CN202158916U - 用于检测形变的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种测量装置，该装置包括可与所要测量的值产生相应形变的金属体，具有金属载体和以金属薄层技术在其上面构成欧姆电阻的传感元件，该传感元件与该金属体通过焊接连接，并产生与金属体的形变相应的、可以电计值的信号。用于连接金属体和传感元件的焊缝完全包围金属载体的圆周。金属体在与金属载体的焊接连接上具有完全由焊缝渗透的材料厚度t。利用测量装置测量的值包括力、压力、温度、扭矩或者它们的组合。

Description

用于检测形变的测量装置
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、扭矩或它们的组合。在该测量装置上，所要测量的值作用于金属体，借助欧姆电阻形变产生的改变电检测金属体的形变。 
背景技术
例如DE 10 2006 004 285 A1公开了一种按照这种原理工作分类的测量装置。连接板形的金属体中间具有装入罐形传感元件的孔。在传感元件表面上具有带有电阻应变片并通过玻璃层绝缘安装的传感器电路，该传感器电路作为具有电阻的惠斯登电桥电路以金属薄层技术构成。传感元件沿其圆周在连接板形金属体的上和下侧面与金属体焊接。在这种情况下，焊缝各自一部分继续延伸到金属体的材料厚度内。 
这种焊接在焊缝底部的区域内会产生材料应力，对测量的精确度产生不利影响或者降低使用寿命。此外，传感元件需要从连接板形金属体的两面焊接，这样或者增加工件的操作开支，或者提高加工的仪器制造费用。 
德国专利申请DE 195 27 687 A1此外公开了一种传感器，其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的这种位置上，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，据称能够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这种改变，因为例如像老化、材料疲劳、腐蚀等同样涉及到两个电桥。 
实用新型内容
从最近出现的现有技术出发，本实用新型的目的在于，提供一种测量装置，该测量装置制造简单并在使用寿命长的情况下能提供高的测量精确度。 
本实用新型的目的利用一种具有以下技术特征的测量装置得以实现。且本实用新型的优选构成在下文中予以说明。 
依据本实用新型的测量装置具有可与所要测量的值产生相应形变的金属体。根据金属体的设计和使用，金属体内会出现具有不同测量原因的弯曲力、拉力、压力、扭矩或者还有热膨胀。因此所要测量的值可以是金属体形变的直接或者间接原因，从而金属 体的形变与其原因(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。 
测量装置此外包括传感元件，该传感元件具有金属载体和以金属薄层技术在其上构成的欧姆电阻，该传感元件与金属体通过焊接连接，并且该传感元件产生与金属体的形变相应的、可以电计值的信号。电阻值随着形变改变的欧姆电阻以电阻应变片的方式得到广泛应用。在本案例中，电阻以公知的金属薄层技术在传感元件上构成并与其固定连接。这种技术的优点是，电阻在几乎原子状态的平面上与传感器的金属载体连接，从而可靠避免电阻与(金属)载体分离时造成的蠕变效应。 
在焊接的状态下，焊缝完全包围传感器的金属载体以及金属体在与金属载体的焊接连接上具有完全由焊缝渗透的材料厚度t。按照这种方式，金属体与金属载体之间的连接可以仅从金属体的一面出发产生，从而不需要翻转金属体，重新定位然后进行第二次焊接。 
此外，依据本实用新型的测量装置的优点是，焊缝内金属体的全部材料熔化而形成焊缝，从而可以明显降低焊缝底部上的残余应力。传感器的金属载体与金属体之间在焊接期间形成仅液体的区域，该区域现在通过金属体的材料厚度可以均匀凝固。 
按照这种方式，传感元件在金属载体中夹紧，从而可以以高精确度和长使用寿命方式正确地检测形变。 
金属体的材料厚度t优选在0.2-1.2mm的范围内。传感元件的金属载体同样优选具有5-15mm的外径。 
在一种具有优点的构成中，金属载体在其圆周上具有法兰，其材料厚度在焊接部位的区域内基本上等于金属体的材料厚度，也就是t，其中，焊缝为对接焊缝。作为选择，金属载体为罐形，法兰通过罐壁上加工的圆周槽被轴向限制。 
鉴于欧姆电阻被物理设置在传感元件上，特别需要列举以下具有优点的构成：传感元件的电阻相互错接而形成至少两个惠斯登全电桥。每个惠斯登电桥在传感元件上具有四个或者五个用于连接计值单元的电连接面。惠斯登电桥的至少两个电阻通过两个串联的电阻形成，它们之间具有各自一个电接线，可以向其施加可改变的电阻，以调整电桥电压的零点。这种可改变的电阻有选择地与惠斯登电桥连接，以便有针对性地失调电桥。因此达到可以将失调电桥的信号有针对性地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时具有优点的是，每个电桥的电阻各自成对，彼此以直角设置在传感元件上，并且单个电桥彼此相对以不同定向设置。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检测彼此垂直的形变。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°角定向的形变。 
在具有优点的构成中也可以具有两个以上的电桥，这样例如两个电桥彼此相对以90°偏移定向设置，和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。形变的检测因此可以相应进行。 
附图说明
下面参照附图借助优选实施例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所示的本实用新型的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；以及 
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。 
具体实施方式
图1以剖面示出传感元件10，其安装在金属体2内。传感元件10在其圆周上具有罐形构成的金属载体1及车削环形槽E，从而形成法兰段3，其借助焊缝4与金属体2连接。可变形的金属体2具有该示意剖面图中未示出的基本上连接板形的造型，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标注并在0.2-1.2mm的范围内。传感元件10的罐形金属载体1构成所提到的法兰3，其轴向厚度与可变形金属体2的材料厚度t大致相当。正如从图1清楚看出，焊缝4这样产生，使其在金属体2的厚度方向上渗透金属载体的全部材料。车削环形槽E在此方面确保借助激光束焊接时发出的热量在金属载体1内不再传导，从而焊缝 4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中罐形金属载体1左侧的封面上。 
在图2所示本实用新型的一种可选择构成中，金属体2内装入传感元件10，其同样构成借助焊缝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的实施例类似，在这里法兰3的材料厚度也与可形变金属体2的材料厚度相配合，从而二者大致具有材料厚度t。在该实施例中，材料厚度t也可以在0.2到1.2mm之间。 
图2进一步示出传感元件1的传感器5，其安装在图2中罐形金属载体1的左侧封面上。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的法兰段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的形变均得到优化。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。距离h在t的尺寸范围内，特别是可以在0.2-2mm范围内。 
图3示出惠斯登电桥电路中欧姆电阻的举例设置，该电路作为传感元件10的金属载体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使用并以彼此不同的定向构成，正如后面将参照图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，而电阻对DE和CF则同样彼此直角设置。为达到正方形的设置，电阻对DE平行于电阻B设置和电阻对CF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以公知的方式与电连接面11、12、13、14、15、16连接。分接头设置在串联电阻D、E或C、F之间。电桥电路在连接点13与16之间分支，而电连接面12和14则可以用于调谐电桥。 
图4示出依据图4左侧上所示的已经详细介绍过的图3的惠斯登电桥电路进行的线路布置。虚点线左侧的电桥电路安装在传感器上，而图4中该虚点线的右侧则示意示出外部的电路。向此前所称的电阻A-H附加电阻J、I和K。K为可以调整的电阻。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之间具有分连接点12′，其可以通过开关a与电阻K的一个末端连接，该电阻在其另一个末端上与连接面12和电阻I连接。电阻K用于电桥有针对性的失调。 
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，可检查计值单元的可靠性，而与电桥本身内的电阻变化无关。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。 
作为对上面结构的附加，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类似功能。这样例如电阻E和F是平衡电阻，为平衡电桥，可以借助激光微调装置对它们进行固定调整。与电桥的供电部分连接的电阻G和H形成传感体和金属体2的材料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。 
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。一组电阻各自采用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。电阻以薄层技术安装，并借助玻璃与载体材料(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，各自电桥的单个电阻对AC、A′C′；BD、B′D′彼此垂直，其中，两个电桥的各自两个电阻对AC、A′C′和BD、B′D′彼此平行设置。按照这种方式，可与其90°彼此偏移的方向相应直接测量形变或者形变分量。 
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具有完全相同的设置。图6右侧的电桥中，电阻A′、B′、C′、D′虽然彼此以直角设置，但与第一电桥的电阻对AC、BD相对以45°角设置。按照这种方式，一个电桥在x和y方向上，而另一个电桥则在分别与其以45°偏移的方向上直接测量形变。 
在图7中，相同类型的电桥也采用彼此垂直的电阻对AC、BD、A′C′、B′D′构成，但这些电阻相对于传感器的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y方向成45°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，设置成与x-y方向垂直，并设置在与主轴线x、y方向以45°偏移设置的电桥之间。按照这种方式，可进行与x-y方向相关45°的冗余测量和在x和y方向上的附加测量。 

Claims (17)

1.一种测量装置，包括
金属体(2)，所述金属体(2)可产生与所要测量的值相应的形变，
传感元件(10)，所述传感元件(10)具有金属载体(1)和以金属薄层技术在其上面构成的欧姆电阻(5)，所述传感元件(10)与所述金属体(2)通过焊接连接，并且该传感元件产生与金属体(2)的形变相应的、可以电计值的信号，其特征在于：
焊缝(4)完全包围所述金属载体(1)的圆周，以及
所述金属体(2)在与所述金属载体(1)的焊接连接上具有完全由所述焊缝(4)渗透的材料厚度t。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所要测量的值包括力、温度、扭矩或者它们的组合。
3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所要测量的力包括压力。
4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述材料厚度t在0.2-1.2mm的范围内。
5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述金属载体(1)在其圆周上具有法兰(3)，所述法兰(3)的材料厚度基本上等于t，其中，所述焊缝(4)为对接焊缝。
6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述金属载体(1)为罐形，并且所述法兰(3)通过罐壁上加工的圆周槽(E)被轴向限制。
7.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述传感元件(10)的所述金属载体(1)具有5-15mm的外径。
8.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述传感元件(10)的电阻(A、B、C、D)相互错接而形成至少一个惠斯登全电桥，并提供与所述传感元件(10)的伸长成比例的信号。
9.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述传感元件(10)的电阻(A、B、C、D；A′、B′、C′、D′)相互错接而形成至少两个惠斯登全电桥，并提供与所述传感元件(10)的伸长成比例的信号。
10.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，每个所述惠斯登电桥在所述传感元件(10)上具有四个或五个用于连接计值单元的电连接面(11、13、15、16)。
11.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述惠斯登电桥的至少两个 电阻通过两个串联的电阻对(DE、CF)形成，它们之间各自具有一个电连接面(12、14)，可以向其施加可改变的电阻K，以便有针对性地失调所述惠斯登电桥。
12.如权利要求11所述的测量装置，其特征在于，用于失调所述惠斯登电桥的所述信号被输送到借助所述信号自动检查设计的所述计值单元。
13.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，每个惠斯登电桥(AC、BD；A′C′、B′D′)的电阻各自成对，彼此以直角设置在所述传感元件(10)上，并且只要具有一个以上的所述惠斯登电桥(ABCD、A′B′C′D′)，则单个所述惠斯登电桥彼此相对不同定向设置。
14.如权利要求13所述的测量装置，其特征在于，具有两个彼此相对以90°偏移定向设置的所述惠斯登电桥(ABCD、A′B′C′D′)。
15.如权利要求13所述的测量装置，其特征在于，具有两个彼此相对以45°偏移定向设置的所述惠斯登电桥(ABCD、A′B′C′D′)。
16.如权利要求13所述的测量装置，其特征在于，具有两个彼此相对以90°偏移定向设置的所述惠斯登电桥(ABCD、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°偏移定向设置的所述惠斯登电桥(A″B″C″D″)。
17.如权利要求13所述的测量装置，其特征在于，具有两个电桥对(ABCD、A′B′C′D′)，所述电桥对具有彼此相对以90°偏移定向设置的电桥，其中，两个所述电桥对彼此相对以45°偏移定向设置。 
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