SE470290B

SE470290B - Multicomponent load sensor intended to measure up to three orthogonal force components and three orthogonal torque components

Info

Publication number: SE470290B
Application number: SE9201566A
Authority: SE
Inventors: T Haeggblom
Original assignee: Flygtekniska Foersoeksanstalte
Priority date: 1992-05-19
Filing date: 1992-05-19
Publication date: 1994-01-10
Also published as: SE9201566L; SE9201566D0

Abstract

The present invention relates to a multicomponent load sensor intended in particular for measuring in load situations where a first force component is considerably smaller than at least one other force component. This problem is solved according to the invention in that, in addition to in a known manner a first part 1 and a second part 2 and, between these, one or more measuring zones 3 of known type with measuring elements 6 which measure said force component or force components, it comprises another measuring zone in the first part of second part, which comprises a diaphragm 9 which is at right angles to the direction of the first force component and measuring elements 10, 11 for the first force component. <IMAGE>

Description

470 290 iastgivare, fig 2a och 2b visar motsvarande vyer av det principieiia utförandet av en första utföringsform av upp- finningen, fig 3a och 3b visar motsvarande vyer av det principieiia utförandet av en andra utföringsform av uppfin- ningen och fig 4a och 4b visar motsvarande vyer av det principieiia utförandet av en tredje utföringsform av upp- finningen. 470 290, Figs. 2a and 2b show corresponding views of the principle embodiment of a first embodiment of the invention, Figs. 3a and 3b show corresponding views of the principle embodiment of a second embodiment of the invention and Figs. 4a and 4b show corresponding views of the principal embodiment of a third embodiment of the invention.

Den kända iastgivaren eniigt figur la och lb innefattar en första dei 1 och en andra dei 2 och en mätzon 3 meiian dessa. Det är i andra tiiiämpningar tidigare känt att använda fiera mâtzoner för detta ända- ' mâi. Den första deien spänns in i ett fundament för iastgivaren. För detta ändamâi kan den första deien 1 vara utformad med oiika, i och för sig kända, fastsättningsanordningar eiier aiternativt med spår, håi, avfasningar ei dyi som är avpassade för en fastsättningsanordning pâ fundamentet.The known sensor according to Figures 1a and 1b comprises a first day 1 and a second day 2 and a measuring zone 3 with these. In other applications it is previously known to use several measuring zones for this purpose. The first dough is clamped into a foundation for the icing. For this purpose, the first part 1 can be formed with different, per se known, fastening devices or alternatively with grooves, holes, chamfers and the like which are adapted for a fastening device on the foundation.

Pâ den andra deien 2 är den iastpunkt 5 beiägen, i viiken aktueiia iaster, dvs. krafter och moment, påiäggs. De oiika krafterna och momenten överförs tiii deien 2 med någon typ av överföringsorgan som påiägger krafterna och momenten. Det finns oiika kända utföranden på detta organ som är omedeibart användbara för fackmannen på området.On the second day 2, the iastpunkt 5 is beiägen, in viiken aktueiia iaster, ie. forces and moments, are applied. The different forces and moments are transmitted to the part 2 by some type of transmission means which apply the forces and moments. There are various known embodiments of this device which are immediately useful to those skilled in the art.

Mätzonen 3 meiian den första 1 och den andra 2 deien omfattar på känt sätt mäteiement 6 i form av baikar eiier piattor utrustade med töj- ningsgivare 7. T-kraften och m- och n-momenten ger upphov tiii hop- tryckning och föriängning av mäteiementen 6 under det att N- och C- krafterna och i-momentet ger upphov tiii S-böjning av dem. Denna iastgivare uppvisar det tidigare nämnda probiemet, nämiigen att det antingen är svårt att få en tiiiräckiig signai i T-ied eiier så är risken stor att mäteiementen inte motstår beiastningen i andra riktningar, främst N-ied.The measuring zone 3 with the first 1 and the second 2 comprises in a known manner measuring elements 6 in the form of baikers and plates equipped with strain gauges 7. The t-force and the m- and n-moments give rise to compression and narrowing of the measuring elements. 6 while the N and C forces and the i-moment give rise to S-bending of them. This sensor has the aforementioned problem, namely that it is either difficult to obtain a sufficient signal in the T-direction, so there is a great risk that the measuring elements do not withstand the load in other directions, mainly the N-direction.

Det är också känt, exempeivis genom de sista sidorna av beskrivningen tiii det europeiska patentet 0171123, att i stäiiet för töjningar mäta (l (b 470 290 förskjutningar. Man använder då exempeivis piezoeiektriska, kapacitiva eiier induktiva givare. När utföringsformer av uppfinningen i det föijande beskrivs kommer undantagsiöst töjningsgivare att användas.It is also known, for example from the last pages of the description of the European patent 0171123, to measure displacements (1 (b 470 290) displacements in the position of strains). Piezoelectric, capacitive or inductive sensors are then used, for example. described, exceptionally strain gauges will be used.

Mot bakgrund av den kända tekniken är det underförstått att fackmannen kan utbyta dessa mot förskjutningsgivare utan att uppfinningsidén frångås.In the light of the prior art, it is understood that the person skilled in the art can exchange these for displacement sensors without departing from the inventive idea.

Figurerna 2a och 2b visar en första utföringsform av den förbättrade 1astgivaren'en1igt uppfinningen. Man använder då en andra mätzon spe- cieiit utförd att vara känsiig i T-ied men samtidigt utförd att kunna motstå stora iaster i N-, C- och 1-ied. Detta sker genom att man för- binder en centrai dei 4 av deien 2, vilken innefattar iastpunkten 5, med en periferieii kantdei 8 med hjäip av ett membran 9 som är vinkei- rätt mot T-riktningen. Ett membran uppvisar just de önskade egenskap- erna att vara eftergiviig i sin normairiktning (här T-ied) och stabiit i riktningar i pianet (här N-, C- och 1-ied). För moment runt axiar i membranets plan (här gir- och tippmomenten m resp n) är membranet eftergiviigt. ' Membranet 9 kan i en första utföringsform vara heit och ha isotropa egenskaper i pianet. I många 1astfa11 krävs också kraftigare ekerfor- made mäteiement 10 melian den centraia deien 4 med iastpunkten 5 och den periferieiia deien 8. Dessa ekrar utgör S-böjeiement, Ekrarna 10 kan antingen vara integrerade med membranet eiler utgöra separata, med membranet para11e11a, mäteiement, beiägna på endera sidan av membranet eiier på ömse sidor om det.Figures 2a and 2b show a first embodiment of the improved sensor according to the invention. A second measuring zone is then used specifically designed to be sensitive in the T-ied but at the same time designed to be able to withstand large loads in the N-, C- and 1-ied. This is done by connecting a center 4 of the day 2, which comprises the icing point 5, to a peripheral edge day 8 with the aid of a membrane 9 which is perpendicular to the T-direction. A diaphragm has exactly the desired properties to be compliant in its normal direction (here T-ied) and stable in directions in the piano (here N-, C- and 1-ied). For moments around axes in the plane of the diaphragm (here the turning and tipping moments m and n, respectively), the diaphragm is resilient. The membrane 9 may in a first embodiment be hot and have isotropic properties in the piano. In many cases, more powerful spoke-shaped measuring elements 10 are also required between the central part 4 with the loading point 5 and the peripheral part 8. These spokes form S-bend elements. The spokes 10 can either be integrated with the membrane or form separate, with the membrane para11e11a, measuring elements. owned on either side of the membrane eiier on either side of it.

För att det deis skaii vara iättare att framstäiia den önskade formen på mäteiementen 10, deis skaii vara iättare att anbringa töjnings- givare på dessa, kan membranet 9 vara genombrutet i närheten av de ekerformade mäteiementen, exempeivis såsom visat i figurerna 2a och 2b.In order that it may be easier to produce the desired shape of the measuring elements 10, that it may be easier to apply strain gauges thereon, the membrane 9 may be perforated in the vicinity of the spoke-shaped measuring elements, for example as shown in Figures 2a and 2b.

I det fail man använder en krets med ekerformade mäteiement 10, integ- rerade med membranet 9 eiier piacerade invid detta, kan töjnings- givare för att mäta gir- och tippmomenten m och n vara piacerade på dessa mäteiement 10, eftersom membranet är eftergiviigt i dessa 470 290 riktningar. Man kan i detta fall också tänka sig mäta dessa moment på mätelementen 6 i den första mätzonen 3.In the failure to use a circuit with spoke-shaped measuring elements 10, integrated with the diaphragm 9 or spaced adjacent thereto, strain gauges for measuring the yaw and tipping moments m and n may be paced on these measuring elements 10, since the diaphragm is resilient in these 470 290 directions. In this case, it is also conceivable to measure these moments on the measuring elements 6 in the first measuring zone 3.

Det föregående fallet innebär att om såväl T-kraft som m- eller n-moment eller båda samtidigt påläggs kommer mätningen av T-kraften störas av att den centrala delen 4 med lastpunkten 5 kommer att få en vinkeländring i förhållande till den periferiella delen 8. Detta kan man förhindra genom att använda två (eller flera) kretsar av eker- formade mätelement 10 på visst avstånd från varandra i T-kraftens riktning. Av bl a tillverkningstekniska skäl är det naturligt att i första hand tänka sig mätelementen 10 anordnade parvis på olika avstånd från membranet 9 i T-led men i samma riktningar i plan tvärs denna riktning. Sådana par av ekerformade mätelement 10 hindrar att den centrala delen 4 med lastpunkten 5 intar ett annat vinkelläge än den periferiella delen 8 när gir- eller tippmoment m och n påläggs, vilket alltså medför en renodling av mätningen av T-kraften. I detta fall måste man mäta gir- och tippmomenten m och n med hjälp av mätelementen 6 i den första mätzonen 3.The previous case means that if both T-force and m- or n-torque or both are applied simultaneously, the measurement of the T-force will be disturbed by the central part 4 with the load point 5 having an angular change in relation to the peripheral part 8. This can be prevented by using two (or more) circuits of spoke-shaped measuring elements 10 at a certain distance from each other in the direction of the T-force. For reasons of manufacturing technology, among others, it is natural to think primarily of the measuring elements 10 arranged in pairs at different distances from the membrane 9 in the T-joint but in the same directions in planes across this direction. Such pairs of spoke-shaped measuring elements 10 prevent the central part 4 with the load point 5 from assuming a different angular position than the peripheral part 8 when turning or tipping moments m and n are applied, which thus results in a refinement of the measurement of the T-force. In this case, the turning and tipping moments m and n must be measured with the aid of the measuring elements 6 in the first measuring zone 3.

Figurerna 3a och 3b visar en andra utföringsform av den förbättrades lastgivaren enligt uppfinningen. Membranet 9 bildas i detta fall av en skåra från utsidan och en frân insidan i lastgivaren. I figuren an- vänds, i den andra mätzonen, mätelement i form av uttöjnings- /hoptryckningsmâtelement 11 i stället för de ekerformade S-böjelemen- ten 10 som visades i den första utföringsformen av uppfinningen.Figures 3a and 3b show a second embodiment of the improved load sensor according to the invention. The diaphragm 9 is in this case formed by a groove from the outside and one from the inside of the load sensor. In the figure, in the second measuring zone, measuring elements in the form of elongation / compression measuring elements 11 are used instead of the spoke-shaped S-bending elements 10 shown in the first embodiment of the invention.

Naturligtvis kan en lastgivare med ett membran enligt den andra utföringsformen förses med ekerformade S-böjelement enligt den första utföringsformen och vice versa.Of course, a load sensor with a diaphragm according to the second embodiment can be provided with spoke-shaped S-bend elements according to the first embodiment and vice versa.

Figurerna 4a och 4b visar en tredje utföringsform av den förbättrade lastgivaren enligt uppfinningen. Placeringen av den första och andra mätzonen är här förändrad. Den andra mätzonen är här placerad i den första delen 1. I övrigt liknar denna utföringsform mycket den första utföringsformen och den visas med motsvarande hänvisningsbeteckningar och är då omedelbart förståelig för fackmannen. Liksom den första ut- föringsformen kan den modifieras med ledning av den andra utförings- formen och i stället för S-böjelement 10 använda uttöjnings-/hoptryck- ningsmätelement i den andra-mätzonen.Figures 4a and 4b show a third embodiment of the improved load sensor according to the invention. The location of the first and second measurement zones has changed here. The second measuring zone is here located in the first part 1. Otherwise, this embodiment is very similar to the first embodiment and it is shown with corresponding reference numerals and is then immediately understandable to the person skilled in the art. Like the first embodiment, it can be modified in conjunction with the second embodiment and, instead of S-bending elements 10, elongation / compression measuring elements used in the second measuring zone.

Claims

479,290 Patent claims:

Four-component transducer intended to measure three orthogonal force components (N, C, T) and three orthogonal torque components (1, m, n), specially designed to measure at a first phase where a first force component (T) is substantially less than at least a second force component (N, C), comprising a first die (1) fixed in a foundation and a second die (2) comprising the load point (5) where the force, forces and moments are applied and between the first and the second part is a first measuring zone (3) of known type with measuring element (6) measuring the latter force component or force components as well as, if it is to be measured, the moment around the direction of the first force component (1), the first moment being characterized in that The first (1) or second part (2) comprises a second measuring zone comprising a diaphragm (9) which is perpendicular to the direction of the first force component and measuring elements (10, 11) for the first force component.

Four-component transducer according to claim 1, characterized in that the membrane (9) has the shape of a circular ring.

3. A component component sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the second measuring zone comprises displacement sensors.

Four-component sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring elements (10, 11) in the second measuring zone are provided with elongation sensors.

Four-component sensor according to claim 3 or 4, characterized in that the measuring elements (10) in the second measuring zone are radially directed S-bending elements, which are integrated with the membrane (9).

Four-component sensor according to claim 3 or 4, characterized in that the measuring elements (10) in the second measuring zone are radially directed S-bending elements, which are separated from the membrane (9).

Four-component sensor according to claim 6, characterized in that the membrane (9) is perforated over the respective measuring element (10).

Multicomponent load sensor according to one of Claims 5 to 7, characterized in that the second measuring zone comprises measuring elements intended to be able to measure one or both of the moments, the second and third moments, which have their axes directed perpendicular to the direction of the first force component. .

Multicomponent load sensor according to one of Claims 6 or 7, characterized in that the measuring elements (10) in the second measuring zone are located at at least two different distances from the diaphragm in the direction of the first force component, in order to prevent an angular change of the central the part (4) relative to the peripheral part (8), caused by one or both of the moments, the second and third moments, which have their axes directed perpendicular to the direction of the first force component. l

Multicomponent load sensor according to claim 9, characterized in that the first measuring zone comprises measuring elements intended to be able to measure the second and / or third moment.

Multicomponent load sensor according to Claim 4, characterized in that the measuring elements (II) in the second measuring zone are longitudinally directed elongation / compression measuring elements. 'fi