一个中，或者也可以安装在在下面描述的测量元件中，作为另外描述的特性的附加。在其他实施例中，在测量元件400中实现测量元件100、200的没有或仅有的隔离特性。在无应力状态下，第一测量臂410和第二测量臂420具有间距401，其可位于合适的范围内。间距401连同第一测量臂的相关“厚度”410D和第二测量臂的“厚度”420D在无应力的状态下产生总厚度404。因此，厚度410D、420D在一方向上对应于测量臂的尺寸，该方向也对应于待测量的力分量的方向，并且垂直于纵向方向L(图1a)取向。

第一测量臂410和第二测量臂420，如也已在前面的测量元件中描述的，通过相应的过渡区域415、425连接到变形部分430，在测量臂的相对偏转的情况下，其显示变形，该变形通过一个或多个适当布置的变换器单元转换成信号。特别是，必须注意的是，适当的变换器单元可以在任何位置附接到变形部分430；例如，应变仪，压电部件等。在其他有利实施例中，如前文所解释的，一个或多个变换器单元的定位可以例如结合测量元件100所解释的那样进行。

还应注意，测量臂的截面可以如结合图3a至3d所描述的那样设计。在这种情况下，对应的厚度410D、420D可以是可变的，并且在给定位置处的对应代表值被假定为对应厚度410D、420D的测量点。然而，应该注意的是，彼此面对的测量臂表面的设计对于总厚度404并不重要。在所描绘的实施例中，在无应力状态下，提供具有可变总厚度404的区域，这意味着可以根据沿着测量臂的纵向方向的待测量的力的迎角来确定不同的测量结果，因为总厚度也影响攻击力和测量臂之间的机械相互作用。

图4b示出了例如通过提供附加厚度410F来增加总厚度404(图4a)的剖面。例如，将一个或多个材料层(例如材料箔)施加到第一测量臂的指定部分上。换句话说，在所描绘的部分中，原始或最小厚度410D相应地增加了厚度410F。因此，通过施加较薄的材料层或较少数量的相同材料层，可以在另一部分(未示出)中安装大于原始厚度410D但小于厚度410F的另一厚度。以这种方式，可以安装具有对应于厚度410D的最小厚度的部分、具有“标称”厚度的部分和具有最大厚度的部分，即，410D加410F，以便实现三个不同的总厚度404。应该注意的是，可以附加地或替代地在第二测量臂处执行相应的厚度变化，并且可以沿着测量臂的纵向范围安装不同厚度的两个区域或者四个或更多个区域。如果认为这是合适的，则还可以通过适当地添加额外的材料而将或多或少逐渐变化的厚度安装在一个或两个测量臂中。

图4c示意性地示出了侧视图，其中提供一个或多个控制构件445，即，致动器元件，以便可控制地实现测量元件400的特定区域中的伸长/收缩。例如，可以在过渡区域415和/或过渡区域425中和/或变形部分430中提供一个或多个致动器元件445，以便因此可控地调节测量元件400的机械状态。如图4a所示，例如，过渡区域425的区域设置有一个或多个致动器元件445，从而当致动器元件445的伸长/收缩被改变时实现总厚度404的变化。以类似的方式，例如，可以在过渡区域415和/或变形部分430中提供一个或多个致动器元件445，从而可控地调节总厚度404。在这种情况下，一个或多个致动器元件445是任何合适的控制元件，其例如基于电信号执行对应的伸长/收缩并且必须保持在对应的状态。在对应的控制构件之中有压电元件、基于微电子机械系统(MEMS)的可控元件、微电机、合适的金属、或具有例如良好可再现的热膨胀的其他材料，等等。控制构件也可以以由旋转汽缸发动机驱动的主轴的形式提供，或者也可以手动地提供。换句话说，一个或多个致动器元件445的且从而测量元件400的所需机械状态可以通过应用合适的控制信号来调节，所述控制信号的形式可以是电信号、手动动作、调整致动器元件445中的可再现温度的信号、光信号等。这可以是有利的，以便使总厚度404在期望的范围内改变，而不必由此改变待测量的力分量的作用点。通过在测量力施加其影响时相应地触发一个或多个致动器元件445，总厚度404的对应的“调整”也可以在测量过程期间动态地发生。这可以导致部分430中的改变的变形，因为待测量的力分量因此对测量臂的系统施加影响，其在无应力状态下将具有改变的总厚度404。当然，一个或多个致动器元件445的机械状态的改变也可以在待测量的物体的直接接触之前发生。

除了通过一个或多个致动器元件对测量元件400的配置的动态和静态适配之外，如之前已经描述的，在清楚的实施例中，一个或多个致动器元件可以用作传感器，通过获得致动器元件的行程或偏转和/或施加的功作为信息并包含其以进行进一步评估。该信息例如可以通过确定旋转汽缸发动机的转数、通过评估对电压起反应的元件的控制电压等来获得。例如，可以改变致动器元件的触发并因此改变要评估的信号，直到实现(多个)变换器单元的给定信号。通过对变换器单元的信号的这种“补偿”，致动器元件的信号则是所要测量的力的准确度量。该补偿方法还可用于校准测量元件400，而无需其他校准部件。换句话说，致动器元件被激活，直到在变换器单元中调整期望的校准值，例如期望的零点。可以在实际测量期间应用该校准值所需的致动器元件445的触发信号，或者在评估期间适当地将其纳入考虑。

图5示出了测量臂510和520的一部分的示意性剖视图，其可以在所有先前描述的测量元件100、200、400以及所有进一步描述的测量元件中以这种形式使用。如图所示，第一测量臂510和第二测量臂520在纵向方向L上具有不同的尺寸，因此在该变型中，第二测量臂520例如具有前部区域520A，其在纵向方向上完全包含第一测量臂510的前部区域510A。换句话说，在无应力状态下，第一测量臂510和第二测量臂520之间的相应间距501不是完全形成在前部，但是在无应力状态下的总厚度沿着纵向方向L在测量臂的整个范围内基本相同。换句话说，通过测量臂510、520的系统产生一区域，该区域对施加影响的力F₁不灵敏，即，在前部区域520A的区域中施加影响的一对力，而对第一测量臂510的区域中的一对力F₂具有期望的灵敏度。因此，在测量对象中，例如插头连接，可以建立一位置，在该位置中，例如必须在进一步后退的区域中测量待测量的力分量，而不灵敏的前部区域520A适当地实现了插头触头中的实际力条件的真实建模。例如，在插头连接的弹簧力沿着纵向方向L在不同的位置发生的情况下，待测量的重要区域可能位于后退位置，而另一方面，条件必须尽可能与实际因素相同地建模。以这种方式，测量在后退位置处产生的力分量，而不会通过在前部区域中产生的弹簧力引起伪造(falsification)，但是其实际存在并影响整体行为。

在没有这种被动末端的测量元件的情况下，例如先前所述的，仅可以在图5中所示的力F₁，F₂的群集(constellation)中测量总力F₁+F₂。如果要确定两个力，则可以另外使用这样的测量元件，以便在进一步的测量过程中测量该总力。从两个测量结果，即，从F₂(其用测量元件500确定)和F₁+F₂；其可以用没有被动末端的另外的测量元件确定，然后可以通过计算确定F₁。

图6以示意性透视图示出了实施例，其中仅示出了测量臂系统605A、605B、605C、605D，每个测量臂系统具有第一测量臂610和第二测量臂620。这里也应该注意，图6中所示的测量臂系统605A，...，605D可以与先前描述的测量元件100、200、400和仍然待描述的测量元件中的任何一个结合使用。在所示的实施例中，若干测量臂系统，例如具有两个、三个、四个或更多个测量臂系统，因此沿垂直于纵向方向L的横向方向W布置，使得若干测量臂系统605A，...，605D与待测量的相应的力分量的接触可以同时进行。在应用示例中，例如，关于相应的接触力绘制了具有若干机械独立插入元件的插头连接。为此目的，选择横向方向W上的间距，使得实现与测量中的相应横向间距的对应关系。在有利的实施例中，每个测量臂系统605A，...，605D机械地联接到指定的单独的变形部分，其中对应的变形部分可以如结合测量元件100、200、400所描述的那样设计。以这种方式，在相应的测量臂系统605A，...，605D中记录的各个力分量可以作为信号输出到适当的评估单元并单独评估。如果需要，可以在评估期间将所要测量的各个力加在一起，以便因此获得总力。如果需要“机械地”添加两个或更多个力分量，则对应的两个或更多个测量臂系统605A，...，605D可以对单个变形部分施加影响，从而确定对应的和力。

传统上，在具有许多平行接触点的插入式触头的情况下采用以下方法：插入窄的测量元件和大的被动金属部件，其压入其他弹簧，因为整个弹簧形成是相互关联的并且仅依赖地起作用。然后必须插入多个不同的被动金属部件以分离力。如果希望在初始插入时测量力，则只能使用若干个部件。但是，根据测试规定，这种方法通常是不允许的。此外，插入式触头在多次插入时会磨损。因此，来自若干测量的分离的力从未表示关于老化的相同情况。将测量臂系统605A，...，605D并联布置，具有同时测量的可能性，允许避免这些缺点。

图7示意性地示出了测量元件的一部分的侧视图，其中示出了连接区域725的一部分，其联接有未示出的测量臂。此外，描绘了变形部分730的一部分，其最终经由连接区域725联接到未示出的测量臂。图7中描绘的实施例也是这种情况，其可以与迄今为止描述和下文描述的所有测量元件组合。特别地，连接区域725被适当地设计成使得例如通过提供适当的腔或材料插入件726A、726B来实现高度的响应灵敏度、分辨率和准确度。以这种方式，例如可以特别地遵守对应于方法1和方法3的测量系统分析的标准，即，例如，用于自动测量系统。如已经解释的那样，还可以考虑一个或多个连接区域725来执行适当的模拟计算，以便特别地将测量元件的机械行为适应于对应的应用，从而特别地可以满足测量系统分析的标准。以这种方式，还产生了这样的可能性，即由根据本发明的测量元件获得的测量结果可用于标准化或至少准确地分类测量对象的质量和行为。

图8a示意性地示出了根据另一清楚实施例的测量系统880的侧视图。测量系统包括测量元件800，其具有第一测量臂810、第二测量臂820，其在无应力状态下在它们之间形成间距801，以及变形部分830，其经由对应的连接区域815、825机械地联接到测量臂810、820。针对测量元件800应用相同的标准，如已经针对相应的实施例描述的那样。换句话说，测量元件800可以以与测量元件100或测量元件200或测量元件400相同的方式安装，或者也可以安装成使得前述实施例中的一个测量元件的一个或多个特征组合在测量元件800中。特别地，对于测量臂810、820也是同样的情况，它们也如前述实施例中所述的那样合适地形成。这同样适用于连接区域815、825和变形部分830。换句话说，在有利的实施例中，测量元件800(具有优化的几何设计，例如基于模拟计算)合适地适配于相应的应用，和/或在元件800中实现了若干测量范围和/或对于由元件800中的测量臂810、820组成的系统的总厚度实现不同的值，和/或测量臂在一侧牢固地相互连接，和/或测量臂810、820的截面形状如前面结合图3a至3d所述地设计，和/或测量臂的设计如图5所示，和/或提供了几种测量臂系统，例如结合图6所解释的。以相同的方式，连接区域815、825可以如结合图7所描述的那样构造。

系统800还包括校准单元890，其在一个实施例中作为单独的部件提供，且附加地或替代地，在另一实施例中作为集成在测量元件800中的部件安装。

图8b示出了校准单元890的变型，其中它集成在元件800中，例如定位元件813的形式，定位元件813在第一测量臂810(如图所示)和/或第二测量臂820处在沿纵向方向L精确指定的位置处设置。定位元件813以任何合适的形式提供，例如以浮凸或凹陷的形式，以便因此接收定位重量891的支撑，定位重量891因此精确地定位在纵向方向L上。为此目的，测量元件800例如被取向成使得其测量臂810、820水平布置，结果，当施加校准质量891时，垂直于纵向方向L作用的力分量发生在精确指定的位置，即定位元件813的位置，使得可以通过校准力891的已知尺寸校准变形部分830(图8a)的响应行为。在其他变型中，应用未示出的校准长度元件以便产生精确限定的偏转，然后该偏转用于校准变形部分830。两种变体也可以一起使用。

图8c示意性地示出了校准单元890的另一实施例的侧视图，其作为单独的部件提供。在所示实施例中，校准单元890具有帽形或杯形，其中形成有凹部892，使得第一测量臂810和第二测量臂820可以以精确限定的方式引入。为此目的，凹部892具有合适的宽度(即，在垂直于图8c的投影平面的方向上的尺寸)和合适的厚度(即，在垂直于纵向方向L的方向上的合适尺寸)且特别具有给定的长度尺寸892L，从而测量臂系统撞击凹部892的后边缘时，将测量臂系统的精确限定的长度的引入凹部892中。该帽可以理解为校准长度元件，因为引起了精确限定的偏转。附加地或替代地，校准单元890具有孔893，该孔893精确地沿着纵向方向L定位，使得校准力891(例如以配重的形式)可以经由适当的压力杆891A通过孔893对测量臂施加影响。结果，作用点的位置和测量力891的尺寸被精确地得知。并且因此也可以用于校准测量元件800。

还应注意，对于所有描述的实施例，为测量元件提供合适的支撑件或外壳，从而获得机械稳健的布置。为简单起见，未示出这种外壳。此外，可以用于获取信号、评估信号或准备信号的适当的电子、光电、微机械电子部件等可以部分地或完全地容纳在测量元件本身中的合适的位置和/或在适当的外壳中的合适的位置。例如，合适的半导体芯片或其上组装有光学、电子、机械部件的其他合适的基板可以容纳在合适的位置，并且相应的供电线路也适当地以导线、导电路径等形式在测量元件和/或外壳中的合适位置提供。换句话说，可以在测量元件中或在相关联的外壳本身中执行对应的信号评估的重要步骤，并且可以将适当准备的信号发送到另外的电子评估系统，例如计算机等。在其他变型中，仅将基本上未处理的信号发送到电子评估系统。信号的发送可以例如通过有线连接或者也可以通过无线通信信道进行，使得特别是当用根据本发明的测量元件应用测量系统时实现高度的灵活性。

附图标记列表

180，280，480，880 测量系统

100，200，400，800 测量元件

110，210，410，810 测量臂(第一测量臂)

120，220，420，820 测量臂(第二测量臂)

110A，210A 第一测量臂的前部区域

120A，220A 第二测量臂的前部区域

110B，210B 第一测量臂的后部区域

120B，220B 第二测量臂的后部区域

130，230，430，830 变形部分

130A 变形部分的面向测

130B 变形部分的背离侧

130L 变形部分的纵向尺寸

130D 变形部分的宽度

131 变形部分的边缘或外缘

140，141，142，143，144，145， 变换器单元

146，147，148

101，201，401，501，801 间距

115，215，815 第一测量臂的连接区域

125，225，425，725，825 第二测量臂的连接区域

190，290，490，890 校准单元

211 接触面

250，251 检测单元

202，202A 中间空间

312 第一测量臂的表面

322 第二测量臂的表面

322N 表面的一部分的方向

404 总厚度

410D 第一测量臂的厚度

420D 第二测量臂的厚度

410F 测量臂的区域中的互补厚度

445 致动器元件

605A，…，605D 测量臂系统

726A，726B 材料凹部

813 定位元件

891 校准力或校准重量

891A 压力杆

893 校准单元中的孔

892 校准单元中的凹部

892L 凹部的长度

Claims (14)

1.一种用于记录力的测量元件（100，200，400，800），具有：

第一测量臂（210），其在所述测量元件的纵向方向（L）上延伸，

第二测量臂（220），其在所述纵向方向上延伸，其中所述第一测量臂和所述第二测量臂可以在垂直于所述纵向方向（L）的方向上相对于彼此偏转，

变形部分（230），其以可弹性变形的方式将所述第一测量臂（210）和所述第二测量臂（220）彼此连接，

其中所述测量元件具有第一测量范围，所述第一测量范围是固定的，是因为当通过所述第一测量臂和第二测量臂（210，220）的相对偏转测量且等于或小于第一阈值的力施加影响时，所述第一测量臂（210）和所述第二测量臂（220）保持彼此间隔开，并且

所述测量元件具有第二测量范围，所述第二测量范围是固定的，是因为当通过所述第一测量臂和第二测量臂（210，220）的相对偏转测量且大于所述第一阈值的力施加影响时，所述第一测量臂（210）的前部区域（210A）与所述第二测量臂（220）的前部区域（220A）接触，

所述测量元件具有第三测量范围，所述第三测量范围是固定的，是因为当通过所述第一测量臂和第二测量臂（210，220）的相对偏转测量且大于所述第一阈值并且等于或大于第二阈值的力施加影响时，所述第一测量臂（210）的前部区域（210A）与所述第二测量臂（220）的前部区域（220A）接触，且由所述第一测量臂（210）的后部区域（210B）和所述第二测量臂（220）的后部区域（220B）形成的中间空间（202，202A）的尺寸是所要测量的力的特性，其中，第二阈值高于第一阈值，第一测量臂（210）的后部区域（210B）和第二测量臂（220）的后部区域（220B）能相对于彼此在垂直于所述纵向方向（L）的方向上偏转，并且，所述前部区域（210A、220A）牢固地彼此连接；

检测装置（251）设置在变形部分（230）的外侧用于记录所述中间空间（202，202A）的尺寸，所述中间空间（202，202A）由第一测量臂（210）的后部区域（210B）和第二测量臂（220）的后部区域（220B）形成。

2.根据权利要求1所述的测量元件，其中设置有第一检测装置（250），其形成为记录所述第一测量臂的前部区域（210A）与所述第二测量臂的前部区域（220A）的接触。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的测量元件，其还具有一个或多个变换器单元（140，141，142，143，144，145，146，147，148），它们布置在所述变形部分（230）上且响应于变形。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的测量元件，其中，在给定材料特性的情况下，所述变形部分的几何设计根据通过模拟给定范围的力的变形行为而确定的几何设计来建模，所述力必须通过所述第一测量臂和第二测量臂的相对偏转来测量。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的测量元件，其中所述第一测量臂的第一表面（312）与所述第二测量臂的第二表面（322）相对，所述第一表面和所述第二表面（312，322）形成为彼此互补且具有带有表面法线（322N）的表面区域，所述表面法线与所述相对偏转形成角度。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的测量元件，其中，在没有施加所要测量的力的状态下，所述第一测量臂和第二测量臂的总厚度（404）是变化的和/或可变的。

7.根据权利要求6所述的测量元件，其中所述第一测量臂和第二测量臂之间的相互作用区域具有变化的总厚度，其由所述第一测量臂和/或所述第二测量臂的+/- 200 µm的范围内的变化的厚度（410D，420D）引起。

8.根据权利要求7所述的测量元件，其中所述相互作用区域具有至少三个区域，每个区域具有不同的总厚度。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的测量元件，其中在第一连接区域（415）和/或第二连接区域（425）中设置有具有可调节的伸长/收缩的一个或多个致动器元件（445），所述第一连接区域与所述第一测量臂（410）联接，所述第二连接区域与所述第二测量臂（420）和/或所述变形部分（430）联接。

10.根据权利要求9所述的测量元件，其中所述一个或多个致动器元件中的一个能够用作传感器，以提供能够用于评估和/或校准的信号。

11.一种用于记录力的测量系统，具有：

根据权利要求1至10中任一项所述的测量元件，以及

校准单元，其可以与所述测量元件联接，且在所述联接状态下，其固定所述第一测量臂和/或第二测量臂处的要加载校准质量或应用校准长度元件的位置。

12.一种提供根据权利要求1至10中任一项所述的测量元件的方法，具有以下步骤：

选择用于制造至少所述变形部分的材料，

通过所述第一测量臂和第二测量臂的相对偏转来固定所要测量的力的至少一个测量范围，

选择响应于变形的一个或多个变换器单元的材料和操作模式，

通过进行模拟计算，以所选材料的材料特性和所述固定测量范围为基础，确定所述变形部分的模拟几何设计，以及

通过对所述模拟的几何设计进行建模，由所选材料制造所述变形部分。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：通过所述模拟计算，确定所述一个或多个变换器单元中的至少一个变换器单元的位置在所述变形部分上的位置。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中根据有限元方法执行所述模拟计算。

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