CN1226962A - 整体的力传感器 - Google Patents

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Abstract

具有内部平行导向装置的一种力传感器包括一个矩形的承载体(1),一个测量转换器(4)和一个电子估算单元(5)与该承载体进行气密和防潮的固定连接。该承载体(1)在其一半上有一个轴向的纵向钻孔(8),在其另一半上有一个与该孔同轴的、长度大致相等的空心钻孔(10),该空心钻孔(10)留出一根棒形的杆(11)。该承载体(1)中心的两个相同的铣出孔(12)在其对应的外表面内留有两个平的平行导向的弯曲片簧(15)。在孔(8、10)、铣出孔(12)和另外两个镜出孔(32)之间留有一块薄板(16),该薄板作为杆(11)的弹性铰链用。由方向相反的相同的力引起的承载体(1)的变形通过弯曲片簧(15)传递到杆(11)上,在该杆的自由端上由测量转换器(4)转换成一个电信号,并由电子估算单元(5)以数字形式传送出去。

Description

整体的力传感器
本发明涉及具有内部平行导向装置和一个测量转换器的力传感器，该转换器从被测的力产生一个数字电信号或从被测的力转换一个数字电信号。这类力传感器已在一些专利文献例如EP 0325619(D1)和EP 0544858(D2)中公开。此外，例如EP 0540474(D3)公开了弦线测量转换器。
D1和D2公开的力传感器都适用作面积荷载的测量装置，因为有内部的平行导向装置。在两种情况中，弹性的力转换是力传感器的组成部分。在两种情况中，测量转换器都作为带有部分最贵的和敏感的力传递机构的单独元件装在力传感器内。而D1和D2所用的测量换器的防潮和气密结构则出现了一些技术问题，因为这种结构通常做得相当大，并引起进一步的力转换。此外，EP 319 176提出了一种带有集成测量电子电路的摆动轴的密封结构。
但摆动轴原则上是为点荷载设计的，而不是轻而易举地改用于面积荷载。
本发明的目的是，提出一种具有防潮和气密结构的带有组成一体的平行导向装置和力的转换的结构小的面积荷载的力传感器。这个目的是按权利要求1所述的基本特征来实现的，其他的有利结构可从权利要求2至17从属权利中得知。
下面结合附图来说明本发明的构思。其中：
图1表示一个力传感器的第一实施例的一个纵截面；
图2表示第一横截面AA；
图3表示第二横截面BB；
图4表示第三横截面CC；
图5表示在荷载作用下承载体的一个纵截面；
图6表示力传感器第二实施例的纵截面；
图7表示力传感器的第一透视图；
图8表示力传感器的第二透视图。
图1表示本发明力传感器的第一实施例。该传感器由一个承载体1、一个测量转换器4和相应的电子估算单元5组成。承载体1本身由一根承载梁2和一个底座3组成；这两个部件设置有一块板6或7用来传递被测的力F。该板6和7例如用螺丝9固定到承载体1上，当板6在底座3上方向右移动和底板7在承载梁2下方向左移动时其所在的位置则是无关紧要的。这样，由被测的力在承载体1上引起的应力便可改变方向。该承载体1-如也可从图6看出那样-由一块长方体组成。如图2横截面AA所示，承载梁2具有一个轴向的纵向钻出孔8，该孔端是平的。如图3横截面BB所示，底座3也有一个纵向钻出孔，该孔做成与纵向钻出孔8同轴的空心钻孔10。该孔10可竖立一根棒形元件即一根杆11在其内部，且其端部是平的。
孔8和10的长度之和比承载体1的总长度短。这样就为两个垂直于承载体1纵轴设置在承载梁2和底座3之间的的相同的铣出孔12留出了空间，这两个铣出孔在这里例如基本上作成矩形。在铣出孔12和承载体1的外表面之间分别保留一个平面元件，该元件叫做弯曲簧片15，其外侧由承载体1的表面界定，其内侧由铣出孔12界定。由纵向钻孔8和空心钻孔10的平的端部和铣出孔12界定出一块薄板16，此板与杆11连接。这样该薄板16对杆11起弹性铰链的作用。
两个铣出孔32垂直于铣出孔12延伸并连通铣出孔12，其垂直于图纸平面的深度基本上与铣出孔12的深度相同(见图4)。
从图4示出的图1承载体1的一个横截面CC中可清楚看出薄板16。当荷载沿图1所示的力F的箭头方向加到底座3和承载梁2上时，弯曲簧片15成S形弯曲，杆11向上移动，如图5夸大所示的那样。实际上，有效的变形比图示夸大的要小得多，因为大多数在这里涉及的测量转换器实际上没有位移地进行工作。此外，图5中没有示出测量转换器4和相应的电子估算单元5。所以杆11根据由杆11的短段18的长度和杆11的长度给定的转矩关系转换作用到承载梁2上的力或转换作用到薄板16上并传递到位于薄板16界定面之间的杆11短段18上的力。如欲增大这种弹性的转换，则一方面薄板16可作得薄一些或弯曲簧片15可做得厚一些；当然，这两个措施是渐增的。
图6表示本发明第二承载体1的纵截面。这里铣出孔12分成一个界定弯曲簧片15的外围部分13和界定杆11的短段18的一个中心部分14。这时通过杆11的短段18基本上隔成两个薄板16、17。只要不背离本发明的构思，由铣出孔12确定的弯曲簧片15和位于薄板16、17之间的杆11的短段18的其他结构型式，以及由纵向钻出孔8和与它同轴的同时用来确定杆11的空心钻出孔10所确定的薄板16、17的其他结构型式都是可能的。所谓“钻出孔8”、“空心钻出孔10”和“铣出孔12”不只限于钻削和铣削加工，而是可用别的切削技术。此外，也可用众所周知的其他方法例如浸入电蚀，挤压或铸造成型，最后进行切削精加工。
图6承载体1的弹性变形与图5所示的方式相似。
图7和8表示长方形承载体1的透视图。例如借助于螺丝19将外壳20固定在承载体1上。该外壳20对承载体1例如借助于一个在图1中示出的O型密封圈21进行密封。此外，该外壳20在其内部具有一个密封隔板22，所以测量转换器4是防水和气密封闭的。它的这样构成的外壳由隔板22、外壳20的承载体侧的部分、空心钻出孔10的壁和薄板17界定。电子估算单元5位于本身作成密封的离承载体较远的外壳20的一部分中。
在图7中和在从另一侧表示图7的力传感器的图8透视图中，外壳20做成圆柱形。根据本发明的精神，装有测量转换器4和电子估算单元5、且其内部设有密封隔板22的外壳20当然也可以作成其他的形状。该外壳20的例如包括一个插头23的盖-这里用编号24表示-也可用(图中未示出)螺丝固定，并用一个O型密封圈密封。
作为测量转换器4，在适当的造型时，今天全部已知的和实际上无位移的结构型式例如振弦式、应变片式、压电式、电容式和折射式的测量转换器都可使用。
本发明的整体的力传感器用于测量面积荷载的所有场合，或测量任务可转换成测定面积荷载的场合，而且板6、7除了可作用图1所示的力以外，还可作用转矩。为此，例如设置有：
-平台秤，
-皮带秤，
-悬挂单轨秤。
此外，也可轻易地扩大应用到测量点荷载，这时例如板6补充一个带例如球状部分表面的传力件，或用这样一个传力件代替。如果两块板6、7用球形部分的表面补充成这样的形状，即球形件同轴设置，基本上具有相同的半径，该半径大于球形件的最外点的距离的一半，这样就可获得上述的摆动轴。
本发明的力传感器的优点是，结构高度低、测量部分做成气密和防水的结构，制造简单和不是先验地根据某一种测量转换器确定的结构。

Claims (17)

1．带内部平行导向装置和弹性转换以及一个测量转换器(4)的力传感器，该转换器从传递给它的转换的力中产生一个表示原来被测力值的数字电信号，其特征在于：
-它由一个基本上为矩形的承载体(1)组成，该承载由一个从一个端面同轴地与其纵轴延伸的纵向钻出孔(8)，一个与该孔同轴的并从另一端面延伸的空心钻出孔(10)和每两个与纵轴垂直设置的铣出孔(12、32)分成两个弯曲簧片(15)、一个通过空心钻孔(10)的杆(11)和至少一个膜片(16)；
-该承载体(1)在限定弯曲簧片(15)的外表面上具有垂直其纵轴作用的被测力的传递装置；
-该承载体(1)与在杆(11)的一侧上并由该杆加载的、设置在一个密封外壳(20)中的测量转换器(4)密封连接；
-此外，外壳(20)由一块密封隔板(22)与测量转换器(4)隔开并装有一个将测量转换器的信号处理成表示力值的数字电信号的电子估算单元(5)，外壳(20)是这样构成的，即测量转换器(4)通过一个膜片(17)，空心钻孔(10)的壁和外壳(20)与外界和电子估算单元(5)密封隔离。
2．按权利要求1的力传感器，其特征在于，承载体(1)用一整体制成。
3．按权利要求2的力传感器，其特征在于：
-钻孔(8、10)的深度加在一起比承载体(1)的整个长度短；
-垂直于其纵轴和基本上与它对称设置的第一铣通孔(12)布置成分别在第一铣通孔(12)和承载体(1)的外表面之间保留一个平的弯曲簧片(15)；
-两个第一铣出孔(12)沿垂直于弯曲簧片(15)的外表面与另外两个铣出孔(32)连通，后者离纵轴的距离大致相当于第一铣出孔(12)的距离；
-膜片(16)的厚度由孔(8、10)的端面距离来决定。
4．按权利要求3的力传感器，其特征在于，第一铣出孔(12)在致为矩形横面，且沿承载体(1)的纵向延伸长度至少等于与之垂直延伸的第二铣出孔(32)的延伸长度。
5．按权利要求1的力传感器，其特征在于，第一铣出孔(12)分成一个纵向延伸的外围部分(13)和一个位于朝承载体(1)的纵轴方向的中心部分(14)，其中弯曲簧片(15)一方向由外围部分(13)限定，另一方面又由承载体(1)的外表面限定，而且垂直于第一铣出孔(12)延伸的铣出孔(32)的宽度相当于第一铣出孔中心部分(14)的宽度，所以力传感器具有两个膜片(16、17)，它们通过杆(11)的短段(18)连接。
6．按权利要求3至5的力传感器，其特征在于，孔(8、10)和铣出孔(12、32)通过切削加工产生。
7．按权利要求3至5的力传感器，其特征在于，称为成型单元的孔(8、10)和孔(12、32)用非切削加工技术产生。
8．按权利要求7的力传感器，其特征在于，以其孔(8、10)和孔(12、32)叫做成型单元的承载体(1)用火花电蚀产生。
9．按权利要求7的力传感器，其特征在于，以其孔(8、10)和孔(12、32)叫做成型单元的承载体(1)由冲挤产生。
10．按权利要求7的力传感器，其特征在于，以其孔(8、10)和孔(12、32)叫做成型单元的承载体(1)用铸造产生。
11．按权利要求9和10的力传感器，其特征在于，承载梁在成型后进行切削精加工。
12．按权利要求1的力传感器，其特征在于，使外壳(20)与承载体(1)密封连接的装置由一个O型密封圈组成。
13．按权利要求1的力传感器，其特征在于：
-将被测的力传递到承载体(1)的装置由两块板(6、7)组成，其中一块板(6)紧贴在承载体(1)的一个外壁上，并固定在纵孔(8)沿承载体内部延伸的部位，另一块板(7)紧贴在承载体(1)的对应外壁上，并固定在空心钻孔(10)沿承载体(1)的内部延伸的部位；
-板(6、7)用来承受产生转矩的面积荷载。
14．按权利要求1的传感器，其特征在于，把被测力传递到荷载体上的装置由下列部件组成：
-一块板(6)，该板紧贴在承载体(1)的一个外壁上，并固定在纵孔(8)沿承载体内部延伸的部位；
-一个球形段，该球形段紧贴在承载体(1)的对应的外壁上，并固定在空心钻孔(10)沿承载体(1)内部延伸的部位。
15．按权利要求14的力传感器，其特征在于，该球形段是凸出的。
16．按权利要求14的力传感器，其特征在于，该球形段是凹入的。
17．按权利要求13的力传感器，其特征在于，板(6、7)分别有一凸出的相互同轴的球形段，这两个球形段的曲率半径基本上相等，但大于该球形段最外点的距离的一半。
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Granted publication date: 20030827

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