CN116295739A - 称重传感器装置 - Google Patents

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杜奋豪
张雯霞
武灏
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王冰
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Abstract

本发明提供了一种称重传感器装置，包括力加载件、固定于所述力加载件的弹性体大梁、弹性体小梁及用于安装所述弹性体小梁的安装体，弹性体小梁上设有若干个应变片，在竖直方向上，所述弹性体小梁位于所述弹性体大梁的末端的下方，当外界载荷未达到窗口量程时，弹性体大梁与弹性体小梁不接触，由弹性体大梁产生的数据输出来计算载荷重量，随着外界载荷的不断增加，弹性体大梁与弹性体小梁之间的间隙不断缩小，直到外界载荷达到窗口载荷时，弹性体大梁与弹性体小梁开始发生接触，应变片的阻值发生变化，利用弹性体小梁上的输出数据来精确计算窗口量程的载荷大小。该称重传感器装置经济、高效、且实现了大重量物体的高精度测量。

Description

称重传感器装置
【技术领域】
本发明涉及称重技术领域，尤其涉及一种称重传感器装置。
【背景技术】
称重传感器是将被测物体的重量信息转换成电信号，进而获得物体重量的一类传感器，被广泛应用于衡器领域。
目前最常用的称重传感器采用的是应变式，它是利用应变片结合金属弹性体的方式，通过在弹性体上创建应力集中区域，并在应力集中区域布置应变片并通过金属连接线组成惠斯通电桥电路，当载荷作用在弹性体时，应变片粘贴区域会发生拉伸或者压缩，应变片阻值将发生变化，实现将应变信号转变成电压信号，从而得出被测物体的重量信息，具有结构紧凑、原理简单、价格低等优点。
但是目前的称重传感器受制于弹性体材料和加工工艺的影响，以及应变片受温度变化影响的固有属性，现有的应变式传感器通常只能实现万分之五的综合误差，很难实现高精度的测量需求。同时称重传感器的量程与灵敏度之间存在矛盾关系，对于高灵敏度的称重传感器其量程通常较小，这大大限制了大重量物体的高精度测量。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种称重传感器装置，该称重传感器装置经济、高效、且实现了大重量物体的高精度测量。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种称重传感器装置，所述称重传感器装置包括力加载件、其末端固定于所述力加载件的弹性体大梁，其中，所述称重传感器装置还包括弹性体小梁及用于安装所述弹性体小梁的安装体，所述弹性体小梁上设有若干个应变片，且在竖直方向上，所述弹性体小梁位于所述弹性体大梁的末端的下方，当外界载荷未达到窗口量程时，所述弹性体大梁与所述弹性体小梁不接触，由所述弹性体大梁产生的数据输出来计算载荷重量，随着外界载荷的不断增加，所述弹性体大梁与所述弹性体小梁之间的间隙不断缩小，直到外界载荷达到窗口载荷时，所述弹性体大梁与所述弹性体小梁开始发生接触，所述弹性体小梁受压变形，所述应变片的阻值发生变化，利用弹性体小梁上的输出数据来精确计算窗口量程的载荷大小。
作为本发明一实施方式的进一步改进，当所述弹性体大梁与所述弹性体小梁发生接触时，所述弹性体大梁与所述弹性体小梁之间始终为线接触。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述力加载件包括基座部和与所述基座部相固定的倒置U型架，所述弹性体大梁的末端位于所述倒置U型架的中空部并与所述倒置U型架相固定，所述弹性体小梁的一端也位于所述倒置U型架的中空部。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述应变片为半导体应变片。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述弹性体小梁的上侧部设置两个应变片，所述弹性体小梁上与所述上侧部相背对的下侧部也设置两个应变片。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述弹性体小梁还包括前侧部和与所述前侧部相背对的后侧部，且所述前侧部和后侧部均连接所述上侧部和下侧部，所述弹性体小梁上设有自所述前侧部延伸至所述后侧部的通孔，所述通孔在横向上的长度大于其在竖直方向上的长度。
作为本发明一实施方式的进一步改进，当所述称重传感器装置处于未加载荷状态时，在竖直方向上，所述弹性体大梁和所述弹性体小梁之间的间隙可被调节。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述安装体上设有螺旋微调仪，通过所述螺旋微调仪可调节所述弹性体大梁与所述弹性体小梁之间在竖直方向上的间隙。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述称重传感器装置还包括转接板，所述弹性体小梁固定安装于所述转接板，所述转接板固定于所述安装体。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述转接板包括第一固定部和与所述第一固定部成直角的第二固定部，所述弹性体小梁与所述第一固定部相固定连接，所述安装体与所述第二固定部相固定连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：采用基于弹性体大梁与高灵敏度的弹性体小梁相结合的方式。外界载荷直接作用在弹性体大梁上，在达到窗口载荷的特定载荷下，弹性体大梁才会与弹性体小梁发生接触，外界载荷通过弹性体大梁间接传递到弹性体小梁上，使得弹性体小梁可以在特定载荷范围内开始发生形变产生输出，从而实现将满量程载荷缩小至某一窗口量程，再利用高灵敏度的弹性体小梁实现高精度测量。与传统的单个弹性体应变式的称重传感器相比，使用弹性体大小梁相结合的分段式称重结构结果准确、精度高，因而该称重传感器装置是一种经济、高效、高质量的检测方案。该发明提供的技术方案实现了量程迁移，使得利用应变式传感器实现大于万分之一的高精度测量，同时实现大重量物体的高精度测量。
【附图说明】
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是恒压源供电的惠斯通电桥电路原理图。
图2是本申请具体实施例提供的称重传感器装置的立体示意图。
图3是图2称重传感器装置中弹性体小梁的立体示意图。
【具体实施方式】
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参阅图1至图3所示，本发明提供的具体实施例，该实施例提供了一种称重传感器装置，称重传感器装置包括力加载件4、其末端固定于力加载件4的弹性体大梁5，其中，称重传感器装置还包括弹性体小梁2及用于安装弹性体小梁2的安装体1，弹性体小梁2上设有若干个应变片7，且在竖直方向上，弹性体小梁2位于弹性体大梁5的末端的下方，当外界载荷未达到窗口量程时，弹性体大梁5与弹性体小梁2不接触，由弹性体大梁5产生的数据输出来计算载荷重量，随着外界载荷的不断增加，弹性体大梁5与弹性体小梁2之间的间隙不断缩小，直到外界载荷达到窗口载荷时，弹性体大梁5与弹性体小梁2开始发生接触，弹性体小梁2受压变形，应变片7的阻值发生变化，利用弹性体小梁2上的输出数据来精确计算窗口量程的载荷大小。
本优选实施例中，采用基于弹性体大梁5与高灵敏度的弹性体小梁2相结合的方式。外界载荷直接作用在弹性体大梁5上，在达到窗口载荷的特定载荷下，弹性体大梁5才会与弹性体小梁2发生接触，外界载荷通过弹性体大梁5间接传递到弹性体小梁2上，使得弹性体小梁2可以在特定载荷范围内开始发生形变产生输出，从而实现将满量程载荷缩小至某一窗口量程，再利用高灵敏度的弹性体小梁2实现高精度测量。与传统的单个弹性体应变式的称重传感器相比，使用弹性体大小梁相结合的分段式称重结构结果准确、精度高，因而该称重传感器装置是一种经济、高效、高质量的检测方案。该发明提供的技术方案实现了量程迁移，使得利用应变式传感器实现大于万分之一的高精度测量，同时实现大重量物体的高精度测量。
进一步的，当弹性体大梁5与弹性体小梁2发生接触时，弹性体大梁5与弹性体小梁2之间始终为线接触。该实施例中，由于弹性体大梁5与弹性体小梁2之间接触时始终为线接触，能最大程度避免力传递过程的误差，同时避免侧向力对称重传感器装置输出的影响。
具体的，弹性体大梁5与弹性体小梁2相接触的面为平面，弹性体小梁2与弹性体大梁5相接触的面为圆柱面10。弹性体小梁2上与弹性体大梁5相接触的端部设置半圆柱。该方案使得载荷发生偏移时，弹性体大梁5与弹性体小梁2相对位置发生改变，此时圆柱面10与平面的接触方式能够保证弹性体大梁5和弹性体小梁2始终保持线接触，降低了偏载带来的误差影响。
弹性体大梁上设有通透孔11，具体的，通透孔11由两个大圆孔和连通两个大圆孔的一小段直孔构成。
力加载件4包括基座部12和与基座部12相固定的倒置U型架14，弹性体大梁5的末端位于倒置U型架14的中空部并与倒置U型架14相固定，弹性体小梁2的一端也位于倒置U型架14的中空部。如此设置，使得称重传感器装置的整体结构简单紧凑。
本实施例中，通过两螺栓将弹性体大梁5与力加载件4固定在一起，当然，弹性体大梁5和力加载件4之间也可以采用其它固定方式。具体的，通过两螺栓将弹性体大梁5与倒置U型架14固定到一起，且弹性体大梁5邻近倒置U型架14与基座部12相对的上底部。
具体的，应变片7为半导体应变片7。半导体应变片7具有远高于金属应变片7的灵敏度系数，能够大大增加称重传感器装置的原始信号输出，提高分辨率，同时降低环境噪声等因素对称重传感器装置信号输出的影响。
进一步的，四个应变片7粘贴于弹性体小梁2的外侧。
弹性体小梁2的上侧部18设置两个应变片7，弹性体小梁2上与上侧部18相背对的下侧部也设置两个应变片7。具体的，弹性体小梁2的上侧部18设置两个半导体应变片7，弹性体小梁2上与上侧部18相背对的下侧部也设置两个半导体应变片7。
半导体应变片7通过金属引线8连接成如图1所示的惠斯通电桥电路，惠斯通电桥电路中，半导体应变片用R1、R2、R3、R4表示，并将金属引线8连接至弹性体小梁2两侧的接线端子6上，利用接线端子6建立弹性体小梁2与外部设备的电气连接。当外界称重物体达到一定重量时，弹性体大梁5末端平面与弹性体小梁2的圆柱面10发生接触。当圆柱面10受压时，弹性体小梁2发生位移形变，半导体应变片7的电阻阻值发生改变，电桥失去平衡从而输出电信号，根据输出电信号能够得出被测物体重量信息。
弹性体小梁2还包括前侧部16和与前侧部16相背对的后侧部，且前侧部16和后侧部均连接上侧部18和下侧部，弹性体小梁2上设有自前侧部16延伸至后侧部的通孔，通孔在横向上的长度大于其在竖直方向上的长度。如此设置，能够有效提高弹性体小梁2的通孔处的最大应变，从而进一步提高弹性体小梁2的输出。
具体的，通孔包括第一圆孔20、第二圆孔9及连通第一圆孔20和第二圆孔9的长方孔22，第一圆孔20、长方孔22和第二圆孔9沿弹性体小梁2的纵长延伸方向排布。优选的，第一圆孔20和第二圆孔9的直径相等，第一圆孔20和第二圆孔9的直径大于长方孔22的宽度，且第一圆孔20和第二圆孔9的直径小于长方孔22的长度。
进一步的，当称重传感器装置处于未加载荷状态时，在竖直方向上，弹性体大梁5和弹性体小梁2之间的间隙可被调节。如此设置，当称重传感器装置经过长时间使用后，可通过调节弹性体大梁5和弹性体小梁2之间的间隙调节称重传感器装置的精度。
具体的，安装体1包括螺旋微调仪24，通过螺旋微调仪24可调节弹性体大梁5与弹性体小梁2之间在竖直方向上的间隙。本优选实施例中，安装体1和螺旋微调仪24是一个整体。
称重传感器装置还包括转接板3，弹性体小梁2固定安装于转接板3，转接板3固定于安装体1。
转接板3包括第一固定部和与第一固定部成直角的第二固定部，弹性体小梁2与第一固定部相固定连接，安装体1与第二固定部相固定连接。也就是说，转接板3设置成L型板。
具体的，通过两螺栓将弹性体小梁2固定于转接板3的第一固定部，同样通过另外两螺栓将第二固定部固定于安装体1。
上述仅为本发明的一个具体实施方式，其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种称重传感器装置，所述称重传感器装置包括力加载件、其末端固定于所述力加载件的弹性体大梁，其特征在于，所述称重传感器装置还包括弹性体小梁及用于安装所述弹性体小梁的安装体，所述弹性体小梁上设有若干个应变片，且在竖直方向上，所述弹性体小梁位于所述弹性体大梁的末端的下方，当外界载荷未达到窗口量程时，所述弹性体大梁与所述弹性体小梁不接触，由所述弹性体大梁产生的数据输出来计算载荷重量，随着外界载荷的不断增加，所述弹性体大梁与所述弹性体小梁之间的间隙不断缩小，直到外界载荷达到窗口载荷时，所述弹性体大梁与所述弹性体小梁开始发生接触，所述弹性体小梁受压变形，所述应变片的阻值发生变化，利用弹性体小梁上的输出数据来精确计算窗口量程的载荷大小。
2.根据权利要求1所述的称重传感器装置，其特征在于，当所述弹性体大梁与所述弹性体小梁发生接触时，所述弹性体大梁与所述弹性体小梁之间始终为线接触。
3.根据权利要求1所述的称重传感器装置，其特征在于，所述力加载件包括基座部和与所述基座部相固定的倒置U型架，所述弹性体大梁的末端位于所述倒置U型架的中空部并与所述倒置U型架相固定，所述弹性体小梁的一端也位于所述倒置U型架的中空部。
4.根据权利要求1所述的称重传感器装置，其特征在于，所述应变片为半导体应变片。
5.根据权利要求1所述的称重传感器装置，其特征在于，所述弹性体小梁的上侧部设置两个应变片，所述弹性体小梁上与所述上侧部相背对的下侧部也设置两个应变片。
6.根据权利要求1所述的称重传感器装置，其特征在于，所述弹性体小梁还包括前侧部和与所述前侧部相背对的后侧部，且所述前侧部和后侧部均连接所述上侧部和下侧部，所述弹性体小梁上设有自所述前侧部延伸至所述后侧部的通孔，所述通孔在横向上的长度大于其在竖直方向上的长度。
7.根据权利要求1所述的称重传感器装置，其特征在于，当所述称重传感器装置处于未加载荷状态时，在竖直方向上，所述弹性体大梁和所述弹性体小梁之间的间隙可被调节。
8.根据权利要求7所述的称重传感器装置，其特征在于，所述安装体上设有螺旋微调仪，通过所述螺旋微调仪可调节所述弹性体大梁与所述弹性体小梁之间在竖直方向上的间隙。
9.根据权利要求1所述的称重传感器装置，其特征在于，所述称重传感器装置还包括转接板，所述弹性体小梁固定安装于所述转接板，所述转接板固定于所述安装体。
10.根据权利要求9所述的称重传感器装置，其特征在于，所述转接板包括第一固定部和与所述第一固定部成直角的第二固定部，所述弹性体小梁与所述第一固定部相固定连接，所述安装体与所述第二固定部相固定连接。
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