CN203595494U - 形变/力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种形变/力传感器，带有两个可彼此相对移动的固定部件，利用所述固定部件能探测形变，其中，所述固定部件与测量部件机械地连接，其特征在于，该机械连接机构具有框架，该框架可在固定部件的相对移动方向上弹性变形；还设置有两个传递杆，所述传递杆将测量部件夹在其间并与框架连接，从而框架的弹性变形作为负荷在相对移动的方向上通过本身可弹性变形的传递杆传递到测量部件上。测量部件优选被设计成振动弦线。由此得到构造简单的成本低廉的测量精度高的形变/力传感器。

Description

形变/力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种形变/力传感器，其带有两个可彼此相对移动的固定部件，利用所述固定部件能探测形变，其中，所述固定部件与测量部件机械地连接。术语“形变”在当前系指在工作中机器部件的弹性的或者也可以是塑性的变形。形变对于观察任何种类的钢结构或者非金属的建筑比如楼宇或桥梁的安全工作状态至关重要。此外，通过形变传感器可以检测在工作中当前作用的载荷，例如用于控制运动。形变传感器应用广泛，且已知有各种不同的设计，例如压力计、应变计或振弦式传感器。这种形变利用形变/力传感器例如通过在测量点之间的移动测得，由此对传感器施加力，该力是形变的量度。相应地，本实用新型的传感器也可以例如在天平中用作纯粹的力传感器。 

背景技术

视构造设计而定，传感器具有各种不同的与测量精度、允许的工作温度或漂移安全性有关的缺点，其中制造成本也很重要。压力计的测量精度通常较小，应变计适宜与温度相关，且具有使得横向负荷的测量信号出错的横向敏感性，其中，对错误的计算有问题。振弦式传感器往往构造繁琐，相应地制造昂贵，其中，弦线（Saite）的振动特性在产生谐振频率方面提出了特殊要求。 

实用新型内容

相应地，本实用新型的目的是，提出一种形变/力传感器，其结构简单、精度高且测量结果可靠性高。 

该目的通过一种形变/力传感器得以实现，其带有两个可彼此相对移动的固定部件，利用所述固定部件能探测形变，其中，所述固定部件与测量部件机械地连接，其中，该形变/力传感器具有框架，该框架可在固定部件的相对移动方向上弹性变形；还设置有两个传递杆，所述传递杆将测量部件夹在其间并与框架连接，从而框架的弹性变形作为负荷在相对移动的方向上通过本身可弹性变形的传递杆传递到测量部件上。 

设置有框架，该框架可在待测量的形变的方向上弹性地变形，由此存在用于传感器组件的基本上稳固的平台，两个杆通过简单的方式在传递到框架上的实际形变与测量部件本身之间产生灵敏的力减小和行程缩短，于是通过行程和力的变化在很大程度上保护该测量部件免受有害的机械影响，因而可以将该测量部件设计用于精确的测量。 

除了所提出的目的外，测量部件还被设计成振动弦线，这有本已公知的测量精度高的优点，其中，在构造上简单地进而成本低廉地对振动弦线进行埋入。 

在本实用新型的形变/力传感器的优选实施方式中，通过流经振动弦线的电流的换向频率来检测振动弦线的在负荷下产生的谐振频率。 

附图说明

下面参照附图详述本实用新型。 

其中： 

图1示意性地示出本实用新型的形变/力传感器的结构；

图2示出本实用新型的形变/力传感器的结构的优选实施方式；

图3示出装备有振动弦线的图2的形变/力传感器的优选实施方式；

图4以根据图5的箭头B的观察方向示意性地示出在图2-4中所示的、这里完全装备的形变/力传感器；

图5示出图2-4的工作中的形变/力传感器；

图6示出本实用新型的例如带有应变计的形变/力传感器的另一实施方式。

具体实施方式

图1示意性地示出本实用新型的形变/力传感器1的结构，其带有在此为矩形的框架2和在此被构造成固定支架3、4的固定部件，这些固定部件作用在框架2的横梁5、6上，且本身通过其固定点7、8固定在构件9上，要测量该构件的形变。所述固定可以通过简单的拧紧或者通过简单的夹紧以任何方式进行。 

传感器1原则上适当地安置在构件8上，使得该构件的形变沿双箭头10的方向起作用。如果还要测量横向于该方向的形变，则可以在构件8上沿横向方向安置第二传感器，于是可以通过电子激振器轻易地算得实际形变。下面在不考虑相应构件9的特性或要测量的形变方向的情况下介绍本实用新型的传感器的结构。如上所述，根据图1的本实用新型的传感器1被用作形变传感器，但如果要确定在测量点7、8之间起作用的力，则也可以用作力传感器。 

框架2还具有两个纵梁11、12，这些纵梁与两个横梁5、6形成矩形结构。在该图上面的横梁5上安置有两个传递杆13、14，这些传递杆在此平行于纵梁11、12延伸到框架2的内部，并将测量部件15夹在其间。 

如果构件9的形变致使固定点7、8之间的间距缩小，框架2就会弹性地压缩，其中，纵梁11、12（还有固定支架3、4）以对此足够的近似方式保持刚性，而横梁5、6朝向框架2内部弯曲。由此使得传递杆13、14略微倾斜，结果，对测量部件15施加了拉力。如果测量部件本身是刚性的，例如对于振动弦线来说就是这种情况，则传递杆13、14也会弹性弯曲。也可行的是，测量构件9的致使固定点7、8之间的间距增大的形变。如果在固定点7、8施加有要确定的力，框架2就会以同样的方式弹性地变形，从而测量部件按照该力受到负荷，因而传感器1被用作力传感器。为明了起见，在下面的实施例中始终都针对要测量的形变，但不局限于此。 

在该图中用虚线示出横梁5、6和传递杆13、14的因构件9的压力形变引起的示范性的弹性的形变状态。在此，5′、6′和13′、14′表示弹性弯曲的横梁或弹性弯曲的传递杆。双箭头16表示在形变压力下和在该压力减载之后横梁5的移动。双箭头17表示在形变压力下和在该压力减载之后传递杆13、14的底脚区域18的相应的摆动。 

这种布置方式提供的优点是，构件9的形变完全传递到横梁5、6上，并传递至倾斜的杆13、14，进而传递到测量部件15上。在此示出，形变直接由固定点7、8机械地传递至测量部件15，由此避免了因形变/力传感器1的其它部分引起的难以利用电子激振器检测的形变行程错误。由于横梁5和传递杆13、14的相对布置，由此实现了较短的行程，以及实现了从外部作用到传感器1上的形变力的力变化。所述行程特别是因可弹性变形的传递杆13、14而缩短，所述力因横梁5和传递杆13、14的造型和相对布置而减小。 

换句话说，介绍了一种形变/力传感器，其带有两个可彼此相对移动的固定部件，利用这些固定部件能探测形变，其中，这些固定部件与测量部件15机械地连接，该机械连接机构具有框架2，该框架可在固定部件的相对移动方向上弹性变形，还设置有两个传递杆13、14，这些传递杆将测量部件15夹在其间，并与框架连接，从而框架的弹性变形作为负荷在相对移动的方向上通过本身可弹性变形的传递杆13、14传递到测量部件上。 

图2示出本实用新型的形变/力传感器的结构22的优选实施方式，其带有框架23、该框架的横梁24、25及其纵梁26、27。也示出了两个传递杆28、29，这些传递杆可以利用其底脚30、31设置在（上面的）横梁24上，并利用其端头32、33将测量部件15（图1）夹在其间。还可看到被构造成固定支架34、35的固定部件，它们的固定区域具有被构造成横杆的压力承受器36、37以及在此被构造成孔眼的拉力承受器38、39。 

换句话说，框架23基本上为矩形结构，其中，固定部件（在该图中为：固定支架34、35）分别作用在彼此对置的矩形侧边24、25之一上，其中，一个固定部件作用在矩形侧边24、25上，传递杆28、29利用其底脚30、31分别一体地与该矩形侧边朝向其两侧整体地连接，并利用其相应的端头32、33将测量部件15夹在其间。 

横梁24、25略微弯曲，其突出的侧边朝向框架23的内部。这种设计改善了横梁24、25在双箭头16的方向上（图1）的弯曲特性。替代于所示的实施方式，根据本实用新型，横梁也可以例如为v形，于是其尖端彼此相向，其中，每个固定部件都一体地与向外朝向的切口的底部连接。 

传递杆28、29优选为S形，由此也改善了其弯曲特性，特别是当设置有刚性的测量部件15（图1）时，其在工作载荷情况下的延展（在此为基本上与构件9的形变行程垂直的横向延展）比较小，从而必定相应程度地消除压力承受器36、37与端头32、33之间的因传递杆28、29的相应弯曲（类似于图1的弯曲线13′、14′）而产生的行程变化。对用于行程缩短以及力减小的弯曲特性而言，传递杆28、29上的两个迂回部33、34和35、36是有利的，由此实现的传递杆28、29的增加的长度也是有利的。根据框架23的设计和传递杆28、29在该框架上的固定之处，本领域技术人员可以针对具体情况最佳地设计装置造型。 

在该图中，端头32、33被设计用于夹紧特别是测量部件的振动弦线，对此也参见图3。在端头32、33的内侧面上设置有用于夹紧振动弦线或测量部件15的另一机构的夹紧区域41、42（图1）。当在端头外侧面上的两个区段43、44叉开时即可实现夹紧，参见在该图中针对夹紧情况示出的箭头。在夹紧区域与处于端头32、33外侧面上的区段之间的范围在此用作（弹性的）活节。 

图3示出根据图2的实施方式，但装备有测量部件15的振动弦线（图1）。可以看到带有传递杆28、29的框架23以及振动弦线45，该振动弦线位于带有北极N和南极S的磁性部件46的区域中，为明了起见，该磁性部件在该图中仅用虚线示出。在传递杆28、29的每个端头32、33上设置有夹紧机构，该夹紧机构在此分别由两个夹紧销47、48构成，这些夹紧销利用相应端头32、33上的夹紧压力把振动弦线41固定。夹紧压力的产生方式为，夹紧销47、48被插入它们之中的振动弦线41彼此压开。此外，还分别利用夹紧销49、50产生附加的夹紧压力，所述夹紧销使得在每个端头32、33的外侧面上的区段43、44叉开。 

夹紧销47、48由绝缘体例如硬塑料或陶瓷构成， 或者由合适的晶体构成，以便使得在工作中导电的振动弦线41相对于框架23绝缘。相应地设置有电接头51、52，以便能使得电流流经振动弦线。带有传递杆28、29的框架23优选由铝构成。 

图4以根据图5的箭头B的观察方向示出根据本实用新型的、完全装备的、即在此设有电子激振器的形变/力传感器60。可以看到框架23的上面的横梁24以及上面的压力承受器36。 

在所示实施方式中，电子激振器位于印制电路板55上，且具有用于外部电源56的接头（也可以设置有用于自主工作的电池）、通过外部电源供电的用于振动弦线45的电流线路57、电路58和数据线59，在电路58中产生的数据可以借助所述数据线向外输出，且例如输送给合适的外部的数据处理单元或显示单元。为明了起见，省去了位于印制电路板55上的印制导线，这些印制导线使得设置在印制电路板55上的电子器件和外部电源（或电池）56可靠工作地相互连接。 

磁性部件46具有狭长的带北极与南极的磁铁60和平行于该磁铁布置的狭长的优选被构造成软铁棒的磁性体61，磁铁和磁性体在它们的部分长度范围内将振动弦线45夹在其间。由此，振动弦线45在工作中在部分长度范围内处于磁场内，该磁场由磁铁60和磁性体61形成，且包围由磁铁60产生的磁力线。磁铁60优选是无电源的永磁铁，但根据本实用新型，也可以对该磁铁进行励磁，于是可以设置用于电流线路57的电流导体62。 

电流导线63把振动弦线45与电流线路57连接起来，该电流线路本身经过设计，使得能对在此由电流导线63和振动弦线45构成的电流回路进行供电，且能根据方向信号使得电流方向换向。方向信号在电路58中产生，且取决于在移动的振动弦线中由于磁场而感应出的电阻。 

电路58优选具有惠斯登桥、用于方向信号的信号发生器和用于频率信号的频率数据产生器，该频率信号相应于所产生的方向信号的频率。 

惠斯登桥经过设计，从而振动弦线45的电阻是未知的电阻，振动弦线45的在工作中确定的电阻值可以传送给信号发生器。信号发生器又根据振动弦线45的电阻值产生用于电流线路57的方向信号，如上所述，该电流线路使得在电流导线63和振动弦线45中的电流方向换向。 

频率数据产生器确定方向信号，并持续地确定其当前的频率，且优选被设计用于产生5V的TTL信号，该信号相应于方向信号的当前频率，且可以通过数据线59输出。方向信号的当前频率相应于通过传递杆27、28（图3）引到振动弦线45上的工作载荷，进而相应于构件9的形变（图1），参见有关图5的说明。 

如上所述，电子激振器的全部必需的电流导线都布置在印制电路板55上，且为明了起见，在图中未示出。同样省去了电子器件的结构，比如电路58的组件惠斯登桥、信号发生器和频率数据产生器。上述实施方式具有一个带有简单的电子电路的印制电路板，作为替代，本领域技术人员也可以设置一个设有处理器的智能电子机构，该电子机构实施上述功能（在振动弦线中产生电流/测量在振动弦线中感应出的电阻/根据感应出电阻使得电流方向换向/产生与电流方向的换向频率相应的频率信号，等等）。 

最后，该图还示出间隔套筒63，它既与框架23拧紧，又与印制电路板55拧紧，并使得它们彼此定位。同样为明了起见，省去了包套，该包套包围由（装备的）框架23与（装备的）印制电路板55构成的机构，并保护它们免受在工作中产生的污染和机械作用。 

图5所示为形变/力传感器60的剖面图，该剖切面穿过振动弦线45且平行于框架23的平面。形变/力传感器60处于工作中。可以看到位于被构造成软铁棒的磁性体61和在此被切去的磁铁60之间的磁力线，其形式为磁场向量65和66，根据图3的对北极N和南极S的布置情况，磁场向量65离开观察者穿过图面，而磁场向量66朝向观察者穿过图面。 

按照信号发生器的近来的方向信号，在振动弦线45中有电流流动，这用电流向量I表示，结果，根据向量方程F=I×B，在磁场向量65（由磁铁60的北极产生，参见图4）的范围内，对振动弦线65施加一个向上的力，而在磁场向量66（由磁铁60的南极产生，参见图4）的范围内，施加一个向下的力。这些力已在振动弦线45中产生图中所示的偏转，除了电流I和磁场B外，特别是振动弦线45的偏压也关乎并相应地限定所述偏转。在振动弦线45移动至其通过限定而给定的终端位置期间，磁场在振动弦线45中感应出电阻，该电阻与振动弦线的移动速度有关，且可以由电路58（图4）的惠斯登桥确定。在振动弦线45的终端位置，感应出电阻经过最大值后变为零，这引起电路58上的信号发生器产生方向信号，电流线路57根据该方向信号使得电流方向换向，致使作用到振动弦线45上的力换向，也就是说，在磁场向量65的范围内产生一个向下的力，而在磁场向量66的范围内产生一个向上的力。振动弦线45的相应移动也导致在其中感应出的电阻，该电阻通过惠斯登桥来确定，且在到达相应的终端位置之后又变为零，从而信号发生器又触发方向信号，且电流线路57又使得电流方向换向。这重复地进行，结果，方向信号以与振动弦线45的如此产生的振动相应的频率出现。当然，也可以设计电路58，从而例如借助流动的电流I或者以另一合适的方式产生方向信号。适当地计量本领域技术人员可通过试验轻易地确定的上述参数，就可使得振动弦线45经过短暂的激振之后处于谐振中。 

振动弦线45的谐振频率与其偏压、其长度及其质量有关。除了偏压外，所有参数都是已知的，从而可以由所确定的振动频率轻易地算得其偏压。本领域技术人员知道相应的方程，且可以轻易地在电路58中或者在外部计算机中对这些方程进行编程，于是可以由通过数据线59向外输出的频率信号（方向信号的频率）算得振动弦线的当前工作负荷，进而算得作用到形变/力传感器上的形变。 

电路58优选仅设有用于惠斯登桥、信号发生器和频率数据产生器的电子的电路组件，且仅装备有类似的有源的和无源的部件。 

总之，在所示优选实施方式中，测量部件15（图1）具有导电的振动弦线45，该振动弦线可靠工作地利用其端部固定在传递杆28、29的端头32、33上，还至少存在磁性部件和电子激振器，磁性部件在工作中在振动弦线45的局部长度范围内产生磁场，电子激振器被设计用于在工作中在振动弦线45内产生交流电流，且被设计用于产生与该交流电流的当前频率相应的信号，该交流电流的电流方向I根据在振动弦线45中感应出的电阻换向。 

在此，振动弦线分别借助夹紧机构固定在传递杆28、29的端头32、33上，该夹紧机构使得振动弦线45夹紧在相应的传递杆28、29上，并相对于所述传递杆电绝缘。 

最后，电子激振器被设计用于给振动弦线45所在的电流回路供电，且被设计用于根据方向信号使得电流方向I换向。 

在此，电子激振器具有惠斯登桥，该惠斯登桥经过设计，从而产生在振动弦线45内感应出的电阻作为该桥中的未知电阻，还设置有用于方向信号的信号发生器，该信号发生器在超过未知电阻的最大值之后产生方向信号。 

同样设置有频率数据产生器，其被设计用于确定方向信号的当前频率并为此产生当前的频率信号。 

图6示出本实用新型的形变/力传感器70的另一实施方式，其中，测量部件15（图1）在此具有应变计71。本已公知的应变计71位于基板72上，该基板通过保持件73夹紧在改型的传递杆74、75上。带有传递杆74、75的形变/力传感器的框架23与根据图2-5的实施方式类似地构造。这种布置方式的优点是，应变计不会遭受构件9（图1）的横向形变，也就是说，通过框架23和传递杆74、75产生夹紧，这导致应变计71的相关测量结果无误。由此可以实现特别成本低廉的高测量精度的形变/力传感器。 

在此还要指出，固定部件可以具有由如下材料构成的部分，即这种材料具有与框架不同的强度或不同的热膨胀系数。所述固定部件由此可以例如由与构件9（图1）相同的材料构成，从而在固定部件很长的情况下不会因狭长的固定部件相对于构件9的热膨胀致使测得的形变出错。 

Claims (12)

1.一种形变/力传感器，带有两个可彼此相对移动的固定部件，利用所述固定部件能探测形变，其中，所述固定部件与测量部件（15）机械地连接，其特征在于，该形变/力传感器具有框架（2），该框架可在固定部件的相对移动方向上弹性变形；还设置有两个传递杆（13、14），所述传递杆将测量部件（15）夹在其间并与框架（2、23）连接，从而框架（2、23）的弹性变形作为负荷在相对移动的方向上通过本身可弹性变形的传递杆（13、14、28、29）传递到测量部件（15）上。

2.如权利要求1所述的形变/力传感器，其中，框架（2、23）为矩形结构，所述固定部件分别作用在彼此对置的矩形侧边上，其中，传递杆（13、14、28、29）的底脚（18）朝向一个固定部件的两侧分别一体地与矩形侧边整体地连接，所述传递杆利用端头（32、33）将测量部件（15）夹在其间，所述固定部件作用在该矩形侧边上。

3.如权利要求1所述的形变/力传感器，其中，传递杆（28、29）S形地弯曲。

4.如权利要求1所述的形变/力传感器，其中，框架具有两个对置的带V形横梁的侧边，所述横梁的尖端彼此相向，其中，每个固定部件都一体地与所述横梁的向外朝向的切口的底部连接。

5.如权利要求1所述的形变/力传感器，其中，测量部件具有导电的振动弦线（45），该振动弦线可靠工作地利用其端部固定在传递杆（28、29）的端头（32、33）上，其中，还至少存在磁性部件和电子激振器，其中，磁性部件在工作中沿着振动弦线（45）的局部长度产生磁场，电子激振器被设计用于在工作中在振动弦线（45）内产生交流电流，且被设计用于产生与该交流电流的当前频率相应的信号，该交流电流的电流方向I根据在振动弦线（45）中感应出的电阻换向。

6.如权利要求5所述的形变/力传感器，其中，振动弦线分别借助夹紧机构固定在传递杆（28、29）的端头（32、33）上，该夹紧机构使得振动弦线（45）夹紧在相应的传递杆（28、29）上并相对于所述传递杆电绝缘。

7.如权利要求5所述的形变/力传感器，其中，磁性部件具有狭长的带北极与南极的磁铁（60）和平行于该磁铁布置的狭长的磁性体（61），磁铁和磁性体将振动弦线（45）的局部长度夹在其间。

8.如权利要求5所述的形变/力传感器，其中，电子激振器被设计用于给振动弦线（45）所在的电流回路供电，且被设计用于根据方向信号使得电流方向I换向。

9.如权利要求5所述的形变/力传感器，其中，电子激振器具有惠斯登桥，该惠斯登桥经过设计，从而在振动弦线（45）内感应出的电阻是该桥中的未知电阻，其中，还设置有用于方向信号的信号发生器，该信号发生器在超过所述振动弦线的电阻的最大值之后产生方向信号。

10.如权利要求9所述的形变/力传感器，其中，在电子激振器中还设置有频率数据产生器，该频率数据产生器被设计用于确定方向信号的当前频率并为此产生当前的频率信号。

11.如权利要求10所述的形变/力传感器，其中，频率数据产生器被设计用于输出当前的频率信号作为5伏特的TTL频率信号。

12.如权利要求1所述的形变/力传感器，其中，固定部件具有由如下材料构成的部分，即这种材料具有与框架（23）不同的强度或不同的热膨胀系数。

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