CN1890550A - 台秤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于在多个方向上传送力和力矩的台秤10。台秤10适用于支撑诸如风道的测试环境中的诸如大型车辆的测试样品。台秤10包括框形支架12，14和至少三个与框形支架12，14相连接的间隔开的转换器40，40A。每个转换器40，40A关于两个正交的传感轴线是灵敏的。转换器40，40A合作(协作/配合)用于提供表示关于至少两个正交轴线的力和力矩的信号。每个转换器40，40A包括转换器主体，转换器主体具有沿着柔量的轴线连接传感器主体42的支架46，48。传感器主体42适于绕两个正交的传感轴线偏转，而传感轴线与柔量的轴线相互正交。

Description

台秤

技术领域

本发明涉及一种传送和测量沿着三个正交轴线的线性力和关于三个正交轴线的力矩的装置。更具体地说，本发明涉及一种特别适用于测量在诸如风道的测试环境中的测试样品的力和力矩。

背景技术

精确和准确的负荷的测量，力和力矩，对许多应用来说是非常重要的。需要测量数个力矩和力的共同使用是在风道中的样品的测试中。测试样品可放置在位于风道的凹坑中的台秤上。该台秤适用于接纳车辆或其它大型测试样品，而不仅仅是比例(按比例缩小的)模型车辆。实际车辆，而不是比例模型车辆，允许设计者确定原型体的实际测量，而不仅仅是推理测量。如果测试样品是带有车轮的车辆，那么台秤就可装设有旋转车轮的滚动带，这样才能够显著地提高测量的精度。

力和力矩的六个分量作用于风道中的台秤上的测试样品上。这六个分量公知为升力、拉力、侧力、俯仰力矩、偏转力矩和滚动力矩。这些作用于测试样品上的力矩和力用对这些分量灵敏的转换器通常分解为力的三个分量和力矩的三个分量。每个转换器装有传感器，如应变计，它们组合连接而形成惠斯通桥电路。通过适当地连接这些传感器，形成的惠斯通电桥电路不平衡能够分解为力三个分量和力矩三个分量的读数。

台秤往往易于受到不同测试环境的物理特性的影响，测试环境在没有附加补偿的情况下可能会导致测量的不精确性。例如，风道中温度的瞬变能够导致台秤的热膨胀，这样会对转换器产生不利的影响。此外，大型测试样品易于对转换器产生较大的推力负荷，这样就能产生不精确的测量。因此，就存在一种持续的需求，来开发出一种适用于与大型测试样品一起使用的台秤。

发明内容

本发明涉及一种适用于在多个方向上传送力和力矩的台秤。所述台秤适用于支撑诸如风道的测试环境中的诸如大型车辆的测试样品。台秤包括框形支架和至少三个与框形支架相连接的间隔开的转换器。每个转换器对于两个正交的传感轴线是灵敏的。转换器合作(协作/配合)用于提供表示相对于至少两个正交轴线的力和力矩的信号。在一个例子中，框形支架包括第一周边框架和第二周边框架。该例子中的台秤包括将第一周边框架与第二周边框架相连接的四个间隔开的转换器。对两个正交传感轴线灵敏的转换器不会受到框形支架的热膨胀的影响，并抑制在对三个正交传感轴线灵敏的转换器中产生的较大推力负荷。

本发明还涉及一种转换器主体，该转换器主体具有沿着柔量(compliance)的轴线与传感器主体连接的支架。所述传感器主体适于在传感轴线与柔量的轴线相互正交时关于两个正交的传感轴线偏转。在一个方面中，支架包括沿着柔量的轴线向上设置在传感器主体相反侧的一对挂钩对分。

附图说明

图1是根据本发明构成的台秤的平面图。

图2是具有附加特征并适用于接纳测试样品的图1所示台秤的正视图。

图3是图2所示台秤的正视图，并具有示例性测试样品。

图4是根据本发明构成的并包含于图3所示台秤中的转换器的俯视图。

图5是图4所示转换器的正视图。

图6是图4所示转换器的侧视图。

图7是图4所示转换器的局部放大视图。

图8是根据本发明构成的另一个转换器的侧视图。

具体实施方式

本发明的公开涉及传送和测量沿着三个正交轴线方向的力和关于三个正交轴线的力矩的装置和结构。包括附图在内的技术方案参考了几个解释性实例描述了一种台秤和所包含的转换器。例如，该公开相对于固定于下面所述的多部分转换器组件上的框形支架进行。但是，应当注意本发明也可以在其它的装置或结构及转换器中实施。本发明相对于框形支架和转换器组件进行描述仅用于解释说明作用。其它的例子可以考虑，并在下面提及，或者本领域的技术人员可以想象得到。本发明的保护范围并不仅限于这些实施例，即本发明所述的实施例。相反，本发明的保护范围通过参考后面的权利要求进行限定。可对包括没有公开的其它设计的例子进行修改，仍然落在权利要求的保护范围内。

本发明一个示例性实施例的台秤10如图1-3所示。在所示的实施例中，台秤10包括第一框形支架12和第二框形支架14。多个转换器组件16，这里为四个，但是可以使用三个或更多个的任何数量，将第一框形支架12与第二框形支架14相连接。台秤10可用于测量作用于标称上较大重量或质量的诸如车辆、发动机和飞机的测试样品上的力和力矩。框形支架12和14标称上是无应力的反力(反作用)框架，其中每个转换器包括双轴力转换器。在台秤10中可设置不同等级的挠曲隔离以能提供增强的灵敏性，同时标称上支撑较大的质量。

参考图4-6，其中一个转换器组件用40表示，其中每个转换器组件16优选相似构成。转换器组件40包括传感器主体42和挂钩组件44。挂钩组件44包括第一挂钩对分46和第二挂钩对分48。传感器主体42设置在挂钩对分46和48之间，并用合适的紧固件连接在一起。在图示的实施例中，紧固件包括螺栓或螺纹杆50，所述螺栓或螺纹杆50分别延伸通过挂钩对分48、传感器主体42和挂钩对分46的孔48A，42A和46A。螺母51设置在螺纹杆50的端部53上，特级螺母52拧到螺纹杆50的端部54上。多个固定螺钉56延伸通过螺母52中的孔以接合挂钩对分46的端部。固定螺钉56的紧固允许以每个固定螺钉56上的减小转矩值而不是通过使用螺母52本身有效地实现高的夹紧压力。应当注意：虽然挂钩46和48的中心部分围绕孔46A，42A和48A接合或接触传感器主体42的中心部分，但是空隙设置在挂钩对分46和48中每一个与传感器主体42之间，从而允许传感器主体42能够相对于挂钩对分46和48移动。

传感器主体42优选是整体的，且由单个整体材料块一体形成。传感器主体42包括脊形中心毂60，在此包括孔42A，和与中心毂60同心或围绕中心毂60设置的脊形周边主体62。多个挠曲结构64(这里是挠曲梁64，但是可以使用其它的形式)将中心毂60与周边主体62相连接。在图示的实施例中，多个挠曲梁64包括四个带条71，72，73和74。每个带条71-74沿着相对应的纵向轴线71A，72A，73A和74A从中心毂60径向延伸到周边主体62。优选地，轴71A与轴73A对准，而轴线72A与轴线74A对准。此外，轴线71A和73A垂直于轴线72A和74A。虽然图示的挠曲梁64的数量为四个，但是应该明白三个或更多个的任何数量的带条可用于连接中心毂60和周边主体62。优选地，挠曲梁64绕85所示的中心轴以等角度的间隔间隔开。

挠曲部件81，82，83和84分别将每个挠曲梁71-74的端部与周边主体62相连接。挠曲部件81-84沿着相对应的纵向轴线71A-74A与每个相对应的挠曲梁71-74的移位相一致。在图示的实施例中，挠曲部件81-84是相同的，并且包括一体形成的挠曲带条86和88。挠曲带条86和88位于每个纵向轴线71A-74A的相反侧，并连接于相对应的挠曲梁71-74和周边主体62。

传感装置测量传感器主体42的部分的移位或变形。在图示的主体中，多个应变传感器90安装在挠曲梁64上以传感其中的应变。虽然多个传感器90能够位于多个挠曲梁64上以提供剪切应力的指示，在图示实施例中，应变传感器传统上安装以提供表示挠曲梁64中弯曲应力的输出信号。在图示的实施例中，在每个转换器40的传感器主体42上设置八个应变传感器，其中形成两个常规的惠斯通(Wheatstone)电桥。第一惠斯通电桥或传感电路传统上是由设置在挠曲梁71和73上的应变传感器形成的，而第二惠斯通电桥或传感电路是由设置在挠曲梁72和74上的应变传感器形成的。多个传感器90可包括阻力应变仪。但是，其它形式的传感装置，如基于光学或基于电容率的传感器也可以用于测量挠曲梁64的变形或移位，如果需要也可测量传感器主体42其它部分，如每个带条86和88的变形或移位。

来自传感装置的输出信号表示在中心毂60和周边主体62之间以两个自由度传送的力分量。为了起解释目的，可以定义一个坐标系97，其中X轴97A与纵向轴线71A和73A对准；Z轴97B与垂直轴72A和74A对准，Y轴97C与轴线85对准。

在图示的实施例中，每个转换器组件16测量两个力。更具体地说，沿X轴的力被测量作为在挠曲梁72和74中产生的弯曲应力，因为挠曲梁71和73端部上的挠曲部件81和83在这个方向上是顺应的(compliant)。同样，沿Z轴上的力被测量作为在挠曲梁71和73中产生的弯曲应力，因为挠曲梁72和74端部上的挠曲部件82和84在这个方向上顺应的。

由于设置在挂钩组件44上的挠曲的缘故，转换器40沿着轴线85也是顺应的。在图示的实施例中，挂钩组件44是由大体上相同的挂钩对分46和48形成的。在图示的实施例中，传感器42是转换器主体的“内部部件”，可以考虑其它实施例。例如，可以使用本身就是单个的挂钩对分。而且，可以使用作为与两个传感器相连接的内部部件的单个挂钩对分，将在下面参考图8进行描述。

在图示的实施例中，每个挂钩对分46和48包括中心毂102，和刚性外部主体104，在图示的实施例中，孔46A和48A穿过中心毂102。挠曲机构将刚性中心毂102与外部主体104相连接。在图示的实施例中，多个带条106设有从中心毂102延伸到外部主体104的第一部分104A的第一对挠曲带条111和112，和从中心毂102延伸到主体104的第二部分104B的第二对挠曲带条113和114。但是，应当注意，如果需要，其它形式的挠曲部件或机构可用在刚性毂102和外部主体104之间，以允许沿轴线85的顺应性(compliance)。这些形式可包括诸如隔膜的其它的整体挠曲机构，或具有诸如滑动或枢轴连接的柔性连接的多部件组件。

参考图1-3，每个转换器组件40的传感器主体42连接到框形支架12，而每个转换器组件40的每个挂钩对分46和48连接到框形支架14。在图示的实施例中，安装板120用于将传感器主体42连接到框形支架12，而安装板122用于将挂钩对分46连接到框形支架14。这样，框形支架12提供了内周边框架，而框形支架14提供了外周边框架。安装板120和122的使用允许框形支架12和14被嵌套由此减小了台秤10的整体高度。

每个框形支架12和14包括形成在周边中的连续中空盒形梁以能提供相应的刚性组件。框形支架12将传感器主体42相对于彼此保持在适当的位置，而框形支架14将挂钩组件44相对于彼此保持在适当的位置。刚性盒形框架组件124也可以如图所示设置在支撑框架12中。

正如本领域技术人员所理解，来自每个转换器组件16的双轴传感电路的输出能够进行组合以感应或提供表示在六个自由度上作用于台秤上的力和力矩的输出。应当注意：挂钩组件44的挠曲机构使转换器16以与挠曲部件81-84如何在传感器主体42中提供顺应的方式相似的方式进行操作。

用于台秤10的坐标系在图1和2中用131表示。来自转换器组件40A和40C的输出信号用于测量沿X轴的力，因为转换器组件40B和40D在这个方向上是顺应的。同样，来自转换器组件40B和40D的输出信号用于测量沿Y轴的力，因为转换器组件40A和40C在这个方向上是顺应的。来自所有转换器组件40A-40D的输出信号用于测量沿Z轴的力。关于X轴的倾覆力矩从来自转换器40A和40C的输出信号进行测量；而关于Y轴的倾覆力矩从来自转换器40B和40D的输出信号进行测量；关于Z轴的倾覆力矩从来自转换器40A-40D的输出信号进行测量。处理器180接收来自转换器40的传感电路的输出信号以通常相对于正交坐标系131计算所需的力和/或力矩。

如上所述，台秤包括四个双轴转换器组件。这种特别的设计比具有三轴线(或更多)转换器组件的实施例有许多优点。除了抑制在实验或风道温度瞬变过程中框架12和14的相对于彼此的热膨胀外，台秤10不必抑制作用在四个转换器组件中每一个上的相对较大的推力负荷(挂钩挠曲部件在推力(沿着轴线86)上非常柔软，因此在施加X或Y侧负荷时能够将负荷散发到两个正交的双轴转换器组件上)。与如果组件试图起反作用和测量在关于台秤的四个转换器组件位置(与在三个或更多个轴线转换器组件相同)的推力相比，这允许台秤10对于在每个双轴传感器主体42中的四个传感挠曲带条更加优化地进行调整。这种设计允许横轴尺寸和正交挠曲梁的I/C独立地改变以便最优化灵敏度。例如，两个的厚度可以比其它两个的厚度厚，并且厚度是可改变的。如果转换器组件是三轴线转换器，并且这种情况发生时，相互成一直线的两个梁将会更加刚性，并从正交的一对中产生不同的输出，因此使传感器不同地运转且具有偏离轴线或组合负载。不需要测量推力和对推力反作用也允许较高的应力和应变设计，因为没有第二弯曲应力张量，第二弯曲应力张量将会在与内中心毂连接的梁根上在附加轴线上增加弯曲。而且灵敏性越高，分辨率就越高，信噪比就越高，且绝对和测量的分量相对于彼此的可量测性的跨距就越大。

在另一个实施例中，超程停止机构设置在每个转换器组件16中以便防止对传感器主体42或挂钩组件44的挠曲机构产生损害。回头参考图4-6，设置一个或更多个销140，以便限制传感器主体42相对于挂钩组件44的移位。在图示的实施例中，孔46B，48B，42B分别设置在挂钩对分46和48以及传感器主体42中。例如，销140通过例如压配合紧固到传感器主体42上以便销140的延伸部分延伸到挂钩对分46和48的孔46B和48B中，并标称上与其内壁间隔开。如果传感器主体42的可位移部分的位移超过相对于挂钩对分46和48的主体的所需位移，销140的延伸部分将会接触设置在挂钩对分46和/或48中的孔46B和/或48B的内壁，由此将传感器主体42的周边主体62与挂钩对分46和48的外部主体104相连接，以便防止对挠曲带条或机构的损坏。注意：周边主体62可适当地与挂钩对分46和/或48间隔开，以便提供超程保护。特别是，如果沿轴线85的移位超过所选择的距离时，周边主体62接合挂钩对分46和/或48。

虽然传感器主体42和挂钩对分46和48能够用任何合适的材料形成，但是，在一个实施例中，传感器主体42由钢形成，而挂钩对分由铝形成。每个销140可由硬化的钢形成，如果必要，硬化衬套可设置在挂钩对分46和48的孔46B和48B内，以接合销140的远程部分。应当注意销140的延伸部分可设有相对于轴部153的弯曲或球形表面151，如图7所示，以保证销140与形成在挂钩对分46和48中孔46B和48B的内壁的分布接触。

还应当注意：根据期望的应用，传感器主体42和挂钩对分可形成单个整体。

图8示出了转换器，即转换器40A和相应主体的可选实施例。同样的部件用相同的参考标号表示。在本实施例中，图4-6中的其中一个挂钩对分46变为内部部件。图4-6中的两个传感器件42变为挂钩对分。在该例子中，与前面例子不同，没有安装内部部件，而是，前面例子中的传感器件结构安装有传感器，但是在本实施例中，用作挂钩对分。合适的传感器，如应变仪90仍然连接到部件42。图示的例子包括许多传感器90，是图4-6实施例中的两倍。为了提供可使用的输出，像在本领域公知的一样，例如通过在惠斯通电桥中将信号组合或求和，传感器信号能够在每个转换器中被组合。图8中的构造必图4-6所示的实施例在Y方向(如坐标系所示)上更有刚性。但是，图4-6所示的实施例在关于X轴的力矩上比图8中的实施例的力矩更有刚性。

台秤10特别适用于测量在诸如风道的环境中作用在诸如车辆的大型样品上的力和/或力矩。在这种或类似的应用中，台秤10能够包括将框形支架12和14与测试样品和地面支撑机构相隔离的挠曲部件170。在图示的实施例中，四个挠曲部件170设置在与板120相连接的每个转换器组件40之间。同样，四个挠曲部件172连接安装板122。因此，挠曲部件170，172隔离框形支架12和14。挠曲部件170，172通常与每个相应的转换器组件40的传感器主体42对准。

通常设置平衡系统或组件来支撑测试样品的标称静质量，诸如道路的工作环境上的其它部件，台秤自身的模拟器和元件。平衡系统可采用任何一种形式，如气囊，水压或气压装置，或具有滑轮的缆绳和配重。平衡系统的重要特征在于它具有非常顺应以便不会干涉通过转变换器组件40进行的力的测量和灵敏度，从而能够测量作用在测试样品上的所有力和力矩。在图示的实施例中，平衡系统大致用致动器190表示。

台秤10特别适用于测量在风道中的车辆或其它大型测试样品上的力。在这种应用中，滚动通路带182由与挠曲部件170相连接的中间框架184支撑。滚动通路带182支撑车辆轮胎。在一些实施例中，单个通路带可用于车辆的所有轮胎。台秤10和滚动通路带组件182位于凹坑中，并安装到可转动机构186上以允许测试将有选择地相对于风道中的风向而转动的例如车辆的样品。

已经参考几个实施例描述了本发明。前面详细的说明和例子仅仅是为了解释清楚而给出的。本领域的技术人员将会认识到：在不脱离本发明的保护范围和精神的情况下可做出许多修改。因此，本发明的保护范围不应该局限于这里所述的具体细节和结构，而是由所附的权利要求及其等同物限定。

Claims (20)

1.一种适用于在多个方向上传送力和力矩的台秤，所述台秤包括：

框形支架；和

与所述框形支架相连接的至少三个间隔开的转换器，每个转换器关于两个正交的传感轴线是灵敏的，其中所述至少三个间隔开的转换器合作以便提供表示相对于所述至少两个正交轴线的力和力矩的信号。

2.如权利要求1所述的台秤，其中所述框形支架包括第一周边框架和第二周边框架，其中所述至少三个间隔开的转换器包括将第一周边框架与第二周边框架相连接的四个间隔开的转换器。

3.如权利要求1所述的台秤，还包括第一组挠曲部件和第二组挠曲部件，所述第一组挠曲部件与第一周边框架连接且适于接合地面支架，所述第二组挠曲部件与第二周边框架连接且适于接合测试样品。

4.如权利要求3所述的台秤，其中所述第二组挠曲部件连接带框架，所述带框架适于接合带轮的测试样品。

5.如权利要求2所述的台秤，其中每个转换器包括与第二周边框架连接的传感器主体，和与第一周边框架连接的支架，所述传感器主体与所述支架连接，其中所述支架在柔量的轴线上是顺应的，其中所述柔量的轴线正交于每个转换器的传感轴线。

6.如权利要求5所述的台秤，其中所述支架包括两个挂钩对分，所述两个挂钩对分沿着柔量的轴线分布在传感器主体的相反侧。

7.如权利要求6所述的台秤，其中所述第一周边框架连接两个挂钩对分。

8.如权利要求5所述的台秤，其中所述支架包括单个挂钩，所述单个挂钩沿着柔量的轴线分布在传感器主体的一侧。

9.如权利要求2所述的台秤，其中所述第一和第二周边框架包括盒形梁。

10.如权利要求2所述的台秤，其中所述第一和第二周边框架相互嵌套。

11.如权利要求2所述的台秤，其中所述第一支架包括与转换器连接的加强框架。

12.如权利要求2所述的台秤，其中所述加强框架直接与第一周边框架连接。

13.一种转换器主体，包括：

支架；和

传感器主体，所述传感器主体沿着柔量的轴线连接支架，其中传感器主体适于关于两个正交传感轴线偏转，其中所述传感轴线与柔量的轴线相互正交。

14.如权利要求13所述的转换器主体，其中所述支架包括一对挂钩对分，所述一对挂钩对分沿着柔量的轴线分布在传感器主体的相反侧。

15.如权利要求13所述的转换器主体，其中所述传感器主体包括绕间隔开的中心毂分布的大致为刚性的周边部件，其中所述至少三个挠曲部件将周边部件连接到中心毂，其中所述挠曲部件绕中心毂以大致相等的角度间隔彼此间隔开。

16.如权利要求15所述的转换器主体，其中所述传感器主体包括四个挠曲部件。

17.如权利要求15所述的转换器主体，其中所述中心毂连接到所述支架。

18.如权利要求13所述的转换器主体，其中所述传感器主体适于容纳多个传感器。

19.如权利要求13所述的转换器主体，其中所述支架包括顺应部件，所述转换器主体进一步包括第二传感器主体，所述第二传感器主体沿着柔量的轴线设置在与所述第一传感器主体相对的顺应部件一侧。

20.一种适于用于测试样品的台秤，所述台秤包括：

在多个方向上传送测试样品的负荷的装置；和

用于通过沿着至少三个两两正交传感轴线传感而产生表示沿着至少两个正交轴线的负荷的信号的装置。

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