TWI452261B - 轉換器、溫度補償轉換器、和製造轉換器之方法 - Google Patents

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Description

轉換器、溫度補償轉換器、和製造轉換器之方法 交互參考相關申請案
此申請案主張2009年7月28日提出的美國臨時申請案第61/229,123號之利益，其係以引用的方式併入本文中，好像被充分地提出者。
本揭示內容有關應變計，且更特別有關包括潛變補償之應變計。
以應變計為基礎之轉換器被使用於各種應用中，以將機械式輸入(譬如重量、力量、質量、扭矩、壓力、撓曲/位移)轉換成電輸出。用於所有此等裝置之基礎係相同的。特別地是，一機械反應裝置(一般被稱為彈簧或反作用力組件)被設計成回應於該特定的輸入，將該輸入轉換成可測量之表面應變，該應變與所施加之輸入成比例地改變。附接至該轉換器反作用力組件之應變計感測及以電阻中之改變回應於此表面應變。該反作用力組件通常由高品質工具鋼(例如4340或4140)、或高度處理(硬化/熱處理)不銹鋼(例如17-4 PH或17-7 PH)、或高級、熱處理鋁(例如2024-T351或2024-T81)、或其他像鈹銅或N-Span C之優異的彈簧材料所機械加工。然而，有特別之情形，在此聚合物被使用(例如環氧基樹脂-玻璃疊片 、或鑄造/注射模塑塑膠)，及在此陶瓷材料被使用(例如百分之99+之Al2 O3 )。事實上，遍及轉換器歷史之進程，實際上每一種可能之材料已同時或以後被使用，當作用於反作用力組件之基礎。本發明不被限制於任何一種材料或甚至限制於一種類之材料；其與被選擇供用作反作用力組件之任何材料作用良好。
在所有案例中，以應變計為基礎之轉換器被用於將物理負荷或輸入轉換成電輸出。達成最高級之轉換器準確性需要為某些準確性限制效應補償該裝置；部份該等效應對於該應變計/轉換器系統係固有的、像潛變，且部份該等效應係外部效應，像溫度中之變化，且部份該等效應係一組合，像隨著溫度之潛變改變，被稱為潛變TC。當作一範例，荷重元被使用於該稱重量工業中當作轉換器，以將重量(質量/力量)轉換成一比例電信號。該荷重元被機械式地設計，以在特定點提供可重複及擬相等-量值表面應變，藉此該等應變之二個係拉伸的(正的)及二個係壓縮的(負的)。在這些點接合之電阻應變計將源自一施加之重量的表面應變轉換成一比例電信號。該等應變計被連接成一電路、典型為惠斯登電橋，其最佳化該輸出信號。
於典型被使用於轉換器中之惠斯登電橋電路中，四個應變計、加上一電力源係於該串連/並連電路中接綫在一起，如在圖1中所描述。此電路之電性質係使得當該惠斯登電橋係阻抗平衡(亦即所有四個應變計係在幾乎相同之 阻抗值)時，越過該等輸出端子(O1與O2)沒有電壓存在。反之，當該等應變計係在有意義的不同阻抗時，可有一越過O1與O2所測量之小電壓，而與所施加之電壓Vi 成比例。特別地是，當應變計1及3於電阻中增加，且應變計2及4同時在電阻中減少時，該最大比例輸出電壓係越過端子O1與O2呈現。其係為此緣故將轉換器設計併入正及負的應變，故在那些位置所接合之應變計將分別以所施加之重量而增加及減少阻抗；如此，對於一給定之施加重量最大化來自該轉換器之電壓信號(最大化靈敏度)。
在該稱重工業內，有一種類之被使用於稱為符合貿易要求的應用中之荷重元。這些符合貿易要求的荷重元必需通過來自國際性認可的標準、諸如OIML(國際法定度量衡組織)R60之嚴格的資格測試。來自這些測試之結果遍及一指定的溫度範圍(通常攝氏-10至+40度)基於重量之可達成的解析度分類該荷重元。所使用之分類度量標準係解析度之分度。譬如，具有百分之0.033的最大組合誤差之荷重元被分類為3000D(3000分度)準確性。
數個因素結合，以影響一荷重元之分類範疇，包括該荷重元本體之機械設計及生產、及該應變計之性能特徵與其安裝。在該應變計性能參數之中，潛變對於荷重元分類係重要的。忽視所有其他誤差貢獻，在該範例分類(3000D)內之可容許的電線斜率潛變係0.0233%FS/min(每分鐘百分足尺)。
轉換器潛變被界定為一在穩態環境條件之下具有穩定的物理條件或輸入(重量，於該荷重元範例之案例中)的變化輸出。應變計係定製設計，以補償特定轉換器設計之固有的材料潛變。用於該荷重元範例的潛變之象徵繪圖被顯示在圖2a中，其亦指示通常被使用於定量該潛變之弦線斜率值，即使該圖面清楚地顯示該潛變係一非線性現象。再者，當該轉換器溫度係由用於最初之潛變補償者(通常室溫T，其係攝氏24度)改變時，潛變性能可改變，且通常使用先前之潛變修正方法確實改變。潛變隨著溫度之變化可顯著地影響符合貿易要求的荷重元之可能的分類。源自遍及一指定溫度範圍之潛變測量的結果被稱為潛變TC。於一些嚴苛的應用中，該溫度範圍可為.T+/-攝氏200度。
數個變數影響應變計潛變，包括、但不限於生產該應變計之阻抗材料(電導體)、幾何形狀(例如應變計長度、橫截面尺寸、端部迴圈尺寸、形狀、及方位)、結構(使用於製成該應變計之材料，包括絕緣背襯及絕緣覆疊件，如果存在)、及安裝(膠結劑之厚度及型式、應變計定位)。轉換器中所使用之最普通型式的應變計係該薄的、金屬箔片品種，概要地描述於圖3中。該應變計包括一主要測量長度(應變計長度)L、一主要測量寬度(應變計寬度)Z、與銲接墊連接部M組構成蜿蜓的柵格R之複數柵線T、複數潛變控制端部迴圈K、界定該主要測量軸線J之上對齊導引件P與下對齊導引件N、及一絕緣背襯U。
先前之方法允許在室溫用於轉換器潛變之方便控制至額定足尺輸出之大約0.0175%/min；或當由用於該荷重元範例之OIML R60計算時，少許超過4000D。達成潛變補償的一先前方法係選擇該應變計端部迴圈(圖3中之K)，以最佳化該潛變分量。當然，這假設在潛變上之其他先前論及的效應之適當控制。此方法利用四個完全相同、或幾乎完全相同之應變計，並選擇該端部迴圈長度，以提供一盡可能小或至少充分用於該意欲之分類的弦線斜率潛變。當企圖由轉換器之生產過程使用此先前方法達成該可能之最低潛變斜率(最高轉換器解析度)時，其典型需要使該生產批量分級，藉此所有來自該批量之轉換器係藉由它們之測試結果所測試及分類，沒有來自該批量之任何個別轉換器將達成一高標準之先驗的保證。
在潛變補償的上面論及先前方法上之敏感變化係彼此稍微不同地挑取用於該等應變計之端部迴圈長度。以此方法，可有三個具有相等端部迴圈長度之應變計及一個不同的應變計；或，二個具有相等端部迴圈長度之應變計及另二個相等、但與該首先二個應變計不同的應變計；或所有應變計可具有一稍微不同之端部迴圈長度。潛變特徵之此微小差異係使用可被稱為幾乎完全相同之應變計者所達成。此實例主要由當製成該轉換器時碰巧現有者、及碰巧組合用於一低潛變結果者之實用關心的事所演化；亦即，該方法因為存量實用性而自然地演化。然而，當使用該方法在一溫度達成一優異之潛變結果係可能的時，其在完全相同應變計的更常見熟練使用上方於潛變TC性能中不必然提供任何改善。
達成轉換器潛變補償之另一方法已被建議，藉此該應變計之整個剛性係藉由變化與該背襯樹脂混合的強化纖維之數量而變更。此方法係基於在潛變及相對剛性差異間之關係，該相對剛性差異係在該反作用力組件及該應變計之間。以此技術的一明顯限制係其僅只對於混合樹脂背襯系統之適用性，其不是該工業內所使用之占優勢的型式。
達成遍及該整個攝氏-10至+40度之溫度範圍的高解析度潛變補償係這些先前方法的一挑戰態樣。於另一方法中，各種電組構被設計成該應變計電路，且係在蝕刻之時形成有該應變規。這些組構最初係電惰性的，但當隨後藉由切割適當之電分流器而被導入該電路當作活性元件時，該轉換器可被潛變補償，包括藉由溫度中之變化所造成的潛變中之任何變動。此工作係在該應變計已被安裝在該轉換器上之後施行。此方法之缺點係1)更複雜及昂貴之應變計設計及生產；及2)原位潛變特徵之小心及選擇性'修整'。
其係已知如藉由轉換器輸出所呈現，應變計潛變係一兼具黏著性與伸縮性的現象，如在圖A中所說明。如此，當利用潛變補償之先前方法時，包括選擇具有完全相同之端部迴圈的應變計之方法、及選擇具有幾乎完全相同之端部迴圈的應變計之方法，一典型之轉換器潛變結果能藉由圖A'所示之曲線圖所代表。圖4所顯示者係一來自黏合至荷重元之拉伸及壓縮應變計的對應之代表性獨立應變計潛變，其組合在該惠斯登電橋電路中，造成該總轉換器潛變。由圖4，如藉由用於輸出隨著時間中之變化的二曲線所代表，其為明顯的是該潛變之方向係在符號中相反；該等拉伸應變計被顯示於輸出中減少(變得更為負的)，且該等壓縮應變計被顯示為在輸出中增加(變得更為正的)。如先前對於惠斯登電橋之有特徵的性質所應注意者，來自這些二相反潛變方向之惠斯登電橋(該比例輸出電壓)的電結果係藉由潛變所造成之電信號的一部份中之增加；減去相反符號之信號導致該二信號之相加。
如此，該等先前方法已包括一常見之結果，在此潛變補償係經由物理抵消(即該正反作用力組件潛變係藉由該組合之負拉伸/壓縮應變計潛變所抵消)所達成，但其未經過電抵消專注於該問題，如在此中所揭示者。
在此中所揭示者係新的方法論，用於在該惠斯登電橋中之轉換器上選擇及適當地放置箔式應變計，其提供更一致之潛變反應，尤其當該轉換器溫度被改變時。一特別有利之轉換器反作用力組件係該所謂之雙目或反向彎曲設計，藉此該反作用力組件上之二位置具有集中之拉伸應變的小區域，且二位置具有集中之壓縮應變的小區域。碰巧的是，在該頂部上之二相反應變的每一個有一小區域，且在 該反作用力組件的底部上之二相反應變的每一個有一小區域。如在此中所揭示，具有該適當之潛變特色的應變計係在這些四個位置附接至該反作用力組件；拉伸應變計附接在該拉伸區域上方，且壓縮應變計附接在該壓縮區域上方。此反作用力組件設計係特別吸引人的，因為不須與潛變有關聯，沿著該反作用力組件之長度來自溫度斜度之效應自然地被該惠斯登電橋電路所補償。
用於轉換器潛變之修正的先前方法精確地視藉由該等應變計匹配靜重載荷轉換器之固有正潛變至相等負潛變而定；如此，於該二獨立的潛變間之平衡被消去[轉換器潛變+(該四個應變計之組合潛變)=0]，導致一隨著時間穩定之轉換器輸出。此修正本質上係來自該四個應變計之總潛變被匹配，以補償該轉換器潛變，而與用於該等應變計間之相對潛變匹配無關(所有應變計被選擇為相等或幾乎相等的)。藉由預定的，這要求該組合應變計潛變之符號係與該轉換器潛變相反。
在此中所揭示之技術使用該惠斯登電橋電路之電性質。參考圖2a，代替精確地匹配應變計潛變至該轉換器反作用力組件之潛變，該二個拉伸應變計被挑選，以提供一相等量值及與該二個壓縮應變計相同符號之潛變結果(譬如兩者為正的)。這些代表性之應變計潛變曲線被顯示在圖5中。由於惠斯登電橋電路之計算，當藉由來自該等拉伸及壓縮應變計的潛變所造成之相等阻抗變化組合於該惠斯登電橋電路中時，它們抵消；藉此，抵消該潛變結果，如在圖6中所描述。如此，該組合之應變計潛變不再為一正確、但在符號中相反地匹配至該靜重載荷轉換器反作用力組件之潛變，如於先前方法中，但為代替該拉伸及壓縮應變計潛變特徵間之匹配，使得每一潛變將在該惠斯登電橋中組合及抵消。
譬如，其係僅只需要選擇具有顯著之正潛變的壓縮應變計，且接著匹配具有相等正潛變之拉伸應變計。在此無進一步需要，以挑取具有精確地潛變、但符號相反地匹配至該轉換器反作用力組件之應變計。
當該轉換器溫度係由完成最初之潛變修正(改善之潛變TC)改變時，此結構的一有利具體實施例係穩定之轉換器潛變性能；譬如，遍及攝氏-10至+40度之整個符合貿易要求的溫度範圍。當選擇對該等壓縮應變計具有匹配正潛變的拉伸應變計時[藉由選擇具有比那些用於壓縮應變計者遠較短之端部迴圈的拉伸應變計；例如該長度的一半(50%)]，則在拉伸及壓縮應變計間之潛變隨著溫度之改變可被造成相等的，且在任何溫度之潛變信號分量係在該惠斯登電橋中抵消。此有利的具體實施例被造成可能的，因為當應變計被適當地選擇用於正拉伸及壓縮潛變時所獲得之類似的潛變TC特徵，如與使用先前方法論完全相同或幾乎完全相同之應變計的選擇相反，在此該拉伸及壓縮應變計呈現不同的潛變TC特徵。
圖7說明一雙目轉換器反作用力組件設計。該反作用力組件被固定在一端部A，且在該相反端部B上加以一靜重(實體負載)。藉由C所指示之位置係拉伸應變(正的)之區域，且藉由D所指示之位置係壓縮應變(負的)之區域。應變計通常係以其與該反作用力組件之主要測量軸線E對齊的主要測量軸線(圖3中之J)附接。如果想要補償該轉換器來自重量或環境之其他反應，該應變計可為在E之方向中由完美之對齊稍微偏置(旋轉或位移)，所揭示之結構保持有效及工作良好。
該等應變計被固定至該反作用力組件，諸如藉由一黏接劑、直接層疊、或額外製程，且用導線連接成一惠斯登電橋電路，如圖8b所示。該唯一標準係該四個應變計被適當地電連接成一惠斯登電橋電路。電連接部L1 、L2 、L3 及L4 分別形成用於該轉換器之供給及信號端部組(圖8a)。亦顯示在圖8b者係用於相對電橋電壓輸出e0 /E之控制方程式，表達每一應變計的應變位準上之此參數的相依性。由此表達，相對於電橋電壓輸出，其能被示範應變計1及2之組合貢獻係負的。如此，如果來自兩應變計之相同的信號係存在，相對電橋電壓上之組合結果係零位的(二相等信號間之差異等於零)。這是用於在此中所揭示之結構的基礎。其係在拉伸及壓縮應變計之間具有匹配潛變特徵來選擇應變計，而不管該轉換器潛變特徵，且組合該惠斯登電橋中之這些二相等信號，使得它們電抵消。
於該等先前方法中，潛變補償係藉由計算該反作用力組件之物理延伸的應變計之物理鬆弛所施行。當該反作用力組件正延伸時，既然該等應變計在該相同之比率放鬆，在該等應變計的電阻中沒有任何改變，且在來自該惠斯登電橋之輸出信號中沒有任何改變。此物理潛變抵消作用被描述在圖2b中，在此當由用於該反作用力組件之潛變曲線(上曲線)減去，用於該應變計之潛變曲線(下曲線)由該轉換器產生一穩定之電輸出信號。
對比於物理潛變修正之先前方法，此揭示內容係針對該惠斯登電橋之總和特徵的使用，以用電力地達成潛變修正。藉由調整該應變計潛變特徵，使得該潛變應變信號係於量值中相等，且在該拉伸及壓縮應變計之間具有相同之符號，則當這些相等潛變信號被組合在該惠斯登電橋(用於應變計1及2，與用於應變計3及4)時，該合量為零，且該潛變信號被電抵消。
如先前所指示，潛變應變信號之此匹配的優點、及一重要改善係藉由正確地完成該應變計潛變匹配，潛變TC亦被改善。於一範例中，該匹配係藉由相對該等拉伸應變計使用一用於該等壓縮應變計之很長的端部迴圈組構所完成。特別地是，如與先前方法作比較，當圖7中之腹板厚度F係2.10毫米，且該反作用力組件係由2024-T351鋁、或同等物所機械加工(生產一設有大約30公斤容量之轉換器)，接著使用0.1778毫米長度之拉伸應變計端部迴圈及0.4382毫米長度之壓縮應變計端部迴圈，使該二組應變計間之所有設計及結構參數為相等的時，將提供優異之室溫潛變補償及潛變TC。應了解調整應變計潛變之其他方法(譬如藉由改變該拉伸及壓縮應變計之線及空間的相對柵設計；或，藉由改變該拉伸及壓縮應變計間之載具材料當作另一範例)係可用的，且那些方法亦被主張當作本發明的一部份。
使用該上面範例，該結果之轉換器潛變TC的繪圖被顯示在圖9中，其預設包括室溫潛變。於圖10中者係當潛變修正的一先前方法被使用時，該同等轉換器潛變TC之繪圖；特別地是，具有完全相同之端部迴圈的應變計。所達成之改良係藉由一遠較扁平之潛變TC曲線所示範，如此在所有三個測試溫度提供同等之潛變補償，且如此，允許一較高之符合貿易要求的轉換器分類。
本發明具有該額外之益處，即其係與該等先前方法相容及可與該等先前方法被組合在相同之轉換器中，以幾乎完全地抵消潛變TC。特別地是，先前方法利用應變計，以致該組合之拉伸/壓縮應變計潛變抵消該轉換器元件之物理潛變，且本發明選擇應變計，以致正及負的潛變特徵彼此抵消。藉由組合物理及電抵消，潛變隨著溫度之變動係幾乎完全地消除，如圖11中所說明。
藉由熟諳此技藝者應了解本發明僅只抵消大致上已知為潛變之可變分量及該轉換器未抵消之想要量測。
1．．．應變計
2．．．應變計
3．．．應變計
4．．．應變計
A．．．端部
B．．．端部
C．．．拉伸應變之區域
D．．．壓縮應變之區域
E．．．主要測量軸線
J．．．主要測量軸線
K．．．端部迴圈
L1 ．．．連接部
L2 ．．．連接部
L3 ．．．連接部
L4 ．．．連接部
M．．．銲接墊連接部
N．．．對齊導引件
O1．．．輸出端子
O2．．．輸出端子
P．．．對齊導引件
R．．．柵格
T．．．柵線
U．．．絕緣背襯
可由會同所附圖面通過範例所給予之以下的敘述達成更詳細之理解：
圖A說明如藉由轉換器輸出所呈現之應變計潛變係一兼具黏著性與伸縮性的現象；
圖A'係一曲線圖，顯示典型之轉換器潛變；
圖1顯示一典型與轉換器有關地被使用之惠斯登電橋電路；
圖2a係一曲線圖，顯示用於一荷重元之潛變的代表性繪圖；
圖2b係一曲線圖，顯示物理潛變抵消作用；
圖3係該應變計的一圖示；
圖4係曲線圖，顯示來自黏合至荷重元的拉伸及壓縮應變計之應變計潛變(負與正的潛變)；
圖5係曲線圖，顯示來自黏合至荷重元的拉伸及壓縮應變計之應變計潛變(皆為負的潛變)；
圖6係曲線圖，顯示具有潛變抵消之應變計潛變；
圖7係具有反作用力組件設計之雙目轉換器的圖示；
圖8a係雙目轉換器之圖示，顯示該等各種電連接(1,2,3,4)之位置；
圖8b係耦接至圖8a之轉換器的惠斯登電橋電路；
圖9係一曲線圖，顯示轉換器潛變(包括室溫潛變)之繪圖；
圖10係一曲線圖，當所使用之應變計具有完全相同的端部迴圈時，顯示轉換器潛變之繪圖；及
圖11係一曲線圖，當組合物理及電抵消時，顯示轉換器潛變之繪圖。
1．．．應變計
2．．．應變計
3．．．應變計
4．．．應變計
L1 ．．．連接部
L2 ．．．連接部
L3 ．．．連接部
L4 ．．．連接部
O1．．．輸出端子
O2．．．輸出端子

Claims (7)

  1. 一種轉換器，包括：一遭受預定物理負荷之反作用力組件，該物理負荷提供正的拉伸應變及負的壓縮應變區域；複數應變計柵格，其係在該反作用力組件之拉伸應變及壓縮應變區域中可操作地附接至該反作用力組件與產生潛變電信號；及該複數應變計柵格被電連接在惠斯登(Wheatstone)電橋電路中，藉此大小均等且在惠斯登電橋電路中具有相同符號之拉伸應變及壓縮應變的潛變電信號之組合，導致抵消該等潛變電信號。
  2. 一種溫度補償轉換器，包括：一遭受預定物理負荷之反作用力組件，該物理負荷提供分別為正及負的拉伸應變及壓縮應變；複數應變計柵格，其係可操作地附接至該反作用力組件之該拉伸應變及壓縮應變區域中，且在一預定溫度T補償該反作用力組件中之物理變化；及，該複數應變計柵格經過從-200℃至+200℃的溫度範圍產生電信號；及該複數應變計柵格被電連接在惠斯登電橋電路中，其中該等潛變電信號的大小實質地相等並在拉伸應變及壓縮應變區域間具有相同的符號，且當來自拉伸應變及壓縮應變區域之相等的潛變電信號在惠斯登電橋電路中被組合時，惠斯登電橋電路的總和特徵導致在遍及從-200℃至+200℃的溫度範圍，該等潛變電信號被電性地抵消。
  3. 一種轉換器，包括：一反作用力組件，其以表面應變反應於一物理輸入；第一應變計裝置，其產生一具有第一可變分量之電信號，該第一可變分量在沒有該物理輸入中之改變下變化；第二應變計裝置，其產生一具有第二可變分量之電信號，該第二可變分量在沒有該物理輸入中之改變下變化；其中該第一及第二可變分量彼此抵消。
  4. 一種轉換器，包括：一反作用力組件，其以物理變化反應於一物理輸入；第一應變計裝置，其係與該反作用力組件有關聯，且產生一具有第一可變分量之電信號，該第一可變分量在沒有該物理輸入中之改變下變化；第二應變計裝置，其係與該反作用力組件有關聯，且產生一具有第二可變分量之電信號，該第二可變分量在沒有該物理輸入中之改變下變化；及一惠斯登電橋，其接收來自第一及第二應變計裝置之電信號，並抵消來自該第一及第二應變計裝置之該等電信號的第一及第二可變分量。
  5. 一種溫度補償轉換器，包括：一反作用力組件，其支撐一預定之物理負荷，該物理負荷提供分別為正及負的拉伸應變及壓縮應變；複數應變計柵格，其可操作地附接至該反作用力組件之該拉伸應變及壓縮應變區域中，且在一預定溫度T補償該反作用力組件中之物理變化，該複數應變計柵格經過包 括T之溫度範圍產生電信號，該等電信號包括一潛變分量；及該複數應變計柵格被電連接在惠斯登電橋電路中，藉此大小均等且在該惠斯登電橋中具有相同符號之潛變電信號的組合與惠斯登電橋的總和特徵，導致在遍及該溫度範圍，該等潛變電信號抵消。
  6. 一種製造轉換器之方法，該方法包括：形成一具有反作用力組件之轉換器，該反作用力組件遭受預定物理負荷，該物理負荷提供正的拉伸應變及負的壓縮應變；提供複數應變計柵格，該等應變計柵格係在該反作用力組件之拉伸應變及壓縮應變區域中可操作地附接至該反作用力組件與產生潛變電信號；及連接該複數應變計柵格在惠斯登電橋電路中成一組合，在該組合中，因為惠斯登電橋電路的總合特徵，所以大小均等且具有相同符號的潛變電信號被抵消。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該複數應變計柵格係可操作地附接至該反作用力組件之該拉伸應變及壓縮應變區域中，與在一預定溫度T補償該反作用力組件中之物理變化，且該複數應變計柵格經過從-200℃至+200℃的溫度範圍產生電信號。
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