CN202024769U - 具有失调电阻的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于测量物理值的测量装置，具有惠斯登电桥，该电桥内至少一个电桥电阻包括至少一个对变形敏感的欧姆测量电阻，其与变形相应产生可以电计值的信号。此外，该测量装置还具有失调电阻，可与惠斯登电桥内的至少一个电阻有选择地间接或者直接并联。该电桥还具有对变形不敏感的电阻，其与电桥电阻内对变形敏感的测量电阻串联。失调电阻通过开关与惠斯登电桥连接，从而可以接通和断开电桥的失调。

Description

具有失调电阻的测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种测量装置，用于检测物理值如力、压力、温度、扭矩或者它们的组合。在该测量装置上，所要测量的值以任意方式作用于金属的膜片，借助欧姆电阻变形而产生的改变来电检测金属膜片的变形。 
背景技术
DE 195 27 687 A1公开了一种传感器，具有安装在测量膜片上的薄层电阻，该薄层电阻以两个惠斯登电桥的方式设置在测量膜片上，即一个电桥的两个电阻设置在承受负荷膜片的受压区域内，而其他电阻则设置在承受负荷膜片的伸长区域内。按照这种方式，据称可以识别整体上对冗余测量电桥设置产生不利影响的改变，但仅通过两个电桥的比较并不能识别，因为，例如像老化、材料疲劳、腐蚀等同样涉及到两个电桥。 
此外，图9示出惠斯登电桥的一种传统设置，其装配有可接通的失调电阻。如果接通该公知的失调电阻，那么从电桥对其电桥电阻上这种电阻变化的反应中可以得知电桥的状态，从而可以识别电桥由于老化、材料疲劳、腐蚀等造成的变化。但这种设置需要失调电阻，其一般情况下处于电桥电阻约上千倍的范围内，其电阻通过测量目的和结构例如作为DMS预先规定。如果需要相应的精密度和使用寿命的话，高欧姆电阻是昂贵的部件。 
发明内容
从现有技术出发，本实用新型的目的在于，提供一种测量装置，该测量装置可以以简单手段提供可靠的高测量精确度。 
依据本实用新型的用于测量物理值的测量装置具有至少一个惠斯登电桥，该电桥内至少一个电桥电阻包括至少一个对变形敏感的欧姆测量电阻，其与变形相应产生可以电计值的信号。 
一个惠斯登电桥具有包括各自两个电桥电阻的分压器，也就是四个电桥电阻，它们组成一个H电路或者电桥电路，其中，中间分接点上与两个分压器连接的导线称为电桥分支。电桥电阻在本文中以及权利要求中指的是两个分接点之间分压器的这种电阻元件。 
依据本实用新型的测量装置，还具有与惠斯登电桥连接的计值单元。失调电阻与 惠斯登电桥内的至少一个电阻(电桥电阻可以包括多个电阻)有选择地间接或者直接并联。本实用新型还具有对变形不敏感的电阻，其与电桥电阻内对变形敏感的测量电阻串联。 
对变形不敏感的电阻和可接通的失调电阻可以为低欧姆的，也就是说，处于约20-200欧姆的范围内。这些部件长时间和温度稳定、物美价廉并作为市场上常见的标准部件也可以获得很高的精确度。 
此外发现，依据本实用新型的测量装置对不希望的影响不敏感，例如噪声和污染物以及温度变化，污染物会沉积在测量装置表面上的分接点或者接触点之间并形成不希望的电流电路。 
优选测量装置内一个惠斯登电桥的至少两个电桥电阻各自由两个串联的电阻形成，它们之间具有电接线，可以向其施加失调电阻。按照这种方式，可以失调电桥电路的零点。 
实际上失调电阻通过开关与惠斯登电桥连接，从而电桥可以简单失调。 
测量装置可以具有多个对变形敏感的欧姆测量电阻，它们相互错接而形成至少两个惠斯登全电桥，其中，一个电桥的至少一个电阻可以有选择地安装失调电阻。 
优选测量装置由可变形的膜片及以金属薄层技术在其上面构成的电阻形成。 
依据本实用新型的测量装置可以具有与所要测量的值相应变形的膜片。根据膜片的设计和使用，会有不同测量原因的弯曲力、拉力、压力、扭矩或者还有热膨胀作用于膜片。所要测量的值因此可以是膜片变形的直接或者间接原因，从而膜片的变形与其原因(也就是所要测量的值)之间存在相关性并根据所要测量的值得出结论。 
优选对变形敏感的欧姆测量电阻以金属薄层技术在膜片上构成，并与膜片的变形相应改变其数值。电阻随着变形改变的这种电阻以电阻应变片DMS的方式得到广泛应用。以金属薄层技术在膜片上构成的电阻，由于该方法造成在具有金属的几乎原子状态的平面上非常固定地与膜片连接。电阻与(金属)载体分离时造成的蠕变效应由此得到可靠避免。为产生测量装置与其外部电路依据目的的连接，优选每个惠斯登电桥在膜片上具有四个或者五个用于连接计值单元的电连接面。计值单元最好这样设计，使其可以借助失调电桥的信号自动检查。也就是说，所述失调电桥的信号可以输送到借助该信号自动检查设计的计值单元。 
在设置多个惠斯登电桥方面具有优点的是，每个电桥的电阻各自成对彼此以直角设置和单个电桥彼此相对不同定向设置。如果电桥彼此相对以90°偏移定向设置，那么原则上可以直接测量相互垂直的变形。如果具有两个彼此相对以45°偏移定向设置的电桥，那么这种考虑适用于以45°角定向的变形。 
正如此前已经提到的那样，在上面详细介绍的电路中可以使用低欧姆的标准电阻，其特征在于，它们温度稳定、对噪声不敏感并对污染物或对寄生的影响不敏感。 
在依据本实用新型的测量装置中，也可以利用稳定的低欧姆电阻为高欧姆的测量电阻检查跃迁，也就是有针对性的失调。 
在具有优点的构成中也可以具有两个以上的电桥，例如两个电桥彼此相对以90°偏移定向设置，另一个电桥相对于两个彼此垂直设置的电桥以45°偏移定向设置。也可以设置具有两个电桥对的电桥，它们具有彼此相对以90°偏移定向设置的电桥，其中，两个电桥对彼此相对以45°偏移定向设置。变形的检测因此可以相应进行。 
附图说明
下面参照示意图借助优选实施方式对本实用新型进行详细说明。其中： 
图1示出焊接在金属体内的本实用新型的传感元件的第一实施例的剖面图； 
图2示出焊接在金属体内的本实用新型的传感元件的第二实施例的剖面图； 
图3示出本实用新型可以使用的惠斯登电桥电路； 
图4示出图3所示的本实用新型可以使用的电桥电路的外部线路布置； 
图5示出本实用新型的传感元件上可以使用的两个惠斯登电桥电路的一种举例设置； 
图6示出本实用新型的传感元件上可以使用的两个惠斯登电桥电路的另一种举例设置； 
图7示出本实用新型的传感元件上可以使用的两个惠斯登电桥电路的另一种举例设置； 
图8示出本实用新型的传感元件上可以使用的三个惠斯登电桥电路的一种举例设置；以及 
图9示出现有技术中具有失调电阻的惠斯登电桥电路。 
具体实施方式
图1示出传感元件10的剖面图，该传感元件被安装在金属体2内。传感元件10在其圆周上具有罐形构成的金属载体1及膜片，车削的环形槽E以及进而形成的法兰3，该法兰借助焊缝4与金属体2连接。可变形的金属体2具有基本上为连接板形的造型(未 图示)，该造型内加工出里面装入传感元件10的孔。可变形金属体2的材料厚度或者板厚度在图1的图示中采用t标注，并处于0.2-1.2mm的范围内。传感元件10的罐形金属载体1上构成的所提到的法兰3，其轴向厚度大致相当于可变形金属体2的材料厚度t。正如从图1清楚看出的那样，焊缝4这样产生，使其在金属体2的厚度方向上完全渗透金属载体的材料。此时，车削的环形槽E确保在使用激光射束焊接时所发出的热量在金属载体1内基本不传导，从而使得焊缝4在空间上和热上与传感元件10的传感器5(未示出)分离，该传感器安装在图1中的罐形金属载体1左侧的封面上。在该实施例中介绍了一种拉力连接板的构成；但这种拉力连接板同样也可以是其他测量系统元件，例如像测量轴或者类似元件。 
在图2所示本实用新型的一种可选择的构成中，金属体2内装入传感元件10，其同样具有借助焊缝4与周围金属体2连接的法兰3。与图1结构的区别在于，在这里法兰3作为传感元件10的罐形金属载体1的径向延伸段构成。与图1的实施方式类似，在这里法兰3的材料厚度也与可变形金属体2的材料厚度相匹配，从而二者大致具有材料厚度t。在该实施例中，材料厚度t也可以处于0.2到1.2mm之间。图2此外示出传感元件1的传感器5，其安装在图2中的罐形金属载体1封面左侧上。具有传感器5的封面与金属体2的靠近表面或金属载体1的法兰3的靠近表面以距离h设置。该距离h这样选择，使无论是电子计值装置的安装还是用于检测可变形金属体2的变形均得到优化。在该实施例中，焊缝4在厚度方向上也完全通过金属体2延伸。 
图3示出惠斯登电桥电路中对变形敏感的和对变形不敏感的欧姆电阻的设置，该电路作为传感元件10金属载体1上的传感器5以薄层技术构成。需要提及的是，该电桥电路也可以在同一传感元件上多重并以彼此不同的定向构成，正如后面还要参照图5-8详细介绍的那样。 
图3示出具有总计六个电阻A、B、C、D、E、F的惠斯登电桥。电阻A和B彼此直角安装，而电阻组D、E和C、F则同样彼此直角设置。为达到正方形的设置，电阻组D、E平行于电阻B设置，电阻组C、F平行于电阻A设置。图3所示的其他电阻G、H用于温度补偿。所示的电阻A-H以公知的方式与连接点11、12、13、14、15、16连接。分接头12和14设置在串联电阻D、E或C、F之间。电桥电路在接点13与16之间分支，而连接面12和14则可以用于失调电桥。至少一个电阻C或者D是对变形敏感的欧姆测量电阻，而电阻E或F则是对变形不敏感的欧姆电阻，它们与其所分配的电阻D或C形成各自的电桥电阻串联。 
图4示出图4左侧上所示依据图3的惠斯登电桥电路已经详细介绍过的线路布置。 图4中，虚点线左侧的电桥电路安装在传感器上，而该虚点线的右侧则示意示出外部的电路。除此前所称的电阻A-H之外还包括电阻J、I和K。K为可以调整的电阻或者失调电阻。电阻I和J彼此串联并与电阻E和F并联。两个电阻I与J之间具有分接头12′，其可以通过开关a与电阻K的一端连接，该电阻K在其另一端上与连接点12和电阻I连接。 
在本实施例中，通过开关a，电阻I和K的并联电路可以顺序与电阻J中断或者断开，从而仅电阻I和J相互串联并与电阻E和F并联错接。称为电桥有针对性失调的这种措施在与适当的计值单元的共同作用下，现在可以用于对单个部件对这种信号变化的应答进行如下计值，从而可以测定这些部件的正常功能状态或者误动作。换句话说，通过这种有针对性的失调电桥，可与电桥本身内的电阻变化无关检查计值单元的可靠性。即使电桥方面存在错误的测量，但在电桥不失调和失调情况下，信号的差别仍是可以使电子计值装置进行这种分析的足够准确确定的信号值。此外，然后可以从检查结果中得出测量电桥的状态。 
作为对上面结构的补充，在这里需要指出的是，电桥内或者还有计值单元内可以具有其他电阻，它们可以承担如温度补偿或者这类功能，这样例如电阻E和F是平衡电阻，它们可以借助激光微调装置为平衡电桥进行固定调整。与电桥的供电部分连接的电阻G和H形成E组件温度历程的补偿电阻，也就是说，它们用于补偿传感器的温度关系。 
特别是电阻E、F、I、J和/或者K可以是低欧姆电阻(约20-200欧姆)，而电阻A、B、C和/或者D则可以是高欧姆电阻。在四分之一电桥中，仅一个电桥电阻对变形敏感；在半桥中，两个电桥电阻对变形敏感，以及在全桥中所有四个电桥电阻均对变形敏感。 
图5、6、7和8分别示出传感元件的封面以及安装在其上面的电阻的示意俯视图。这些附图仅示出单个电桥内部电阻的基本设置和定向。电阻组各自采用A、B、C、D、A′、B′、C′、D′或者A″、B″、C″、D″标注。不言而喻，所有这些电桥可与图3和图4的上述结构相应构成，并因此也具有其全部电阻或相应构成的计值单元以及匹配的接线小型化。电阻以薄膜技术安装，并通过玻璃绝缘与载体材料(金属载体)绝缘。 
图5示出电桥的所谓x和y方向设置，也就是说，电桥的单个电阻对AC、A′C′对应与BD、B′D′彼此垂直，其中，两个电桥的两个电桥对AC、A′C′；BD、B′D′彼此平行设置。按照这种方式，可以其90°彼此偏移的方向相应直接测量变形或者分量。 
图6涉及一种设置，其中左侧电桥的电桥电阻A、B、C、D与图5左侧电桥的电阻A、B、C、D完全相同设置。图6右侧的电桥中，电阻A′、B′、C′、D′虽然彼此以直角 设置，但相对第一电桥的电阻对AC、BD以45°角设置。按照这种方式，一个电桥在x和y方向上，而另一个电桥则在与其各自以45°偏移的方向上直接测量变形。 
在图7中，相同类型的电桥也采用彼此垂直对AC、BD、A′C′、B′D′的电阻构成，但这些电阻与传感器的x-y方向均以45°偏移设置，也就是说，电阻A和B平行于电阻D′和C′设置，以及电阻A′和B′平行于电阻C和D设置。这样可以在相对于x和y45°的方向上进行冗余测量。 
图8最后提供具有第三惠斯登电桥的另一种变化，该电桥从图7的设计出发，设置在与x-y方向垂直与主轴线x、y以45°设置的电桥之间。按照这种方式，可与x-y方向相关45°冗余测量和在x和y方向上附加测量。 

Claims (12)

1.用于测量物理值的测量装置，具有
至少一个惠斯登电桥，该电桥内至少一个电桥电阻包括至少一个对变形敏感的欧姆测量电阻(A、B、C、D)，其与变形相应产生可以电计值的信号，
与所述惠斯登电桥连接的计值单元，和
失调电阻(K)，
其特征在于，所述的测量装置还具有对变形不敏感的电阻(E、F)，其与电桥电阻内对变形敏感的测量电阻(A、B、C、D)串联；所述失调电阻(K)与所述惠斯登电桥内的至少一个电阻(A、B、C、D、E、F)有选择地间接或者直接并联。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，一个所述惠斯登电桥的至少两个电桥电阻各自由两个串联的电阻(D、E、C、F)形成，在串联的电阻之间具有电接线(12、14)，可以向其施加失调电阻(K)，以便失调电桥电路的零点。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述失调电阻(K)通过开关(a)与所述惠斯登电桥连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置具有多个对变形敏感的欧姆测量电阻(A、B、C、D、A′、B′、C′、D′)，它们相互错接而形成至少两个惠斯登全电桥，其中，一个电桥的至少一个电阻可以有选择地安装失调电阻(K)。
5.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置由可变形的膜片及以金属薄层技术在其上面构成的电阻形成。
6.根据前述权利要求5所述的测量装置，其特征在于，每个惠斯登电桥(A、B、C、D)在膜片上具有四个或者五个用于连接计值单元的电连接面(11、13、15、16或12、14、15、16)。
7.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其特征在于，所述失调电桥的信号可以输送到借助该信号自动检查设计的计值单元。
8.根据权利要求1、2或3所述的测量装置，其特征在于，每个所述电桥(A、C、B、D；A′、C′、B′、D′)的电桥电阻各自成对彼此以直角设置。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，具有两个彼此相对以90°偏移定向设置的电桥(A、B、C、D、A′、B′、C′、D′)。
10.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，具有两个彼此相对以45°偏移定向设置的电桥(A、B、C、D、A′、B′、C′、D′)。
11.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，具有两个彼此相对以90°偏 移定向设置的电桥(A、B、C、D、A″、B″、C″、D″)以及具有另一个相对于两个彼此垂直设置的电桥以45°偏移定向设置的电桥(A′、B′、C′、D′)。
12.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，具有两个电桥对，它们具有彼此相对以90°偏移定向设置的电桥，其中，两个电桥对彼此相对以45°偏移定向设置。 
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