CN1598513A - 具有转矩灵敏度补偿的弯曲杆测压元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弯曲杆测压元件，如果将一对剪切感应应变仪接合到介于用于测量弯曲应变的轴向应变仪之间的每个弯曲杆，可通过简单的电调节来补偿弯曲杆测压元件的面－面偏心负载灵敏度。剪切感应应变仪测量测压元件上的转矩，并被结合到桥接电路中，从而有可能通过改变微调电阻的电阻值来改变转矩灵敏度校正的量。桥接电路还包括用于补偿前－后偏心负载误差和零点调节的电路元件。每个弯曲杆上的四个应变仪可以是单复合应变仪元件的一部分，因此剪切感应应变仪不对测压元件增加任何造价。还可以在对偏移负载误差做出任何补偿之前密封地封闭这样的测压元件。

Description

具有转矩灵敏度补偿的弯曲杆测压元件

技术领域

本发明涉及应变仪测压元件，更具体涉及弯曲杆测压元件，其具有用于消除在弯曲杆测压元件上由偏心负载造成的误差的装置。

背景技术

自大约1950年起，弯曲杆测压元件已广泛地用于称量。一种普遍的设计是单点测压元件，其在各自的顶部包含两个平行的弯曲杆，与刚性端块分开。测压元件从支撑一个端块的基座向外伸展，而另一端块支撑负载平台。轴向应变仪通过端块搭接到结合处附近的每条杆上。

当负载施加于负载平台时，刚性端件对两个弯曲杆施力以使之折曲成扁S型。每个弯曲杆上的一个应变仪将相应地感应到张力，而第二应变仪感应到压缩。将四个应变仪在桥接电路中连接，以提供用于测量负载的输出信号。

如果单点测压元件完全对称，则电桥电路的输出信号将是负载的垂直分量的真实度量，独立于负载平台上负载的位置和方向。实际中，四个应变仪的应变敏感性中存在较小的差异，弯曲杆中存在较小的机械差别，弯曲杆上的测量仪位置也存在误差。这些误差扰乱了测压元件的对称，因此将会由负载应用点的移动而引起输出信号的误差，其既沿着测压元件的轴(“前-后偏心负载误差”)，又与测压元件的轴相交叉(“面-面偏心负载误差”)。由于面-面偏心负载使得测压元件扭转，所以后者的偏心负载误差也被称为转矩灵敏度。

从单点测压元件的最早使用可以知道，这两个误差可以通过应变仪附近的弯曲杆的仔细锉削而消除。锉削需要很好的技术，并且消耗时间，但是仍然是在单点测压元件中补偿偏心负载误差的最广泛使用的方法。

用于补偿转矩灵敏度的弯曲杆的锉削的一个严重缺点在于，它不可能封闭测压元件。在弯曲方向上会使得封闭用波纹管变软，但是它将总是相对于转矩较硬，所以将对封闭的测压元件的转矩灵敏度造成很大的影响。但是，不能在波纹管就位之后完成锉削。

授予Lockery的美国专利3,576,128描述了一种用于前-后偏心负载误差的电补偿的有效方法，但它不适用于转矩灵敏度的补偿。

授予Griffin等的美国专利4,453,609描述了用于单点测压元件的面-面偏心负载误差的电补偿的方法。Griffin方法需要放置在每条弯曲杆的中心线的相对面上的两对轴向应变仪，或者需要安装在每条弯曲杆的中心线上的两个应变仪，但是偏离轴向。所引用的专利中所描述的补偿过程非常复杂。其还未在商业上成功地使用过。

授予Eger等的美国专利5,610,343描述了用于两种偏心负载误差类型的电补偿的方法，其中这两种误差类型都在每条弯曲杆上都具有多轴向应变仪的弯曲杆测压元件中。桥接电路中不同对应变仪信号的微处理器采样用于计算偏心负载误差，并以频繁的间隔计算误差校正信号。该方法十分复杂，并需要非标准的电子仪表用于显示负载信号。其还未在商业上成功地使用过。

发明内容

本发明的一个方面提供了能够通过单纯的电装置来补偿转矩灵敏度的一种弯曲杆测压元件。

本发明的另一方面提供了能够在补偿前-后和面-面偏心负载误差之前被密封地封闭起来的一种弯曲杆测压元件。

本发明的这些方面是通过一种弯曲杆测压元件而得到的，该弯曲杆测压元件包含在提供与弯曲杆上的负载成比例的输出信号的桥接电路上连接的张力和与压缩感应应变仪、感应测压元件中的转矩的剪切感应应变仪和用于将来自转矩感应应变仪的信号同输出信号相结合以补偿输出信号中的转矩灵敏度的装置。

本发明另外的方面和优点部分地将在说明书中得到阐述，并且部分地将从说明书中显而易见，或者可以从本发明的实施中得到。通过在所附权利要求中特别指出的工具和组合，可以认识到并得到本发明的各种方面和优点。

附图说明

将附图结合到本说明书中并构成说明书的一部分，这些附图说明了本发明的实施例，并同说明书一起用于解释本发明的基本原理。

图1是现有技术单点测压元件的简化透视图。

图2是如图1所示的单点测压元件使用的应变仪电桥的示意图。

图3是根据本发明一个实施例的单点测压元件的简化透视图。

图4是根据本发明一个实施例、用于测压元件的应变仪电桥的示意图。

图5是如图4所示的应变仪电桥示意图，其中增加了用于补偿前-后偏心负载灵敏度和零位调整的电路元件。

图6是如图4所示的应变仪电桥的示意图，其中增加了用于补偿前-后偏心负载灵敏度的另外的电路元件。

图7是根据本发明一个实施例的基本应变仪电桥的示意图，其中增加了用于补偿前-后偏心负载灵敏度的电路元件，并且增加了用于补偿转矩灵敏度的另外的电路元件。

图8是根据本发明一个实施例用于单点测压元件的复合应变仪元件的平面图。

图9是根据本发明一个实施例的密封地封闭的单点测压元件的简化侧面图。

图10是图9所示的测压元件的右侧端视图。

图11是根据本发明一个实施例的平面测量仪弯曲杆测压元件的俯视图。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施例，在附图中说明其中的实例，其中类似的参考标号始终用于指示类似的元件。为了参看附图解释本发明，下面描述实施例。

通过同现有技术的测压元件(图1和2所示)的比较，将更好地理解根据本发明实施例的用于转矩灵敏度的补偿。

图1是从基座11向外伸展的单点测压元件10的简化透视图。该测压元件是由测压元件性质的金属合金块12制成的。两个横向圆柱切块13通过纵向槽14连接，以形成一对弯曲杆17、17’，这对弯曲杆通过端块16’和16”保持固定的平行关系。圆柱切块13在弯曲杆17、17’和端块16’、16”之间形成一对薄的弯曲部分15和15’。一个端块16’安装在基座11上，另一个端块16”用作负载平台(未示出)的支撑。成对的轴向应变仪18、18’和19、19’在弯曲部分15和15’的每个弯曲杆上接合。当垂直负载F作用于自由端块16”时，测压元件轻微偏转，并且弯曲杆被压得呈现出扁S型。每个弯曲杆上的一个应变仪因此将感应到张力，而另一个应变仪则将感应到压缩，如应变仪标号上的后缀(+)和(-)所指示的。

四个应变仪18、18’、19、19’在如图2所示的桥接电路上连接。具有接线端A-B的一个电桥对角连接到电压源或电源，具有接线端C-D的另一电桥对角提供与负载F成比例的输出信号。一对模量仪(MOD)连接在电压源和相关联的电桥对角之间，如所示。模量仪接合到弯曲杆(图1中未示出)上，以感应测压元件10的温度并校正由应变仪18、18’、19、19’的仪表灵敏度中以及弯曲杆15、15’的弹性模量中的温度灵敏度造成的误差，如本领域所公知。

如果测压元件10完全对称，则接线端C-D处的输出信号将不会对负载平台上垂直于测压元件纵轴的负载F的位移敏感。在实际中，将不可避免存在对称误差，其可能由应变仪18、18’、19、19’的机械容差和放置容差引起，所以输出信号将示出所谓的面-面偏心负载误差。到目前为止，补偿该误差的仅有的实用方法是通过对弯曲杆弯曲部分15、15’锉削以修复对称性。

图3是根据本发明一个实施例的测压元件20的简化透视图。该测压元件20与图1中所示的测压元件10基本相同，只在弯曲杆17和17’的中心处添加了两对剪切感应应变仪22、22’和23、23’。应变仪22、22’、23、23’排列在与测压元件20的纵轴成45°处，它们由此测量测压元件20上转矩引起的基本应力。中心位于测压元件轴左侧的负载引起的反转矩(如从测压元件20的自由端(端块16’)所见)将引起剪切感应应变仪22和23中的电阻降低，而应变仪22’和23’中的电阻增加，如图3、4、5、6中的应变仪标号上的后缀(+)和(-)所指示的。

通过将来自感应测压元件20上转矩的剪切感应应变仪22、22’、23、23’的信号与来自感应伪转矩压力所“污染”带来的弯曲压力的应变仪18、18’、19、19’的信号合并，有可能得到一个不受测压元件20中的面-面偏心负载灵敏度影响的输出信号。

图4是根据本发明一个实施例、用于测压元件的应变仪电桥的优选形式的示意图。电桥的每个臂包含一个感应弯曲应力的应变仪18、18’、19、19’，其与一个感应剪切应力的应变仪22、22’、23、23’相串联。排列剪切感应应变仪22、22’、23、23’以在应变仪电桥的顶部和底部形成半电桥。微调电阻25作为旁路连接在接线端E-F处的剪切感应半电桥之一(22、22’)的两端，具有接线端G-H的另一个剪切感应半电桥(23、23’)短路。通过改变微调电阻25的电阻值，将来自剪切感应半电桥22、22’的可变电压与来自负载感应应变仪18、18’、19、19’的信号联合。负转矩使得正常的负输出端C变得更加正，由此补偿随负转矩而增加的面-面偏心负载误差。如果问题是正转矩灵敏度，由此需要具有相反极性的校正信号，那么短路电路26和微调电阻25的位置应该互换，正如本领域技术人员从图4、图5和图6中的(+)和(-)标记所看到的。

通过根据图4的应变仪电桥来补偿根据图3的测压元件中的面-面偏心负载误差是快速而简单直接的。首先，剪切感应半电桥22、22’和23、23’都短路，同时恒定负载F横向移动到测压元件的轴上。相对于负载施加点的移动方向而读取的负载中误差的极性确定两个剪切感应半电桥22、22’或23、23’中的哪个应该是有效的。这个半电桥的短路电路被可变电阻25或26所取代，可变电阻25或26直到转矩灵敏度降低到基本上为零才停止变化。可变电阻25或26随后被相同电阻值的固定电阻所取代。微调电阻25或26的电阻值的变化对电桥的负载感应部分的灵敏度的影响可以忽略不计。

也可以通过将一个负载F的一点上的面-面偏心负载误差送到计算机来自动进行补偿，其中该计算机为电桥上所有应变仪和电阻的电阻值进行了编程。计算机随后可以立即指示微调电阻25或26的合适的位置和电阻值。当四个主应变仪18、18’、19、19’的中每个的电阻值都为350欧姆时，每个剪切感应仪22、22’、23、23’的合适电阻值都是7欧姆。

根据本发明实施例的电转矩灵敏度补偿可以结合用于前-后偏心负载误差电补偿的已知方法。图5是为此目的的优选应变仪桥接电路的示意图。图5的应变仪桥接电路基于如图4所示的应变仪电桥，但增加了用于补偿前-后偏心负载误差的微调电阻30、30’。在美国专利3,576,128中描述了用于补偿前-后偏心负载灵敏度的这个方法，在此通过引用将该专利的内容包含进来。两个相等的电阻30、30’将电桥的左或右半部分分流，以补偿前-后偏心负载灵敏度。分流电阻30、30’的阻值和位置由简单的校准程序确定。电阻30、30’对由分流电阻25所进行的转矩灵敏度补偿的影响可以忽略不计，因此面-面偏心负载补偿基本独立于前-后偏心负载补偿。

图5还包括一对调零电阻40、40’，其连接在电源端A和B以及电桥输出端C和D之间。美国专利4,958,526中描述了用于调节零点的方法，在此通过引用将其内容包括进来。通过使用一对如图所示连接、用于调零的相等电阻40、40’，调零操作将不会对上述的偏心负载补偿造成任何影响。电阻25对转矩灵敏度的补偿、电阻30、30’对前-后偏心负载误差的补偿以及电阻40、40’的调零操作基本上都是独立的，因此这三个调节操作不需要任何重复迭代，并且可以简单地自动完成。

图6是用于补偿转矩灵敏度和前-后偏心负载灵敏度的另一类型应变仪电桥的示意图。图4中所示的应变仪电桥补充了两对相等的固定电阻31，电阻31连接在弯曲应力感应应变仪18、18’、19、19’对的两端。微调电阻32连接在一个电桥对角与一对中两固定电阻31间的连接点之间。美国专利6,147,312中描述了用于补偿前-后偏心负载灵敏度的方法，在此通过引用将其内容包括进来。

前-后偏心负载误差补偿的极性是由电桥弯角B或C中的哪个连接到微调电阻32而确定的，并且微调电阻32的电阻值确定前-后偏心负载误差补偿的量。用于前-后偏心负载误差补偿的这个方法实质上与参考图5所述的补偿方法等同。其优点在于，在微调电阻32的所有设定中电桥上负载恒定，并且仅有电阻32可变，而不是电阻对30、30’。图6中未示出调零装置，但是参考图5可如上所述地准确实现该装置。

图7是在将称量信号与转矩补偿信号相结合的进一步的方法中使用电路元件的基本应变仪的示意图。在此情况中，在包含轴向应变仪18、18’、19、19’的主应变仪电桥60中发展了称量信号，对前-后偏心负载灵敏度和调零进行补偿。在包含剪切感应应变仪22、22’、23、23’的单独电桥61中发展了与测压元件上转矩成比例的信号，在此情况中剪切感应应变仪可为350欧姆的仪器。通过将两电桥60、61的输出端C-D和C’-D’并联连接，如本领域所公知，可以合并来自两个电桥60、61的输出信号。

通过将接线端D’连接到C、将接线端C’连接到D，可以翻转转矩灵敏度补偿的极性。转矩灵敏度校正的量可以由转矩感应电桥61中的信号对角和输出端C’和D’之间的一对电阻55和55’来改变，或者可以由与电源端串联的一对电阻50、50’来改变。

用于前-后偏心负载灵敏度的补偿是由电阻30、30’确定的，调零是由电阻40、40’所确定的，如上面结合图5的解释。当使用图7所示的电路时，三种补偿完全独立。

图8是根据本发明一个实施例、适用于测压元件的复合应变仪35的平面图。复合应变仪35包含轴向应变仪18、18’(19、19’)和剪切感应应变仪22、22’(23、23’)，以及图4、5或6中所示电桥的上半或下半部分中所需的所有互连。图8中复合应变仪35左侧的接线端的小写字母标号指示了这些接线端将连接到电桥接线端A-H中的哪个。复合应变仪35可以通过在塑料薄膜36上的金属箔中刻蚀图案而制成。如本领域所公知。因此，无论是否包含一对剪切感应应变仪22、22’(23、23’)，复合应变仪35的造价都相同。

复合应变仪元件35可以作为一个单元接合到每个弯曲杆17、17’上。这比四个分离应变仪的接合消耗更少的时间，并且相应的单独仪器的定位更加准确。在接合到弯曲杆上之后，可以不用对单独应变仪之间的互连进行焊接。复合应变仪元件35可通过图4、5或6中的任意电路图来使用。

图9是根据本发明一个实施例的密封封闭的单点测压元件100的单独侧视图。图10是图10所示的相同测压元件的右侧端视图。

测压元件100是从圆柱棒102碾磨而成的。在棒102的末端附近碾磨一对平坦水平表面103和104。下平坦表面103具有用于安装螺栓的一对螺纹底孔106，因此它可以支撑来自基座11的悬臂形状的测压元件100。上平坦表面104也具有一对螺纹底孔107，其适于支撑负载平台(未示出)。

测压元件的感应部分包括两个带有弯曲部分15、15’的平行弯曲杆17、17’，如图1和3所示。如图8所示的复合应变仪元件35接合在弯曲杆15的顶部上和弯曲杆15’的底部，如图9所指示的。每个复合应变仪35的左侧终端部分几乎定向于上和下弯曲杆17、17’上的测压元件的固定端(16’)。具有尾销122的、玻璃到金属的封闭121的空间120是在测压元件100的静止左端碾磨形成的。用于连接来自应变仪元件35的电线的导管112和113从空间120钻孔到应变仪元件35。在来自应变仪元件35的电线连接到玻璃到金属的封闭121中的销122上之后，该封闭焊接到测压元件100的末端表面。薄不锈钢波纹管110在测压元件100上攻螺纹，直到波纹管110的圆形末端部分套在测压元件100的圆柱区域102上，然后将波纹管焊接到测压元件100以形成应变仪的密封封闭。为避免附图的混乱，只示出了封闭波纹管110的上下轮廓。最后，测试测压元件，并且在电缆和电缆封装添加到测压元件100的支撑末端之前，将用于校准、面-面和前-后偏心负载灵敏度补偿以及调零的微调电阻焊接到玻璃到金属封闭121的尾销122上。

波纹管110在弯曲中是软的，但对于转矩是硬的。因此它将会对测压元件的转矩灵敏度造成相当大的影响。这使得不可能在通过对弯曲杆锉削补偿转矩灵敏度之后封闭测压元件，但是对于根据本发明实施例的测压元件来说这并非不可能，此时可以在封闭测压元件100之后通过电气完成对转矩灵敏度的补偿。

图5和6示出了电源需要两个接线端A-B以向电桥供电，此外电桥输出信号也需要两个接线端C-D。在电路中用于转矩灵敏度补偿的电阻25、26需要额外的两对接线端E-F和G-H。所有微调电阻25、26、30、30’和40、40’都连接到接线端A-H，因此在玻璃到金属封闭121中只需要八个尾销122，以在测压元件完全封闭之后通过外部微调电路为所有类型的偏心负载误差实现全部的补偿。

当使用如图5所示的桥接电路时，如果在封闭测压元件100之前对面-面偏心负载误差的极性进行快速检测的话，尾销122的数量就可以减少两个。当极性已知时，将知道E-F或者G-H中的哪对接线端应该被短路。可以在封闭测压元件100之前实现这个短路电路26，只有用于可变电阻25的接线端需要连接到尾销122。

图7中所示的电路需要六个接线端，其可以到达密封封闭之外。

图11是根据本发明另一实施例的平行弯曲杆测压元件200的俯视图。测压元件是平面仪测压元件，由金属薄片制成，具有切块，以形成安装板203、承载板204和具有在一个平面的弯曲部分215、215’的两个弯曲杆217、217’。应变仪18、18’、22、22’接合到弯曲杆217的顶表面，应变仪19、19’、23、23’接合到弯曲杆217’的底表面。当把负载放置在承载板204所支撑的平台(未示出)上、靠近承载板204的内边缘的固定孔205处时，对弯曲杆217和217’施加压力以使其弯曲成扁S型。轴向应变仪18和19’因此将感应张力应变，而轴向应变仪18’和19将感应压缩应变。两对剪切感应应变仪22、22’和23、23’接合到弯曲杆217、217’的中心，并准确地用作参考图3所述的剪切感应应变仪22、22’、23、23’。

当应变仪18、18’、19、19’、22、22’、23、23’结合进图5、6或7中所示的桥接电路之一时，来自电桥的输出信号将提供对净垂直负载的测量，其通过上面参考图5、6或7所述的微调电阻补偿了面-面和前-后偏心负载灵敏度。平面仪弯曲杆测压元件200与单点测压元件20或100完全相同。

通过增加两对剪切感应应变仪到弯曲杆测压元件上，根据本发明的实施例，可仅通过微调电阻来实现面-面偏移负载补偿，而不用如现有技术所需的对弯曲杆进行锉。面-面偏移负载补偿可以与用于前-后偏移负载补偿和调零的已知的电气方法相结合。不同的补偿是独立的，而且相互之间无影响。因此，在密封地封闭了测压元件之后可以快速和有效地实现用于偏心负载误差的补偿。这是相对于现有技术的巨大进步。

上面示出和描述的本发明的优选实施例在负载灵敏度和转矩灵敏度之间互相没有影响。本领域技术人员将认识到，如果允许大量接线端点或者允许不同调节之间某些相互作用的话，具有不同轴向应变仪和剪切感应应变仪的互连的应变仪电桥可用于补偿偏心负载灵敏度。在不背离本发明的原理和精神的前提下可以对所述的实施例做出修改，本发明的范围是由所附权利要求及其等价物限定的。

Claims (11)

1.一种弯曲杆测压元件，其包括：

轴向应变仪，其用于感应张力和压缩应变，连接在主桥接电路中，所述主桥接电路具有两个电源输入端和两个信号输出端，其中所述信号输出端用于提供与测压元件上负载成比例的输出信号；

剪切感应应变仪，其用于感应所述测压元件上的转矩；和

用于将所述转矩感应应变仪与所述轴向应变仪之一串联连接的装置，用以补偿所述输出信号中的转矩灵敏度。

2.根据权利要求1所述的弯曲杆测压元件，其中，微调电阻正在分流所述一个剪切感应应变仪。

3.根据权利要求1所述的弯曲杆测压元件，其中，至少两个相邻电桥臂包含一个轴向应变仪和一个剪切感应应变仪，对其进行布置，使得剪切感应应变仪在一个电桥对角上形成半电桥，并且第一微调电阻跨接在所述半电桥上两端。

4.根据权利要求3所述的弯曲杆测压元件，其还包括一对第二微调电阻，所述第二微调电阻连接在所述电源输入端和所述输出端之一之间，用于补偿前-后偏心负载误差。

5.根据权利要求4所述的弯曲杆测压元件，其中，密封地封闭所有所述测压元件，并且所述第一和第二微调电阻经由所述密封封闭中的接线端连接到应变仪桥接电路。

6.一种应变仪测压元件，其包括：

两个平行弯曲杆，对其进行布置以从基座上向外伸展，并在所述伸展的弯曲杆的自由末端上具有垂直负载作用；

轴向应变仪，其接合到所述弯曲杆以感应所述弯曲杆末端附近的张力和压缩应变，并将其安置在主应变仪电桥中，所述主应变仪电桥具有一对电源接线端和一对信号接线端，其中信号接线端用于提供与负载成比例的输出信号；

应变仪，其接合到所述弯曲杆上，与每个弯曲杆的轴成45度角，用以感应由所述测压元件上的转矩引起的应变；和

用于将来自所述转矩感应应变仪的信号与所述输出信号相结合的装置，用以补偿所述输出信号中的转矩灵敏度。

7.根据权利要求6所述的应变仪测压元件，其中，所述方向为45°的应变仪连接在单独的桥接电路之中，所述单独桥接电路具有取决于所述测压元件上的面-面偏心负载的输出信号，还具有将来自所述单独电桥的输出信号与来自所述主应变仪电桥的输出信号相结合的装置。

8.根据权利要求6所述的应变仪测压元件，其中，所述主应变仪电桥中的至少一个电桥臂包含一个轴向应变仪和一个45°方向的应变仪，并且微调电阻正在分流所述45°方向的一个应变仪。

9.根据权利要求6所述的应变仪测压元件，其中，所述主应变仪电桥中的至少两个相邻电桥臂包含一个轴向应变仪和一个45°方向的应变仪，对其进行布置，以使45°方向的应变仪在一个电桥对角上形成半电桥，并且第一微调电阻连接在所述半电桥两端。

10.根据权利要求9所述的应变仪测压元件，其还包括一对第二微调电路，所述第二微调电阻连接在所述电源接线端和所述信号接线端之一之间，用于补偿前-后偏心负载误差。

11.根据权利要求10所述的应变仪测压元件，其中，密封地封闭所有所述测压元件，并且所述第一和第二微调电阻经由所述密封封闭中的接线端连接到应变仪桥接电路。

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