CN113267244A - 动态称重传感器构造 - Google Patents

Abstract

一种动态称重传感器包括梁，所述梁包括具有承重表面的板，以及管部分，所述管部分包括基部壁和盖，并在它们之间限定空腔。感测封装件设置在空腔内，且在与盖和基部壁的预载下。感测封装件包括压电元件。基部壁包括从安装表面延伸到空腔的孔。所述孔在其中包括紧固件，以将感测封装件固定在空腔内。紧固件的尺寸设定为具有穿过紧固件的中心轴线获取的截面尺寸，其大于沿着紧固件中心轴线获取的压电元件的截面尺寸。在示例中，紧固件具有的截面尺寸设定成在尺寸上约为压电元件的相应的截面尺寸的10％或更大。

Description

动态称重传感器构造

技术领域

本文所公开的动态称重传感器构造涉及载荷传递机构和感测封装件或与其一起使用的组件，其配置为测量施加在载荷传递机构上的力，并且更特别地，涉及与这种传感器一起使用的预载配置，其专门设计用于提供传感器灵敏度和应力抗性的理想组合。

背景技术

动态称重传感器通常安装在道路上并且至少部分地延伸跨过道路的宽度，以随着车辆移动经过传感器而测量沿着道路行驶的车辆(例如，汽车和卡车)的动态地面力。来自动态称重传感器的测量数据通常用于计算车辆的轮轴重量，并且这样的信息可以用于确定是否有任何车辆不符合设定的规定(例如，超重)，用于未来的基础设施规划，等等。

动态称重传感器通常包括长形的壳体，该壳体具有顶板和底板以及设置在顶板和底板之间的圆柱形管。动态称重传感器还具有窄的过渡部或颈部，其将圆柱形管结合到顶板和底板。感测元件保持在圆柱形管内，处于管的上内表面和下内表面之间的预载。已知的动态称重传感器是垂直对称的，使得感测元件位于顶板和底板之间的壳体的垂直中点处。

在动态称重传感器中，在灵敏度(例如，测量力的准确度和精度)与传感器壳体的结构完整性之间存在权衡。例如，可以通过将更多的外部载荷引导到感测元件来增加灵敏度，但是将足够的载荷引导到感测元件以增加灵敏度的已知的传感器壳体遭受高的组合应力，这可能减少传感器壳体的操作寿命。已知的传感器壳体在顶板和圆柱形管之间的窄的过渡或颈部区域处经受高应力。通过增加壳体中的刚度可以改善壳体的结构完整性(并且增加操作寿命)，其通过壳体中的结构支撑路径而不是通过感测元件引导更大百分比的外部载荷。但是，减小引导到感测元件的载荷可能会不期望地降低测量灵敏度。

因此，希望以如下方式开发动态称重传感器：提供所需程度的传感器测量灵敏度，同时还具有足够程度的结构完整性以抵抗应力，从而扩展最终用途应用，并在这种最终用途应用中提供增强的操作寿命。

发明内容

如本文所公开的动态称重传感器包括沿着传感器构造的深度轴线伸长的梁。梁包括具有承重表面的板，以及管部分，其包括基部壁和盖，并在基部壁和盖之间限定空腔。感测封装件设置在梁的空腔内，且在预载下与盖和基部壁接合。感测封装件包括压电元件。基部壁包括穿过其中从安装表面延伸到空腔的孔。孔被配置成接收穿过其中的紧固件以将感测封装件固定在空腔内。紧固件的尺寸设定为具有穿过紧固件的中心轴线获取的截面尺寸，其大于沿着紧固件中心轴线获取的压电元件的截面尺寸。在示例中，紧固件具有的截面尺寸可以设定成在尺寸上约为压电元件的相应的截面尺寸的10％或更大。在示例中，紧固件的尺寸可以设定成在尺寸上约为所述压电元件的相应的尺寸的20％至100％。在示例中，基部壁从第一边缘横向延伸到与第一边缘相对的第二边缘，且其所述盖在第一边缘和第二边缘处或附近结合到基部壁。在示例中，梁还包括颈部，所述颈部在板和管部分的盖之间延伸，并将板结合到管部分的盖。

在示例中，感测封装件还包括设置在压电元件的上表面上的上电极、设置在压电元件的下表面上的下电极件；以及插设在上电极和下电极之间的导板。导板包括第一平面部分，其具有穿过其中的开口且容纳压电元件在其中的放置。第一平坦部分径向延伸到第二部分，第二部分远离第一部分轴向延伸。在示例中，感测封装件还包括插设在第一电极和空腔之间的上电介质层和插设在第二电极和基板之间的下电介质层，其中基板插设在下电介质层和紧固件之间。在示例中，导板第二部分沿着基板的侧壁表面的一部分朝向紧固件轴向延伸一段距离。在示例中，基板由金属材料形成，且其截面尺寸大于压电元件，且大于紧固件的截面尺寸。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式描述如本文所公开的动态称重传感器构造和预载配置，其中：

图1是安装在最终用途应用中的如本文所公开的示例动态称重传感器的透视图，其包括如本文所公开的示例预载配置；

图2是如本文所公开的示例动态称重传感器的透视图，其包括示例预载配置，其也以截面图示出；

图3是包括图2的预载配置的示例动态称重传感器的截面图；

图4是以未组装状态示出的示例性传感器组件元件的一部分的透视图，其用于包括图3的预载配置的示例动态称重传感器；

图5是示出对于如本文所公开的包括示例预载配置的示例动态称重传感器的灵敏度和应力之间的关系的曲线图；

图6是如本文所公开的包括另一示例预载配置的示例动态称重传感器的截面图；

图7是如本文所公开的包括示例预载配置的示例动态称重传感器的以未组装状态示出的感测封装件元件的透视图；以及

图8是如本文所公开的并且在图3和图6中示出的示例动态称重传感器的截面图，其中没有感测封装件。

具体实施方式

如本文所公开的动态称重传感器构造包括预载配置，其与传统的动态称重传感器相比，经过专门设计以提供所需的传感器测量灵敏度和改善的外部应力抗性的组合特性。这种动态称重传感器通常包括载荷传递机构，其包括感测封装件和梁，梁在结构上保护和支撑感测封装件。感测封装件配置为测量施加在梁上的力。如本文所使用的，术语“感测封装件”是指响应于在感测封装件上的机械力施加而产生电输出信号的一个或多个电气元件。感测封装件可以包括至少一个压电元件。如上所述，如本文所公开的包括预载配置的动态称重传感器扩展了传统传感器以前不可能的最终用途应用的可能范围，同时还在这样的使用范围内，延长了有效传感器使用寿命。

如本文所公开的包括预载配置的动态称重传感器使载荷传递机构能够相对于已知的传感器壳体或载荷传递机构通过降低梁内的内部应力来吸收增加水平的外力。此外，结合梁中减小的内部应力，预载配置使梁能够以高度的测量灵敏度引导更大百分比的外部载荷通过传感组件。

尽管本文描述了包括示例预载配置的称重传感器的一个或多个实施例，但应认识到，本文公开的预载配置可不限于动态称重应用。例如，这种预载配置可以与其他应用结合使用以测量施加在梁上的外力，例如工业应用、实验室测试应用等。

图1是根据实施例的包括多个传感器组件102的测量系统100的透视图。每个传感器组件102包括相应的梁104和至少一个感测封装件106。感测封装件106保持在相应的梁104内。所示的实施例中的两个传感器组件102并排布置，但是在替代实施例中可以彼此间隔开。测量系统100相对于横向轴线191、垂直轴线192、以及纵向或深度轴线193定向。轴线191-193互相垂直。尽管垂直轴线192在图1中看似在平行于重力的垂直方向上延伸，但应理解的是，轴线191-193不需要相对于重力具有任何特定的取向。

传感器组件102的梁104沿着深度轴线193伸长。每个梁104从承重表面110垂直地延伸到安装表面112。安装表面112设置在基础结构114上。梁104限定与承重表面110和安装表面112垂直地间隔开的空腔116。感测封装件106设置在空腔116内。在所示的实施例中，测量系统100是动态称重传感器系统。

图1示出了在传感器组件102的承重表面110上行驶的车辆的车轮108的一部分。相邻的传感器组件102的承重表面110通常与路面109平齐。例如，传感器组件102可以嵌入限定路面109的道路材料111中，例如混凝土、砾石、沥青等。车辆可以是汽车、卡车、摩托车、休闲车或其他类型的车辆。车辆大致横向移动，使得车轮108在相邻的传感器组件102上移动，并且在每个梁104的承重表面110上施加机械力。由车轮108施加在承重表面110上的机械力通过梁104的内部结构传递，并且力的至少一部分施加在空腔116内的感测封装件106上。在实施例中，施加在感测封装件106上的力导致感测封装件106产生与力的量成比例的电输出信号。电输出信号沿着一条或多条电线118传送到远程处理器(未示出)，远程处理器配置为将电输出信号转换为测量参数，例如轮轴处的包括车轮108的车辆的重量。

尽管在所示实施例中两个传感器组件102是并排的，但是在替代实施例中，测量系统100可以具有传感器组件102的各种不同数量和布置。例如，两个或更多个传感器组件102可以跨越道路的至少一个车道沿着深度轴线193端对端地布置。在另一个示例中，两个或更多个传感器组件102可以彼此横向间隔开，使得道路材料111设置在两个传感器组件102之间并将两者分开。

尽管在所示实施例中，车轮108直接接合承重表面110，但在替代实施例中，承重表面110可以经由一个或多个中间层与车轮108分离。一个或多个中间层可包括人行道、混凝土、砾石、粘合剂，复合材料等的层。梁104可选地可以至少部分地嵌入填充材料中，例如混凝土、灰尘、砾石、粘合剂等，以确保梁104的定位。

图2是如本文所公开的示例动态称重传感器200的透视侧视图，其包括梁104，并且包括截面部分，以便更好地示出感测封装件106的配置和特征。梁104包括板202、颈部204和管部分206。板202限定承重表面110。管部分206限定保持感测封装件106的空腔116。颈部204在板202和管部分206之间延伸，并将板202结合到管部分206。

管部分206包括基部壁208和盖210。空腔116限定在基部壁208和盖210之间。基部壁208限定安装表面112。盖210位于颈部204和基部壁208之间，且结合到颈部204。基部壁208在基部壁208的第一边缘212和基部壁208的第二边缘214(其与第一边缘212相对)之间横向延伸(例如，沿着横向轴线191)。盖210在第一边缘212和第二边缘214处或附近结合到基部壁208。在所示的实施例中，盖210在第一边缘212和第二边缘214处或附近结合到基部壁208。但是，在替代实施例中，盖210可以在边缘212、214附近(但不在边缘212、214处)结合，例如在距离边缘212、214中的每一个的指定阈值距离内。例如，指定的阈值距离可以是基部壁208的横向宽度的5％或10％。从基部壁208的边缘212、214，盖210垂直向上(例如，朝向板202)并且横向地延伸。

在所示实施例中，空腔116具有椭圆形截面形状并且可以沿梁104的长度延伸。颈部204从板202处的宽端216到盖210处的窄端218渐缩。宽端216比窄端218具有更大的横向宽度或厚度。颈部204配置为经由管部分206的盖210将施加在板202的承重表面110上的力传递到感测封装件106。例如，颈部204限定确定的载荷路径，该确定的载荷路径是将载荷从板202传递到盖210的单个路径。颈部204还可限制或减小梁104内部的应力集中(例如，相对于已知传感器组件的壳体)。可选地，板202可以具有比颈部204的宽端216更大的横向宽度。

在实施例中，梁104具有一体的、一件式、整体结构。颈部204一体地连接到板202和管部分206，并且管部分206的盖210一体地连接到基部壁208。例如，梁104可以从板202到基部壁208连续地无接缝地延伸。一个实施例中的梁104可以通过挤出工艺形成。梁104可以由金属材料构成，例如铝、钢和/或其他金属。

参照图2和图3，空腔116内的感测封装件106在预载下设置在盖210和基部壁208之间。例如，感测封装件106接合盖210的内表面220。空腔116限定在盖的内表面和基部壁222的内表面之间。感测封装件106处于紧固件244施加的预载下，其最终由梁104的基部壁208和顶表面210反作用。

图4是从图3的传感器构造获得的感测封装件106的放大视图，其是为了示出感测封装件的元件而提供的。感测封装件106可以包括多个层。在所示的实施例中，感测封装件106包括第一电极224、第二电极226、以及堆叠在两个电极224、226之间的压电元件228。第一电极224设置在盖210和压电元件228之间。第二电极226设置在压电元件228与基部板或基板229之间。压电元件228可以是石英、电气石、锆钛酸铅(PZT)等的晶体。虽然压电元件228被描述为单数，但是压电元件228可以表示感测封装件106内的多个压电元件。

在所示的实施例中，感测封装件106还包括第一电极224和第二电极226之间的导板238。导板238至少部分地周向围绕压电元件228，以控制一个或多个压电元件的位置和对准。如图3和图4所示，导板238包括第一平面部分240，其至少部分地周向围绕压电元件228并且径向向外延伸到相对的端部部分242。导板端部部分242在向下方向上延伸，以放置在基板229的相对的壁表面上，并且操作以将导板238中心放置在基板上，并用空腔116的壁表面形成电绝缘屏障。在示例中，导板由非导电材料形成，例如聚合物或塑料材料。在示例中，导板由聚氯乙烯形成。

第一电极224和第二电极226可以包括相应的金属板或片。感测封装件106包括基板229，基板229垂直地设置在第二电极226和与基部壁208连接的紧固件244(如图3所示)之间。基板229可以包括电介质材料，例如一种或多种塑料，和/或导电材料，例如一种或多种金属。在示例中，基板229由诸如铝的金属制成。在替代实施例中，感测封装件106可以具有不同的部件。

参考图4，在示例中，感测封装件106的电极224、226的导电材料(例如，金属片)与梁104机械地分离并且电隔离。例如，电绝缘层242设置在盖210与第一电极224的金属片之间。绝缘层242可包括电介质材料，例如一种或多种塑料等。绝缘层242可以是来自第一电极224的分立元件，或者可替代地可以表示第一电极224的一部分。第二电极226通过设置在第二电极226的导电金属片与基板229之间的分立电绝缘层246与梁104分离，使得电绝缘层246提供第二电极226与梁104的电隔离。由于感测封装件106与梁104电隔离，所以梁104可以不被用作通过电极224、226与梁104之间的直接欧姆接触的接地返回路径，这可以有利地减少载荷传递机构内的电干扰和噪声。

参考图3，基部壁208限定孔248，孔248延伸穿过基部壁208从安装表面112到内表面222，使得孔232通向空腔116。孔248接收穿过其中的紧固件244，以将感测封装件106固定在空腔116中。在所示的实施例中，紧固件244是螺纹定位螺钉，且孔248具有与定位螺钉244互补的相应的螺纹。在替代实施例中，紧固件可以是螺栓、除定位螺钉之外的类型的螺钉、销或其他不与孔螺纹接合的元件，等等。紧固件244从梁104的安装表面112下方安装。紧固件244具有终端250，终端250紧靠感测封装件106的基板229的下侧表面。紧固件244接合基板229，以确保感测封装件106相对于梁104的定位。在感测封装件106缺少基板229的替代实施例中，紧固件244可以接合第二电极226的底侧，电绝缘层246插设在它们之间。

在实施例中，可以调节紧固件244延伸到基部壁208和/或空腔116中的深度，以便在感测封装件106上设定预载量。在所示的实施例中，通过在定位螺钉244上施加扭矩来调节定位螺钉244的深度。例如，增加紧固件244延伸到空腔116中的深度可以增加施加在感测封装件106上的预载量，并且减小紧固件244延伸到空腔116中的深度可以减小施加在感测封装件106上的预载量。通过沿着单个载荷传递机构或多个传感器组件的深度调节紧固件244的接合多个感测封装件106的位置，操作者可以单独地将感测封装件106中的每一个调节到指定预载，从而减少或消除因部件不规则和缺陷而造成的预载差异。经由延伸穿过基部壁208的紧固件244单独地调整每个感测封装件106上的预载，可以改善输出的均匀性，其作为在载荷传递机构的整个深度上施加的载荷的函数。

参考图3，已经发现紧固件244的尺寸相对于压电元件228的尺寸对传感器的测量灵敏度和在经受力载荷时的梁104内的内部应力产生意想不到的影响。具体地，已经发现，紧固件244的直径大于压电元件228的尺寸会减小梁内的内部应力，而在一些情况下增加传感器测量灵敏度，并且在其他情况下显著影响或降低传感器测量灵敏度。

在示例中，可能希望紧固件244的直径的尺寸设定为大于压电元件228的尺寸的约10％，在大约20％至100％的范围内，以及在大约50％至75％的范围内。用于该测量的压电元件的相关尺寸是压电元件的最大尺寸，其在紧固件上方垂直对齐地设置，并且跨越穿过紧固件的中心轴线的截面获取，如图3所示。

因此，在压电元件具有圆形形状的情况下，相关尺寸是直径。在压电元件具有椭圆形或卵形的情况下，相关尺寸是沿着截面在直径上相对的部分之间的距离。在压电元件具有矩形形状的情况下，相关尺寸是沿着截面的两个相对端之间的距离。应当理解，紧固件和压电元件之间的尺寸的恰好的增大的差异可以并且将基于以下因素而变化，诸如用于形成压电元件的材料的类型，以及压电元件的厚度，用于形成感测封装件的其他元件的材料和配置，以及传感器梁的配置。在示例中，压电元件可以配置为通过孔248安装在空腔内，孔248形成为用于容纳紧固件244在其中的放置。因此，在这样的示例中，压电的至少一个尺寸将小于孔的直径。

图5是曲线图300，其示出了沿着Y轴的归一化传感器性能参数302，其作为沿X轴的紧固件与压电元件尺寸304(例如，直径)之间的比例的函数。正方形表示对传感器测量灵敏度进行的测量并且用于定义灵敏度趋势306，并且圆圈表示对挤出梁最大应力进行的测量并且用于定义应力趋势308。如图所示，在直径比大约等于1的情况下，当紧固件的直径接近压电元件的尺寸(例如，直径)时，传感器测量灵敏度达到最大值，或者灵敏度趋势306达到峰值。随着紧固件与压电元件比的尺寸比增加，例如，紧固件的直径相对于压电元件的尺寸或直径增加直径，传感器测量灵敏度保持相当恒定(灵敏度趋势306保持水平)而挤出梁中的最大应力显著减小(应力趋势308)。这代表了在增加的可靠性或较低的应力下几乎相同的传感性能或灵敏度的操作条件。

在示例中，图5中所示的数据是针对包括定位螺钉紧固件和石英压电元件的动态称重传感器生成的。然而，应该理解的是，在传感器示例中存在相同的灵敏度和应力性能趋势，其中紧固件以不同于定位螺钉的形式提供，例如以销或插入件的形式，其截面可以是圆形或者矩形。类似地，虽然所使用的压电元件是具有圆形截面的石英，但是在压电元件由除石英之外的材料形成和/或配置为具有非圆形截面或形状的情况下，存在性能参数的相同趋势。

图6示出了如本文所公开的动态称重传感器400的替代示例，其包括与上面针对图2和图3中示出的实施例描述的相同的一般元件和配置。在该示例中，紧固件402以销元件而不是螺纹定位螺钉的形式提供，其中销元件402通过基部406设置在孔404中，并且可以配置为具有固定的轴向长度或者足够大小的尺寸以在感测封装件410上施加所需的预载。替代地，销元件402可以配置为在孔404内可轴向移动(使用或不使用其他元件)以提供所需的预载。销元件402可以具有恒定直径或者可以具有锥形配置。在示例中，销元件402具有延伸穿过孔404的恒定直径部分412，并且包括从孔延伸到基板416的锥形部分414。销元件可以通过保持元件相对于孔轴向固定就位，例如，保持元件为可从梁420的安装表面418接取的夹子等形式。另外，销元件可以通过使用粘合剂等结合就位，同时将静力施加到销的背侧以在感应封装件410上施加一些预载。

在该示例中使用的销元件具有如上所述相对于压电元件设定的直径，以实现传感器灵敏度和减小的梁应力的期望组合。尽管该示例中的销元件已经被描述为螺纹紧固件的一种替代，但是应该理解紧固件的所有替代配置(其用于在感测封装件上施加预载，并且可以与空腔中的压电元件垂直对齐地接触放置)在本文所公开的动态称重传感器和预载配置的范围内。

图7示出了构成如本文所公开的感测封装件500的元件的未组装视图。具体地，示出了多个压电元件502，其中导板504位于压电元件上方并且具有开口506，开口506的尺寸适于容纳相应的压电元件在其中的放置。在压电元件502和导板504的上方和下方分别示出了长形金属片形式的第一电极508和第二电极510。电绝缘层512和514分别位于第一电极508上方和第二电极510下方。电绝缘层514插设在第二电极510和基板516之间。

图8是图2、3和6中所示的载荷传递机构102的梁104的截面图。为清楚起见，在图8中省略了感测封装件和紧固件。梁104从板202的承重表面110延伸高度602至基部壁208的安装表面112。空腔116从盖210的内表面220延伸高度604至基部壁208的内表面222。在所示实施例中，梁104的高度602的中点606(例如，承重表面110和安装表面112之间的中途)与空腔116的高度604的中点608垂直间隔开。具体来说，梁104的中点606设置在空腔116的中点608上方，使得中点606垂直地位于中点608与板202的承重表面110之间。由于空腔116不与梁104垂直居中，因此空腔116内的感测封装件106(在图2和图3中示出)也不会相对于梁104垂直居中。

颈部204从板202延伸高度610至盖210。在所示的实施例中，颈部204的高度610至少是梁104的高度602的20％，并且可选地可以是高度602的至少20％。例如，如果梁104为10cm高，则颈部204可以为至少2cm高，且可选地至少2.5cm高。与板202组合的颈部204具有从承重表面110到盖210的组合高度612。在所示的实施例中，组合高度612可以是梁104的高度602的至少33％。

板202从第一边缘616向其相对的第二边缘618延伸横向宽度614。在实施例中，结合到板202的颈部204的宽端216的宽度316至少是板202的宽度614的一半(例如50％)。因此，颈部204在宽端216处具有相对较厚的宽度，并逐渐向窄端218渐缩。厚的、渐缩的颈部20以能够在比已知传感器组件的过渡部或颈部区域更大的面积上消散应力，导致颈部204内的峰值应力减小。

基部壁208具有从基部壁208的安装表面112到内表面222的垂直厚度622。盖210具有从盖210的内表面220到外表面326的厚度624。外表面326接合至颈部204。在所示的实施例中，基部壁208的厚度622大于盖210的厚度624。例如，厚基部壁208为梁104提供支撑基部。盖210可以相对薄以提供结构支撑，同时允许载荷从颈部204传递到空腔116内的感测封装件106(图2和图3)。

在所示的实施例中，梁104的盖210包括两个直立构件630，以及在两个直立构件630之间延伸并连接两个直立构件330的顶板构件332。直立构件630在其第一边缘212和第二边缘214处或附近结合到基部壁208。例如，直立构件630包括在第一边缘212处结合到基部壁208的第一直立构件630a和在第二边缘214处结合到基部壁208的第二直立构件630b。直立构件630平行于垂直轴线192大致垂直地延伸。例如，直立构件630的轴线或平面可以在垂直轴线192的5度、10度或15度内。顶板构件332连接(例如，结合)到与基部壁208间隔开的直立构件630的相应的上端334。如本文所使用的，诸如“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“前部”和“后部”的相对或空间术语仅用于区分所引用的元件，并且不一定需要相对于重力和/或梁104或载荷传递机构(图2和图3)的周围环境的特定的位置或取向。

顶板构件332在两个直立构件630之间横向地延伸。顶板构件332可以在远离基部壁208的向上方向上成拱形或弯曲。顶板构件332限定了结合到颈部204的盖210的外表面326。颈部204可以在顶板构件332的横向中心(其为两个直立构件630之间的中点)处结合至外表面326。顶板构件332限定接合感测封装件106的内表面220。空腔116横向地限定在两个直立构件630之间，并垂直地限定在基部壁208的内表面222与顶板332的内表面220之间。在所示的实施例中，空腔116具有椭圆形截面形状，使得空腔116的宽度636大于空腔116的高度604。因此，在所示的实施例中，空腔116不具有圆形截面形状。

如所描述的，梁104沿梁104的高度602是不对称的，使得梁104的上半部(例如，包括板202)不与梁104的下半部(例如，包括基部壁208)成镜像。梁104的设计形状可以将梁104的中性轴线降低到梁104的几何中点606下方。中性轴线表示通过梁104的应力为零的轴线，而没有压缩或张力。中性轴线可以与空腔116对准，使得感测封装件106位于中性轴线处或附近。在中性轴线处定位感测封装件106可以消除(或至少减小)对感测封装件106的剪切应力影响(相对于将感测封装件106与中性轴线隔开)。

与已知的传感器组件相比，梁104的颈部204可以具有相对于梁104的高度602更长的垂直高度610，这可以提供从顶部的承重表面110到感测封装件106的更长确定的(例如，单个)载荷路径过渡的益处。颈部204也可以从板202处的宽端216到盖210处的窄端218逐渐地渐缩。相对于在顶板和保持感测元件的管区域之间具有短的和/或窄的颈部的已知的传感器组件，较长的确定载荷路径和较厚的渐缩颈部204可以允许在梁104中减小应力的情况下增加载荷传递。

具有如本文所公开的预载配置的动态称重传感器的特征是能够提供一种传感器，其具有改进的对最大应力的抗性，同时提供相对高程度的传感器测量灵敏度，从而使得能够在没有损坏风险的情况下在最终用途应用中使用这种传感器，从而延长有效使用寿命，并且这样做的同时保持所需程度的传感器测量灵敏度。附加的特征是组装灵活性之一，如通过紧固件孔将压电元件安装到空腔中的能力所提供的，这可以更简单并且更容易实现，然后将压电元件从梁的一端安装到空腔中。

应该理解的是，以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应创造性主题的教导。本文描述的尺寸、材料类型、各种部件的取向、以及各种部件的数量和位置旨在限定某些实施例的参数，并且绝不是限制性的，并且仅仅是示例性实施例。在阅读以上描述后，在权利要求的理念和范围内的许多其他实施例和修改对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应该参照所附的权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“在其中”的纯英语等同物。此外，在随附的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标签，并且非旨在对其对象施加数字要求。此外，所附权利要求的限制不是以手段加功能(means-plus-function)格式撰写的，并且非旨在基于35U.S.C.§112(f)，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用短语“用于……的装置”，然后是功能陈述，而没有进一步的结构。

Claims (20)

1.一种动态称重传感器构造，包括：

沿着传感器构造的深度轴线伸长的梁，所述梁包括：

具有承重表面的板；

管部分，其包括基部壁和盖，且在所述基部壁和所述盖之间限定空腔；以及

感测封装件，其设置在所述梁的空腔内且在预载下与所述盖和所述基部壁接合，其中所述感测封装件包括压电元件；

其中所述基部壁包括穿过其中从安装表面延伸到所述空腔的孔，所述孔配置为接收穿过其中的紧固件以将所述感测封装件固定在所述空腔内，其中所述紧固件的尺寸设定为具有穿过所述紧固件的中心轴线获取的截面尺寸，所述截面尺寸大于沿着所述紧固件中心轴线获取的所述压电元件的截面尺寸。

2.如权利要求1所述的动态称重传感器构造，其中所述紧固件具有的截面尺寸设定成在尺寸上约为所述压电元件的相应的截面尺寸的10％或更大。

3.如权利要求1所述的动态称重传感器构造，其中所述紧固件的尺寸设定成在尺寸上约为所述压电元件的相应的尺寸的20％至100％。

4.如权利要求1所述的动态称重传感器构造，其中所述基部壁从第一边缘横向延伸到与所述第一边缘相对的第二边缘，且其中所述盖在所述第一边缘和所述第二边缘处或其附近结合到所述基部壁。

5.如权利要求1所述的动态称重传感器构造，其中所述梁还包括颈部，所述颈部在所述板和所述管部分的盖之间延伸，并将所述板结合到所述管部分的盖。

6.如权利要求1所述的动态称重传感器构造，其中所述感测封装件还包括：

设置在所述压电元件的上表面上的上电极；

设置在所述压电元件的下表面上的下电极；以及

插设在所述上电极和所述下电极之间的导板，所述导板包括第一平面部分，所述第一平面部分具有穿过其中的开口且容纳所述压电元件在其中放置，所述第一平面部分径向延伸到第二部分，所述第二部分远离所述第一部分轴向延伸。

7.如权利要求6所述的动态称重传感器构造，其中所述感测封装件还包括插设在所述第一电极和所述空腔之间的上电介质层以及插设在所述第二电极和基板之间的下电介质层，其中所述基板插设在所述下电介质层和所述紧固件之间。

8.如权利要求7所述的动态称重传感器构造，其中导板第二部分沿着所述基板的侧壁表面的一部分朝向所述紧固件轴向延伸一段距离。

9.如权利要求6所述的动态称重传感器构造，其中所述基板由金属材料形成，且其截面尺寸大于所述压电元件，且大于所述紧固件的截面尺寸。

10.一种载荷传递机构和传感器构造，包括：

沿着所述载荷传递机构的深度轴线伸长的梁，所述梁包括：

具有承重表面的板；

管部分，其包括基部壁和盖，所述基部壁和所述盖包括相应的内表面，所述内表面在其之间限定空腔，所述空腔沿着所述深度轴线伸长，所述基部壁包括穿过其中从所述梁的安装表面延伸到所述空腔的孔，以及设置在所述孔中的紧固件；

颈部，其在所述板和所述盖之间延伸，并将所述板结合到所述盖，所述颈部从所述板处的宽端渐缩到所述盖处的窄端；

感测封装件，其设置在所述空腔内且包括：

压电元件；

沿着所述压电元件的相对的相应的表面设置的第一电极和第二电极；

第一绝缘层和第二绝缘层，其设置在所述第一电极和第二电极的与所述压电元件的相应的表面相对的相应的表面上；以及

基板，其插设在所述压电元件和所述紧固件之间；

其中所述感测封装件接合所述盖和所述基板的相应的内表面，以测量施加在所述板的承重表面上的力；

其中所述颈部经由所述盖将施加在所述承重表面上的力传递到所述感测封装件；并且

其中所述紧固件的尺寸设定为具有穿过所述紧固件的中心轴线获取的截面尺寸，其为沿着所述紧固件中心轴线测得的所述压电元件的截面尺寸的10％或更多。

11.如权利要求10所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述梁从所述板的承重表面到所述基部壁的安装表面延伸一段高度，其中所述梁的高度的中点与所述盖和所述基部壁的相应的内表面之间的空腔的高度的中点垂直间隔开。

12.如权利要求10所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述紧固件是配置为接合所述感测封装件的螺纹螺钉，其中所述螺纹螺钉延伸到所述空腔中的深度可经由施加在所述螺纹螺钉上的扭矩来调节，以修改施加在所述感测封装件上的预载力。

13.如权利要求10所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述紧固件是销的形式，且其中保持元件用于提供所述紧固件在所述空腔内的轴向位置，以赋予施加在所述感测封装件上的预载力。

14.如权利要求10所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述紧固件的尺寸设定成在尺寸上约为所述压电元件的相应的尺寸的20％至100％。

15.如权利要求10所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述紧固件的尺寸设定成在尺寸上约为所述压电元件的相应的尺寸的25％至75％。

16.如权利要求10所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述梁具有一体的整体结构，使得所述颈部整体地连接到所述板和所述管部分。

17.一种载荷传递机构和传感器构造，包括：

沿着所述载荷传递机构的深度轴线伸长的梁，所述梁包括：

具有承重表面的板；

管部分，其包括基部壁、两个直立构件和顶板构件，所述两个直立构件结合到所述基部壁的不同的对应的横向边缘，所述顶板构件连接到所述两个直立构件并在它们之间延伸以限定空腔，所述空腔具有椭圆形截面形状，使得所述两个直立构件之间的空腔的宽度大于所述顶板构件和所述基部壁之间的空腔的高度；以及

颈部，其在所述板和所述顶板构件之间延伸，并将所述板结合到所述顶板构件，所述颈部从所述板处的宽端渐缩到所述顶板构件处的窄端；

感测封装件，其设置在所述空腔中且配置为接合所述顶板构件的内表面，以测量施加在所述板的承重表面上的力，其中所述感测封装件包括：

压电元件；

设置在所述压电元件的相对表面上的电极；以及

基板，其与所述电极和所述压电元件连接；

其中所述基部壁包括穿过其中从安装表面延伸到所述空腔的孔，且其中紧固件设置在所述孔内并与所述感测封装件接触，其中所述紧固件的尺寸设定为具有穿过所述紧固件的中心轴线获取的截面尺寸，其大于沿着所述紧固件中心轴线获取的所述压电元件的截面尺寸。

18.如权利要求17所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述紧固件与所述基板接触并赋予施加在所述感测封装件上的预载力，且其中所述紧固件尺寸是所述压电元件的尺寸的10％或更大。

19.如权利要求17所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述感测封装件还包括插设在所述上电极和下电极之间的导板，所述导板具有第一平面部分，所述第一平面部分具有穿过其中的开口且容纳所述压电元件在其中的放置，所述第一平面部分径向延伸到第二部分，所述第二部分远离所述第一部分轴向延伸且沿着所述基板的壁表面延伸一段距离。

20.如权利要求17所述的载荷传递机构和传感器构造，其中所述基板由金属材料形成，且其中所述感测封装件还包括绝缘层，其插设在所述电极中的一个与所述基板之间以及所述电极中的另一个与所述空腔的内表面之间。

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