CN1926410B - 重量传感器 - Google Patents

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Abstract

一种应变计重量传感器，该应变计在一个由电绝缘材料制成的支撑物(2)上沉积成厚膜，该支撑物用于贴在一个主要弯曲应变的金属体(1)上。根据本发明，所述支撑物(2)是这样一种陶瓷材料的：该陶瓷材料具有的杨氏模量E2等于或小于应变金属体(1)的杨氏模量E1，所述支撑物(2)通过胶粘而被贴在应变金属体(1)上。

Description

重量传感器
技术领域
本发明涉及一种重量传感器，更具体地说，一种类型为使用电阻应变计来检测一个金属杆的变形的重量传感器。这种传感器可以很方便地用在体重磅秤、婴儿磅秤、家用秤类型的仪器中。
背景技术
称重仪器，例如体重磅秤，包括一个托盘(该托盘的上表面用于承受待称的重物)和一个或多个传感器，这些传感器一方面支撑着托盘，另一方面被支撑在一个底座上或被支撑在该仪器的底脚上。这一个或多个传感器包括一些连接到一个电子线路的应变测量仪，该电子线路能把各应变计所经受的变形转化成电信号，并将这些信号变换成与测得的重量相对应的数字值，然后该重量被该仪器显示出来。
从文档FR 2 587 484中了解到这样一种应变计传感器：各应变计及其连线被沉积于一个由陶瓷材料制成的、形如薄片的支撑物上。应变计就是通过丝印而贴在所述支撑物的一个表面上的电阻，该支撑物的另一面被固定在需要局部检测其应力或变形的机械元件上。这类传感器被称作厚膜技术传感器。可以用螺钉或铆钉、甚至用一层胶来将支撑物固定在该应变元件上，该应变元件的变形通过应变计的支撑物传递到该应变计。这种应变计支撑物很容易制造，并很容易被贴在应变元件上。但已经证实：固定的类型和支撑物的材料类型在很大程度上影响传感器测量值的精确度。
以申请人名义的文档FR 2 734 050描述了一种应用在称重仪器上的重量传感器。该传感器是扁平的，并包括一个挠性杆，在该挠性杆上粘贴着一个陶瓷材料支撑物。在中请人的应用中，通过丝印将应变计及其连线沉积在一个氧化铝的支撑物上。然后通过胶粘将支撑物镶嵌在传感器的杆上，该杆通常由钢制成。传感器的这种实施方式易于实施，但具有如下缺点：它使用的支撑物固然是很好的电气绝缘材料，然而具有一些大大衰减应变计电路所提供的电信号的机械属性。
在文档WO 99/22210中描述了用来测量机械偶的另一种厚膜技术应变计传感器。用一种电绝缘膜将一种电阻膏和一些导电带贴到一个构成机械应变元件的钢制支撑物上。电绝缘膜是一种以玻璃配料为原料的膏剂，首先，通过印刷技术将这种膏剂涂在应变支撑物上，然后，通过丝印将各应变计以及其连线贴到所述绝缘膜上。如此制备而成的整体在大约750°至900℃的温度下被焙烧，绝缘层被与支撑物的上表面烧结。这种实施技术具有多种缺点，主要的缺点就是必须在沉积应变计及其连线的操作过程中操作应变元件，这就产生了不可忽视的制造和流程组织方面的限制。此外，考虑到很高的烧结温度，必须选择不会随温度丧失其机械属性的金属支撑物材料。
发明内容
本发明的目的就是至少部分地弥补这些缺点，并且，提出一种包括一个金属杆的重量传感器，该金属杆包括一些在绝缘支撑物上沉积成厚膜的应变计，该支撑物具有改进了的机械属性，能够对施加到传感器上的同一应力提供更大的信号。
本发明的另一目的是一种包括一个金属体的重量传感器，该金属体包括一些在绝缘支撑物上沉积成厚膜的应变计。该应变计易于操作，可以被贴到几乎任何类型的金属体上，在提高了灵敏度的同时，就该金属体的材料和/或其形状和尺寸而言也没有任何限制。
本发明的另一目的是一种易于工业化的重量传感器，该传感器不仅运行可靠，而且适合于以更低的制造成本进行大批量制造。
这些目的由这样一种应变计重量传感器来实现：该应变计在一个由电绝缘材料构成的支撑物上沉积成厚膜，该支撑物用于被贴在一个主要弯曲应变金属体上；这些目的由这样一种应变计重量传感器来实现是因为：所述支撑物是一种具有与应变金属体相等或比之更小的杨氏模量的材料的，并且，所述支撑物通过胶粘而贴在该应变金属体上。
主要弯曲应变金属体指的是重量传感器的试验体，该试验体的一端作为固定到仪器机壳的固定装置，另一端承受加载在托盘上的载荷。这种试验体经受一种主要的弯曲应变，该弯曲应变在加载在托盘上的待称重物的作用下产生，而由于重物在托盘上的加载点远离传感器，一些寄生转矩，例如扭矩，也可能介入。
电绝缘材料的支撑物指的是由陶瓷材料制成的、基本平整的薄板或薄片，可以例如通过丝印将应变计的电阻电路的各部分沉积在这个薄板或薄片上，该支撑物足够坚硬，可以握住和操作，以便转移到机械应变件上而不会被撕裂或遭受永久变形。这就容许实施电阻电路沉积和在高温下分离试验体或应变件进行焙烧的精细操作，该应变件通常形状复杂、尺寸较大，镶嵌在所述支撑物上，因而难以纳入自动化制造流程中。因此在大批量制造的自动化沉积过程中可以同时处理多个支撑物，然后各个支撑物可以相互分离，并通过胶粘而被镶嵌在想要测量其应力或变形的金属体上。在这种实施中，通过胶粘来固定尤其有利，良好校准的中间胶层起着将应力从应变件向应变计的支撑物传递的作用。
可以将主要弯曲应变的金属体比作被埋了一端的梁，该梁的另一端承受一个载荷，而该载荷的值要用传感器来测量。这种梁的变形幅度依赖于加载的载荷的值及其截面惯性。在一个坚硬支撑物或薄板(比梁体更不易变形)与梁的一面固定在一起的情况下，整体的变形幅度更小。因此，在实验室中进行的实验中，已经观察到：在承受同一载荷时，覆盖有氧化铝薄板(杨氏模量340GPa)的钢杆(具有210GPa的杨氏模量)比该杆单独、没有薄板时变形更小。这就对传感器所接收到的信号的衰减、从而对传感器的灵敏度有直接的影响。
不过，对于本发明的传感器，已经观察到：对于杨氏模量等于或低于梁的金属体的杨氏模量的支撑物或薄板，计算得的传感器斜率非常接近在实验室中进行的实验中所测得的斜率，正如下文中将要解释的那样。
有利的是，所述金属体的截面为矩形，厚度低于或等于15mm。
在实验室进行的实验中，已经表明：传感器的信号损失随支撑物和金属体的杨氏模量的比值E2/E1增加，并随金属体的截面惯性的增加而减小。因此，对于一个15mmx15mm的正方形截面的试验体，信号损失相对于计算得的理想值非常小，但是，对于在其上贴着一个具有高杨氏模量的陶瓷支撑物的厚度更小的试验体而言，这种信号损失就扩大了。
有利的是，所述试验体由钢制成，这种材料由于其机械对抗性和弹性而被选中。
根据本发明的一个第一实施方式，所述支撑物从包括如下材料的集合中选出：氧化锆、氧化钇、堇青石、块滑石的陶瓷材料。
氧化锆陶瓷材料具有杨氏模量210GPa，即比氧化铝的低30％，从而限制了对传感器灵敏度的有害影响。此外，氧化锆陶瓷材料比氧化铝的更不易碎，因此可以更容易被操作。另外，线性膨胀系数也比氧化铝的更大，从而限制了中间胶层中的应力。
其它象氧化钇和堇青石这样的陶瓷材料具有大约140GPa的杨氏模量，而块滑石具有120GPa的杨氏模量。由于具有比钢制试验体更小的杨氏模量，这些材料用作应变计的支撑物时就容许该支撑物提供真实的、未衰减的信号到测量电路，甚至对于小截面的试验体也是如此。
这种陶瓷材料的支撑物可以通过焙烧获得，形如标定厚度的板，然后这样的板被切割成所希望的尺寸。
根据本发明的一个第二实施方式，所述支撑物由一种在低温下共烧烧结的陶瓷制成。
有利的是，这种材料可以是DuPont的具有152GPa杨氏模量的951 Green
Figure B2005800067621D00041
类型的轧制带。这种陶瓷材料通常包含80％的氧化铝和20％的具有有机黏结料的陶瓷配料。这种陶瓷材料尤其适用于与小截面的试验体一起使用，而不降低传感器的灵敏度。
在用作应变计的支撑物时，这种在低温下共烧烧结的陶瓷可以经历第一个焙烧步骤，随后是一个第二操作，在这个第二操作中，该陶瓷被切割或预切割成支撑物的尺寸，在该支撑物上进行导电带和电阻带的丝印。在该丝印之后，在将该支撑物胶粘到试验体上之前，焙烧一次。在本发明的一种变型中，焙烧这种由共烧烧结陶瓷材料制成的带可以与焙烧沉积在所述带上的丝印膏同时进行。
有利的是，所述支撑物的厚度介于0.05与0.5mm之间。
支撑各应变计的电绝缘支撑物应该尽可能的薄，以便更好地传递试验体的变形，但同时，不仅在被粘贴到试验体上之前的操作中要易于操作，并且针对所采用的电压和针对各传感器所期望的寿命要具有有效的绝缘。
优先的是，本发明的重量传感器包括一个带应变计、杆状的试验体，所述杆的一端被连接在一个固定元件上，另一端被连接在一个加载载荷的元件上，在这种情况下，该试验体按S形弯曲成对称双悬臂。
通过把各应变计放置在安装成双悬臂的变形试验体的因梁的双弯曲而产生的曲率半径为最小的区域，可以因此获得被放大了的信号，更易于以后由仪器的电路处理。
有利的是，本发明的重量传感器形如包括一个框形或U形的固定元件的金属板，该固定元件的底部中间连接在一个试验体的第一端，该试验体延伸到该固定元件的内部，该试验体的相反的一端连接在U形的载荷承受元件上，该载荷承受元件对称于该试验体伸展，其臂平行于该试验体，并朝向该试验体的所述第一端。
这种传感器容许制作既非常精确、运行可靠，又外形很薄的称重仪器。
一个电子称重仪器可以包括至少一个本发明的重量传感器。有利的是，这种仪器可以配备四个传感器和缩减了截面的试验体，而同时保证良好的测量精度。
附图说明
阅读了各绝非限制性的、用附图说明的实施方式后，将更好地理解本发明，在这些附图中：
-图1a示意性地描绘了根据现有技术的传感器的纵截面；
-图1b是图1a的传感器的横截面；
-图1c是图1b所描绘的截面变换后的理论截面；
-图2是应用了本发明的特征的传感器的一个实例的透视图；
-图3是图2的传感器的试验体的横剖图；
-图4是一个曲线图，绘制了对于应变计的支撑物的各种材料，重量传感器的灵敏度随试验体的截面惯性变化的曲线。
具体实施方式
图1中用一个一端被埋的对称复合梁来表示一个主要弯曲应力传感器，可以将载荷加载在自由端。该复合梁由两种不同材料构成：钢件1和贴在件1上部的氧化铝支撑物2。该支撑物2是通过胶粘而贴上的，可以假定在支撑物2与件1之间没有滑动，以便可以应用简单梁的理论，根据该理论，纵向纤维的伸长和收缩与其距中轴线的距离成正比。在图1b中，可以看到宽b高a的件1截面和宽b厚ej的支撑物2截面。在图1c中，描绘了图1b的截面的变换，氧化铝的弹性模量E2大于钢的弹性模量E1，从弯曲的角度而言，这等效于一个宽得多的、宽b1厚ej的钢夹层。如果想要让内力的阻力矩对于一个给定的曲率保持不变，该夹层的厚度b1应该是这样的：b1＝b＊E2/E1。
图2是装配在一个体重磅秤上的重量传感器的透视图，在文档FR 2 734 050中以申请人名义描述了这种体重磅秤。该传感器包括一个固定元件3，固定到仪器的承受重物的托盘上，更具体地说，该托盘形如一个框3a。该框3a通过一个杆或试验体1连接在一个U形的加载载荷的元件4上。当向与元件4的试验体1平行的两个相对的臂4a、4b上加载载荷时，安装成双悬臂的试验体1以对称S形变形。带有应变计6的支撑物2被贴在件1上，占据件1的全部或部分长度，以便件1的变形通过支撑物2被传递到应变计。各应变计6被定位于件1的最大变形区域，以便赋予传感器更高的灵敏度。
图3绘制了图2的传感器的试验体1的横截面，其中由陶瓷材料制成的支撑物2通过一层胶5而被贴在试验体1上。事先采用电阻膏与导电胶分别丝印的技术将应变计6和保证其与仪器的电路连接的导电带7贴在支撑物2上。
就这种作为实例而被描述的传感器而言，两个连接成半桥的应变计6贴在试验体1上。下面的公式给出了这种传感器的理论的或计算得的斜率：
理论斜率＝3＊k＊d/2＊E＊b＊a2
其中：
k是电阻应变计系数，该系数是所用电阻膏的类型的函数(在这种情况下等于10)；
d是各应变计的中心距；
E是试验体1的杨氏模量(对于钢制试验体等于210GPa)；
b是试验体1的宽度；及
a是试验体1的高度。
该理论斜率对应于传感器的理想特性，没有考虑支撑物2所带来的刚性。
图4通过曲线图说明了传感器的斜率或灵敏度随其试验体的截面惯性的变化。因而，曲线1表示所描述类型的传感器的理论斜率。曲线B、C、D表示所描述类型的传感器在其支撑物2采用各种不同材料时所测得的真实斜率。曲线B是一个采用氧化铝支撑物2的、根据现有技术的传感器的真实曲线。
更具体地说，根据本发明，支撑物2由一种具有等于或低于试验体1的杨氏模量的杨氏模量的材料(在这种情况下，在钢制试验体1上的一种低温下共烧烧结的陶瓷材料(称作LTCC)或一种氧化锆陶瓷)制成。
因此，曲线D是一个根据本发明的传感器的真实曲线，该传感器包括一个由低温下共烧烧结陶瓷材料或LTCC制成的支撑物。
曲线C是一个根据本发明的传感器的真实曲线，该传感器采用氧化锆陶瓷材料作为支撑物2的材料。
从图4中明显地得出结论：通过合理地选择支撑物的材料，尤其是其弹性，大大改进了传感器的灵敏度，这一点对具有小截面惯性的试验体越发明显。
通过对比图4的曲线A和曲线B，我们注意到：对于小截面的试验体，得到了最大误差；而对于截面更大的试验体，误差就非常小。因此，考虑一个包括固定在一个15mmx15mm正方形截面、由钢制成的试验体上的支撑物2的重量传感器(例如单传感器体重磅秤中所使用的那种)，信号损失大约为0.13％。对一种家用磅秤进行了测量，该家用磅秤采用同一种氧化铝支撑物和10mmx3.5mm的钢制试验体矩形截面，信号损失是20.1％。而对一个四传感器家用磅秤(该传感器的同样为钢制的、矩形的试验体的截面为8mmx1.2mm，应变计的支撑物也是氧化铝制成的)所进行的同样的测量却确定了一个59.4％的信号损失。
我们认为可以以以下方式解释本发明，即重新考虑图1c，其中，试验体1单独的截面惯性为：
Izz＝b＊a3/12，及
Iyy＝a＊b3/12
考虑到从试验体1的重心到支撑物2的重心之间的距离大约等于试验体1的宽度的一半，即a/2，新增部分的截面惯性为：
Izz＝b1＊ej 3/12+b1ej＊a2/4，及
Iyy＝ej＊b1 3/12
因此，复合梁的修正后的截面惯性为：
Izz(总)＝ba3/12+b1＊ej 3/12+b1ej＊a2/4，及
Iyy(总)＝a＊b3/12+ej＊b1 3/12
根据前面这些公式看来，支撑物的材料的杨氏模量E2相对于E1越小，其对复合梁的截面惯性的影响就越小。这些理论上的理由正是本发明的传感器的实施的出发点。
因此，对于采用钢制试验体1(在该试验体上通过胶粘而贴有一个氧化锆陶瓷的(曲线C)或低温下共烧烧结陶瓷或LTCC的(曲线D)支撑物2)的传感器，在图4中观察到：该传感器的真实特性(真实斜率)符合将传感器灵敏度与试验体截面惯性相联系的理论曲线。在最不利的缩减截面的试验体情况下(其截面尺寸为8mmx1.2mm)，对于这些种类的支撑物，所得到的误差非常小，对于曲线D确定在最大18.2％，对于曲线C确定在最大26％。
制造这种重量传感器包括如下步骤。第一步在于获得传感器的金属试验体(例如根据图2显示的外形，例如通过冲压或通过在模具中切割金属平板)。与此同时，将以相当大的尺寸的薄片形状出现的、烧结而成的陶瓷材料支撑物(该支撑物为氧化锆、氧化钇、堇青石、或块滑石烧结的陶瓷材料或者已经焙烧过的LTCC)预先切割成单个传感器的支撑物的尺寸。丝印的一个第一操作就在于通过涂导电膏(例如由银制成)而贴上导电带。在该丝印之后便是大约850℃的焙烧。丝印的一个第二步骤在于将电阻膏(例如带有金属微粒的陶瓷配料)涂在陶瓷支撑物上，然后是第二次850℃的焙烧。如此获得的预先切割的坯件然后被切割，并通过胶粘而被镶嵌在传感器的试验体上。胶例如是一种在200-250℃交联的环氧胶。该胶层的厚度被很好地标定，以便降低当试验体重新降到室温时的剪应力，以便能够将来自试验体的应力传递给陶瓷支撑物，从而传递给应变计。胶层的标定厚度还容许获得传感器的良好的滞后和良好的归零。
可以在不超出权利要求的范围的情况下考虑根据本发明的重量传感器的其它变形和实施方式。
因此，在一种变型中，可以把一个由LTCC类型的陶瓷材料制成的轧制带用作绝缘支撑物，在该轧制带上用丝印技术在焙烧陶瓷之前实施沉积。然后对支撑物以及沉积在所述支撑物上的、通过丝印的带整体进行大约850℃的焙烧。由此获得的整体有时候可能要经过一个附加的丝印步骤，然后通过胶粘而被贴在试验体上。
在另一种变型中，可以先将未经焙烧的LTCC带粘在试验体上，然后再进行丝印和对整体进行焙烧。

Claims (9)

1.一种重量传感器，包括应变计，所述应变计以厚膜的形式沉积在由电绝缘材料制成的支撑物(2)上，然后所述支撑物被施加在主要受弯曲应变的金属体(1)上，所述支撑物(2)是基本平整的薄板或薄片，并且足够坚硬以便能够被握住或操作转移到所述金属体(1)上而不会被撕裂或遭受永久变形，所述支撑物(2)是通过粘合而被贴在应变的金属体(1)上的，所述重量传感器的特征在于：所述支撑物(2)是由陶瓷材料制成的，该陶瓷材料具有等于或小于应变金属体(1)的杨氏模量E1的杨氏模量E2。
2.根据权利要求1的重量传感器，其特征在于：所述金属体(1)具有厚度小于或等于15mm的矩形截面。
3.根据权利要求1或2的重量传感器，其特征在于：所述金属体(1)由钢制成。
4.根据权利要求1或2的重量传感器，其特征在于：所述支撑物(2)是氧化锆、氧化钇、堇青石或块滑石陶瓷。
5.根据权利要求1或2的重量传感器，其特征在于：所述支撑物(2)由低温共烧陶瓷材料制成。
6.根据权利要求1或2的重量传感器，其特征在于：所述支撑物(2)的厚度介于0.05和0.5mm之间。
7.根据权利要求1或2的重量传感器，其特征在于：所述金属体(1)为杆形，所述金属体(1)的一端被连接到一个固定元件(3)上，另一端被连接到一个加载载荷的元件(4)上，在这种情况下，所述金属体(1)以对称双悬臂形式按S形弯曲。
8.根据权利要求7的重量传感器，其特征在于：它以包括一个框形(3a)或U形的固定元件(3)的金属板形式实现，所述固定元件的底部中间连接在所述金属体(1)的第一端，所述金属体(1)延伸到所述固定元件(3)的内部，所述金属体(1)的相反一端连接到U形的载荷承受元件(4)上，所述载荷承受元件(4)对称于所述金属体(1)延伸，所述载荷承受元件(4)的臂(4a、4b)平行于所述金属体(1)，并朝向该金属体(1)的所速第一端。
9.一种包括至少一个根据前述任一权利要求所述的传感器的电子称重仪器。
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