專利名稱：根據(jù)第一位置測(cè)量機(jī)械壓力變形和根據(jù)該壓力自動(dòng)進(jìn)行校正的形變測(cè)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
傳感器是可以測(cè)量物理現(xiàn)象的元件，這些物理現(xiàn)象通常用量值或參數(shù)表示。這些傳感器將量值或參數(shù)的狀態(tài)或變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。所以傳感器可以了解過程變化，從而得知過程的穩(wěn)定特性和動(dòng)態(tài)特性，所述傳感器在過程中一直得到使用。
根據(jù)物理領(lǐng)域和其他電技術(shù)及電子技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)和制造傳感器或多或少要方便一些。制造和使用傳感器的簡(jiǎn)易程度限定其成本，應(yīng)用領(lǐng)域，由此也就確定了其市場(chǎng)效應(yīng)。
某些傳感器并不容易制造，因?yàn)檫@與可以接受物理參數(shù)的性能及方法有關(guān)。對(duì)于測(cè)量力的傳感器來講，因?yàn)榧偃鐪y(cè)量作用在金屬件上的力的原理簡(jiǎn)單，則不容易得到簡(jiǎn)單形式的力。
測(cè)量作用在金屬件上的力通常會(huì)使材料在各種力的作用下變形，這些力有機(jī)械牽引力，壓力，張力和／或這些力的合力。
變形的大小與施加的力有關(guān)，而該變形的大小又確定了梯度的大小，也就是說確定了可以估計(jì)基本變形的精度。因此，根據(jù)作用在器件上的力得知幾微米或幾毫米的變形規(guī)律是最基本的。
所述梯度由所有材料的電阻的數(shù)學(xué)研究確定，而應(yīng)當(dāng)根據(jù)器件的形狀將最終元件的模擬形狀與該電阻有機(jī)結(jié)合，以便得到與力相關(guān)的變形規(guī)則。
考慮到構(gòu)件材料和形狀的差別，因?yàn)楹茈y知道總的梯度，所以不容易直接感受到變形。每一個(gè)構(gòu)件都有具體情況，為了使用測(cè)量力或測(cè)量變形的傳感器，必須進(jìn)行某些調(diào)節(jié)。應(yīng)當(dāng)精確地知道作用力產(chǎn)生的精確位置，而且應(yīng)當(dāng)知道這些力的合力產(chǎn)生的最大和最小變形是多少。
一旦這些元件是公知元件，用某些構(gòu)件和一些技術(shù)就可以求得一個(gè)電信號(hào)，該電信號(hào)表示發(fā)生在構(gòu)件上的變形。正是這些應(yīng)力計(jì)量器類的構(gòu)件、壓阻壓容元件和光學(xué)設(shè)備可以對(duì)材料力度的方位進(jìn)行測(cè)量，也可以用鐵磁構(gòu)件，鐵磁構(gòu)件在磁場(chǎng)中的位置確定了與器件變形相關(guān)的電信號(hào)。
如今，即使這些構(gòu)件是公知的而且也已能制造，但是并不容易將它們安裝到機(jī)械設(shè)備上，當(dāng)它們定位以后或者在用其它構(gòu)件替換它們時(shí)，形變的重復(fù)性很難保持不變。所以在許多情況下要求對(duì)傳感器進(jìn)行校正，調(diào)節(jié)電信號(hào)為0的數(shù)值以及調(diào)節(jié)刻度。
主要根據(jù)兩種方法制備測(cè)量力的傳感器。
第一種方法在于將一個(gè)由應(yīng)力計(jì)量器構(gòu)成的橋粘到產(chǎn)生形變的地方。在這種情況下，信號(hào)值與精度密切相關(guān)，應(yīng)力計(jì)量器根據(jù)該精度在構(gòu)件上定位定向，而且信號(hào)值與壓力值的均勻性有關(guān)，應(yīng)力計(jì)量器根據(jù)該均勻性與構(gòu)件產(chǎn)生關(guān)系。通常，應(yīng)力計(jì)量器不能在構(gòu)件上產(chǎn)生力的地方使用精確的機(jī)械定位設(shè)備。各個(gè)計(jì)量器橋的信號(hào)由方程R=pL／S確定，其中R是電阻值，它根據(jù)包括計(jì)量器橋在內(nèi)的導(dǎo)體的長(zhǎng)度和截面變化，p是構(gòu)成電阻的材料的阻值，L是導(dǎo)體的長(zhǎng)度，S是截面。L和S值會(huì)受到計(jì)量器橋定位方法的影響。對(duì)于計(jì)量器橋來講，不論壓阻壓容技術(shù)等如何，當(dāng)計(jì)量器直接在構(gòu)件上定位時(shí)，這些都是真實(shí)的，所述構(gòu)件的機(jī)械狀態(tài)為未加工狀態(tài)，而且它們的尺寸為中等或大個(gè)。
第二種方法在于將一個(gè)橋粘到一個(gè)金屬片上，該金屬片的特性為公知特性，這例如象1997年2月26日提交的加拿大專利申請(qǐng)CA2198537描述的一樣，這樣，如果所用的橋具有電阻，并將金屬片裝到一個(gè)產(chǎn)生力的機(jī)械構(gòu)件上，也就可以保證薄片的機(jī)械形變與橋元件的電阻變化具有可重復(fù)的關(guān)系。這種情況的問題在于金屬片的材料與構(gòu)成機(jī)械構(gòu)件的材料的性能很不相同，為了將傳感器在機(jī)器中定位，同時(shí)在制造過程中使物理量值和校正電信號(hào)之間精確地相符，致使金屬片與機(jī)械構(gòu)件很難進(jìn)行裝配。因此需要考慮傳感器的安裝，以便使機(jī)械力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的轉(zhuǎn)換比率最佳。
本發(fā)明目的本發(fā)明根據(jù)這些應(yīng)力，旨在消除上述缺陷，盡可能使機(jī)械構(gòu)件和傳感器之間的關(guān)系精確可靠。
本發(fā)明將變形測(cè)量看成是測(cè)量力的方法。本發(fā)明描述的方法能夠?qū)鞲衅餮b到待測(cè)量的裝置中，并可以具有好的重復(fù)性。
例如，MultiDyn公司出售的的傳感器上有兩個(gè)載體構(gòu)件，一個(gè)上面裝有調(diào)節(jié)器橋的薄片，例如本申請(qǐng)文件中所描述的橋。當(dāng)用機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)傳感器進(jìn)行安裝時(shí)，在傳感器中產(chǎn)生的變形傳到薄片的載體構(gòu)件上，這些構(gòu)件可以拉長(zhǎng)或壓縮所述薄片。這在調(diào)節(jié)器橋中由各構(gòu)成橋的構(gòu)件的電阻變化反映出來，因而也就由橋的端子上的電信號(hào)反映出來。在制造過程中得到的傳感器的校正曲線就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這樣就應(yīng)當(dāng)在當(dāng)?shù)刂匦逻M(jìn)行校正，從而不能在物理量值和電信號(hào)之間保證具有相應(yīng)的精確度，增加安裝時(shí)間和成本。
本發(fā)明可以有效地替換這些形變儀，用作應(yīng)力和力矩傳感器，在某些情況下用作位置傳感器。
因而這些就是本發(fā)明可以克服的現(xiàn)有傳感器的主要問題。有若干形變檢測(cè)裝置適合于某些用途，但具有上述所有缺陷。直接粘到或焊到待測(cè)量構(gòu)件上的電阻調(diào)節(jié)器是很可靠很精確的設(shè)備。但是對(duì)它們進(jìn)行直接安裝是實(shí)驗(yàn)室工作，必須非常細(xì)心，而且成本很高，這就是為什么在通常測(cè)量過程中人們要用比較簡(jiǎn)單的安裝方法將調(diào)節(jié)器固定到試驗(yàn)體上的原因。在表面加工或未加工過的構(gòu)件的《外部》觀察設(shè)備，例如光測(cè)彈性儀，莫爾條紋，瓷清漆龜裂，全息照相，X衍射均是實(shí)驗(yàn)室分析應(yīng)力的較佳技術(shù)。
裝有調(diào)節(jié)器的試驗(yàn)體代替結(jié)構(gòu)元件，也可以將它們插入有效傳遞部位，這些試驗(yàn)體很昂貴，而且很難安裝，它們使得結(jié)構(gòu)很脆弱。固定到結(jié)構(gòu)上的試驗(yàn)體可以很大。很難防止在限位塊上的滑動(dòng)，這樣就造成嚴(yán)重的回零錯(cuò)誤和滯后錯(cuò)誤。機(jī)械形變測(cè)量非常好，但它們比較脆弱和昂貴。只在壓縮作用下工作的壓電式傳感器的壓力太高，安裝也復(fù)雜。此外，它們只能考慮動(dòng)態(tài)信號(hào)。最后，壓敏電阻很脆(硅元件)，溫升很大。
本發(fā)明的目的在于提出解決上述問題的方案，保證在校準(zhǔn)空格中校正傳感器時(shí)和將其安裝到機(jī)械構(gòu)件上時(shí)的這一段時(shí)間內(nèi)使固定薄片的載體構(gòu)件保持不動(dòng)。
本發(fā)明在于首先通過使載體構(gòu)件的軸之間的尺寸發(fā)生機(jī)械變化來調(diào)整偏置和增益，然后一旦獲得曲線的線性調(diào)節(jié)就對(duì)偏置進(jìn)行調(diào)整，以便使電信號(hào)的值對(duì)應(yīng)于已知的尺寸，此后再通過一個(gè)常設(shè)機(jī)械裝置用一個(gè)突緣鎖定住自由度。所述突緣由一個(gè)金屬的、復(fù)合的或聚合的材料制成的薄膜構(gòu)成，并將其設(shè)置在載體構(gòu)件之間。該突緣維持空格上調(diào)整的標(biāo)定，直至用公知的常規(guī)工業(yè)粘接、焊接等方法將傳感器安裝到機(jī)械構(gòu)件上為止。當(dāng)傳感器和機(jī)械構(gòu)件連接在一起時(shí)，將薄膜折斷，確保進(jìn)行調(diào)節(jié)，而在安裝過程中不用進(jìn)行調(diào)整。折斷突緣時(shí)可以使傳感器的工作停止。
本裝置相對(duì)于其它現(xiàn)有裝置的改進(jìn)在于安裝方便，成本降低，同時(shí)保持很高的精確度和穩(wěn)定性。此外，該裝置牢固，可動(dòng)，可以重復(fù)使用，而且不易受到機(jī)械干擾。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例包括一個(gè)測(cè)量形變的傳感器，該傳感器有兩個(gè)能夠牢固固定到待測(cè)量的機(jī)械構(gòu)件上的限位塊，一個(gè)均衡地緊靠?jī)蓚€(gè)限位塊之間的端部的彈性薄片，彈性薄片通過壓彎以后得到彈性固定，用于測(cè)量因限位塊的移動(dòng)而使彈性薄片形變的設(shè)備以便確定機(jī)械構(gòu)件中的應(yīng)力。


圖1是上面裝有調(diào)節(jié)器橋的薄片的正視圖；圖2是所述薄片的透視圖；圖3是電路圖；圖4表示的是在將傳感器裝到制動(dòng)臺(tái)上時(shí)有該傳感器發(fā)出的電信號(hào)；圖5是具有調(diào)節(jié)器和固定突緣的薄片的正視圖；圖6是壓彎后由限位塊固定的薄片的正視圖；圖7是薄片的支承的示意圖；圖8是所述裝置的正視圖；圖9是沿圖8的9-9線作的剖視圖；圖10是裝置局部剖視的俯視圖，其中薄片處于升高位置；圖11是其中一側(cè)的示意圖；圖12是裝置中部的剖視圖，其中薄片已經(jīng)折斷；圖13是具有薄片的一側(cè)的正視圖；圖14是熱補(bǔ)償?shù)脑韴D；圖15是裝有霍爾傳感器的整個(gè)裝置的正視圖。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述描述了傳感器(圖1)以后就可以更好地理解本發(fā)明。傳感器包括一個(gè)薄片1，薄片上裝置一個(gè)調(diào)節(jié)器橋2，該橋可以是半導(dǎo)體，壓敏電阻，壓敏電容等。橋的位置和粘接膜3可以使元件1和2牢牢地連接在一起。薄片的兩端具有載體件4和5。柔性形變外層6確保對(duì)調(diào)節(jié)器橋及調(diào)節(jié)器橋2發(fā)出的信號(hào)的放大電路7的保護(hù)。調(diào)節(jié)器橋和電路7之間根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)節(jié)由導(dǎo)體進(jìn)行連接。
將放大電路組裝在其中一個(gè)載體件4或5中，用裝有連接器9的導(dǎo)體8將信息傳到傳感器外面。連接的部位有3-4個(gè)。當(dāng)將一個(gè)補(bǔ)充傳送模塊(例如摩托羅拉公司或SGS Thomson生產(chǎn))加到電子放大模塊7中時(shí)，根據(jù)應(yīng)用也可以用傳送設(shè)備來傳送信息，例如無線電波，超頻。
下面描述傳感器的運(yùn)行。薄片為圖2所示的薄片。每一個(gè)調(diào)節(jié)器測(cè)量到的變形具有形式e=6Fl／Eae．e其中F是加的力；e是薄片的厚度；ε是變形；l是力的調(diào)節(jié)距離；a是薄片的寬度；E是楊氏模數(shù)。
這種變形根據(jù)圖3確定了調(diào)節(jié)器電阻的變化。根據(jù)下面的規(guī)則確定橋端子的電壓De=E／4(DR1／R1-DR2／R2+DR3／R3-DR4／R4)其中R1和R3是調(diào)節(jié)器在拉力下的運(yùn)行，其中R2和R4是調(diào)節(jié)器在壓力下的運(yùn)行。
也可以選擇使橋的相鄰分支的調(diào)節(jié)器沿相反方向運(yùn)行，相反分支的調(diào)節(jié)器沿相同方向運(yùn)行，電阻的所有變化相加，這樣De=E／4(DR1／R1+DR2／R2+DR3／R3+DR4／R4)=KE／4 Dl／lE是橋的激勵(lì)電壓；K是調(diào)節(jié)器的系數(shù)；Dl／l是4個(gè)調(diào)節(jié)器的總變形。
調(diào)節(jié)器均是雙調(diào)節(jié)器Wishay N2A 06 T006Q 350。
將信號(hào)De連接到電路1B31An的兩個(gè)接點(diǎn)1和2上，該電路是與Burr Brown公司類似的組件，將其裝在輸入信號(hào)放大器上。利用裝在電路接點(diǎn)3和4之間的可變電阻確保對(duì)放大增益的調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)除法器橋確保偏置調(diào)節(jié)(所述除法器橋抵消正負(fù)兩個(gè)基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié))，中間接點(diǎn)與端子l1連接。將放大信號(hào)傳送到電路的端子14上?；鶞?zhǔn)直流轉(zhuǎn)換電路TUC12215為放大電路和調(diào)節(jié)器橋供電。詳細(xì)描述本發(fā)明方法的基本運(yùn)行該實(shí)施例在于采用一個(gè)傳感器和在載體件之間用一個(gè)夾緊工具施壓，該壓力受到一個(gè)位置自動(dòng)設(shè)備的控制，而該設(shè)備又受到調(diào)節(jié)程序控制計(jì)算機(jī)的控制。薄片根據(jù)夾緊應(yīng)力或松開應(yīng)力而變形，對(duì)于每一個(gè)夾緊值來講，調(diào)節(jié)器橋2發(fā)出一個(gè)經(jīng)電路放大的信號(hào)。兩個(gè)夾緊位置可以模擬壓力，調(diào)節(jié)偏置，通過偏置調(diào)節(jié)及電路增益的作用調(diào)整曲線的線性程度，這樣就得到A，B，C，D四個(gè)點(diǎn)(圖4)。然后對(duì)傳感器施加最小的夾緊力，以便得到稱作基本值的V1，從而求得對(duì)應(yīng)于A點(diǎn)的電信號(hào)(圖4)。當(dāng)?shù)玫叫枰那€時(shí)，就制成帶有基本值的固定突緣。帶有突緣的傳感器示于圖5。
利用可以在載體件之間確定恒定距離的突緣進(jìn)行調(diào)節(jié)。薄片在裝到機(jī)械構(gòu)件上以前其壓力比或張力比是恒定的。在對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1之上的傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)期間確定突緣的尺寸，所述長(zhǎng)度L1對(duì)應(yīng)于薄片的很小張力，實(shí)際上并不變化，所得到的電信號(hào)值v1總是相同的。粘接方法例如可以保證將傳感器固定到機(jī)械構(gòu)件上。當(dāng)將兩個(gè)元件彼此焊接在一起時(shí)，或者說機(jī)械構(gòu)件和傳感器之間不再能夠滑動(dòng)時(shí)，就將突緣折斷，這樣就能使傳感器保證運(yùn)行。在裝到傳感器上以后，該突緣就保證電信號(hào)V1具有精確的數(shù)值。本發(fā)明的目的旨在能夠非常方便地自動(dòng)安裝到機(jī)械構(gòu)件上的測(cè)量形變的傳感器，傳感器為相同機(jī)械構(gòu)件提供相同的電信號(hào)。該方法涉及很多應(yīng)用，具體地說安裝的傳感器可以測(cè)量剎車的制動(dòng)力。
圖6所示的傳感器為另一個(gè)可以更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例。主要元件包括一個(gè)彈性材料制成的薄片22，開始時(shí)可以彎曲，也可以不彎曲。薄片22示于圖6。該材料例如可以是鈦合金(TA6U)或鋁合金(7075)。沿縱軸將該薄片卡在兩個(gè)限位塊20之間。這兩個(gè)限位塊將薄片均恒壓彎，使其保持彎曲狀態(tài)(為此，兩個(gè)限位塊之間的長(zhǎng)度L48稍小于薄片的起始長(zhǎng)度L47，L47和L48之間的差大于最大表面張力)。
為了保持均恒，限位塊20應(yīng)當(dāng)象圖7所示盡可能靠近，鉸接件中的一個(gè)25在x和y方向閉鎖，另一個(gè)鉸接件26在x方向閉鎖，而在y方向自由活動(dòng)，以便能夠測(cè)量另一個(gè)自由端的移動(dòng)?？梢杂萌N方法制成限位塊。第一種是直接在構(gòu)件中使用限位塊，這如圖6所示，第二種方法是將限位塊擰或粘到構(gòu)件上，這如圖8所示，最好一種方法是用低彈性材料將這些限位塊進(jìn)行連接，從而不會(huì)對(duì)固定部位施加作用力。
限位塊20直接的長(zhǎng)度L0的伸長(zhǎng)或縮短均會(huì)使薄片產(chǎn)生彎曲，用一層薄膠或其它方法將調(diào)節(jié)器橋23粘到薄片22的中央，就可以用公知方法測(cè)量薄片22的形變。調(diào)節(jié)器橋23可以是半導(dǎo)體，壓敏電阻，壓敏電容等。
將調(diào)節(jié)器橋23(圖8)連接到薄片22上方的電路28的載體件27上，該載體件與薄片分開，留有足夠的距離。載體件27緊靠限位塊20。再將放大電路28通過連接件30與一個(gè)導(dǎo)體29相連，該連接件可以將信息帶到裝置的外面。可以只用一個(gè)在薄片22上面或在薄片下面的調(diào)節(jié)器橋。在成本較高的情況下，可以將橋2的4個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行分配，薄片的每一側(cè)設(shè)置兩個(gè)，這樣得到的靈敏度很高。
該裝置的主要特征在于它可以使安裝簡(jiǎn)單，這是因?yàn)榭梢栽诠潭ǖ綐?gòu)件上以前預(yù)先調(diào)節(jié)起始零。因而需要使用圖8-11所示的安裝方法。我們可以增加一個(gè)突緣或一個(gè)罩31。罩31具有足夠的剛性，它包括兩個(gè)固定螺絲21，與限位塊20面對(duì)的兩個(gè)外傾斜面33。在罩31的下部和限位塊20的上部之間留有一個(gè)很小的間隙34。
在將裝置裝到應(yīng)當(dāng)進(jìn)行測(cè)量的設(shè)備上以前，罩31可以固定住系統(tǒng)的所有安裝部分，保護(hù)住薄片22和限位塊20。固定螺絲21可以固定起始零，同時(shí)將罩31與限位塊20相連。一旦裝置的下面粘到需要測(cè)量的那一面上時(shí)，就取下固定螺絲21。因而罩31就可以在傾斜面33上的V型凹槽中自由滑動(dòng)。此時(shí)，罩31僅防止出現(xiàn)反常和薄片22的以外操作。當(dāng)它自由移動(dòng)時(shí)，不會(huì)在限位塊20上產(chǎn)生附加作用，裝置可以有效地對(duì)觀察件的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。
零的固定是最難保持住的應(yīng)力中的一種。因?yàn)樗砷_1／100mm在機(jī)械上出現(xiàn)的間隙很小，而且已經(jīng)付出很嚴(yán)重的代價(jià)，所以這種松動(dòng)意味著測(cè)量張力的一半或3／4。調(diào)整、零的固定、傳感器的安裝和消除零的固定等所有的操作都應(yīng)當(dāng)在小于1微米的間隙下進(jìn)行。原因就在于要消除因定位作用和上緊／松動(dòng)作用造成緊靠薄片的限位塊的移動(dòng)。通過將限位塊的上表面緊靠在罩31的下表面上就可以消除沿Oz和Ox的轉(zhuǎn)動(dòng)。利用螺絲21就可以確保將限位塊的上表面緊靠在罩31的下表面上。通常的平行和平面的容許公差并不是尺寸上的公差，這些公差很難保證精度。因?yàn)樵谙尬粔K的側(cè)部和罩31的肋內(nèi)具有傾斜面33，所以可以防止沿Oy的轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)樯鲜隼碛刹荒軐?duì)間隙的簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)進(jìn)行計(jì)算。這些表面在上表面前一些時(shí)候進(jìn)行接觸，這樣就防止了轉(zhuǎn)動(dòng)。然后彈性肋可以與上表面接觸。在運(yùn)行期間，一旦螺絲松開和／或取出，則罩在V型槽中得到自由。
像每個(gè)形變儀那樣，它根據(jù)溫度的變化要經(jīng)受自身的膨脹，也要經(jīng)受器械結(jié)構(gòu)的膨脹。這種膨脹產(chǎn)生一個(gè)與調(diào)節(jié)器相應(yīng)的信號(hào)。在很多情況下，這種信號(hào)是不需要的，而且應(yīng)當(dāng)消除，以便只觀察到因測(cè)量現(xiàn)象得到的信號(hào)。實(shí)際上沒有一個(gè)形變儀能夠自動(dòng)進(jìn)行熱補(bǔ)償，同時(shí)又能體現(xiàn)它們與溫度的相關(guān)特性。在我們的裝置中，均恒地維持薄片可以根據(jù)圖14中所描述的原理方便地平衡這種不需要的膨脹。即L0=接觸間的長(zhǎng)度；L1=薄片自由長(zhǎng)度；L2=基質(zhì)的膨脹長(zhǎng)度；L3=薄片3的支承的自由膨脹長(zhǎng)度；L4=薄片4的支承的自由膨脹長(zhǎng)度；α1=薄片的膨脹系數(shù)；α2=基質(zhì)的膨脹系數(shù)；
α3=支承限位塊3的膨脹系數(shù)；α4=支承限位塊4的膨脹系數(shù)。
如果△L0(△T)=(α+1)*L1*△T，則裝在橋上的調(diào)節(jié)器使薄片的自然膨脹非常平衡，不記錄任何信號(hào)。
如果△L0(△T)=α*△T*L1，則具有α2*L2-(α3*L3+α4*L4)=α1*L1就完全可以平衡傳感器和表面之間的膨脹差。通過在Wheatstone橋中串接或并接一些電阻就可以進(jìn)行剩余補(bǔ)償，也可以用數(shù)字設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償。
當(dāng)要求通過縮短薄片來增加傳感器的靈敏度時(shí)，壓彎的臨界力為作用在限位塊上的99％的作用力，該臨界力可以在損害裝置精度和調(diào)零精度的比例范圍內(nèi)增加。一個(gè)方案在于平衡薄片的這些作用力，所示薄片在彈簧作用下重新推動(dòng)限位塊，而彈簧是用于拉動(dòng)限位塊的。作用在固定位置上的合力不再只是作用力的差。一種十分經(jīng)濟(jì)的制造這種平衡彈簧的方法在于使用一個(gè)彈性框架40，將該框架模制在另一種材料中，例如鈦或鋁的材料中，它同時(shí)還用作限位塊傳感器骨架的連接件(見圖10)?？蚣?0包括4個(gè)托架橫粱41和一些上橫臂42。托架橫粱41通過它們的上橫臂42的中部進(jìn)行連接。它起的是薄片簧的作用?？梢哉{(diào)制彈簧的剛性，同時(shí)除了托架的截面以外使橫梁的自由長(zhǎng)度變化，同時(shí)還使槽43的深度和材料的模數(shù)發(fā)生變化(塑性材料或非塑性材料，金屬等)。
圖8-11示出的是單件傳感器的運(yùn)行步驟。第一步是安裝和保持薄片。在安裝過程中，傳感器受到的伸長(zhǎng)正比于壓彎薄片22的作用力，并且正比于框架40的剛性。薄片和框架的作用力對(duì)于給定的伸長(zhǎng)來講達(dá)到平衡，并使薄片定位。然后，應(yīng)對(duì)起始運(yùn)行位置進(jìn)行預(yù)調(diào)。將限位塊20固定到刻度臺(tái)上，該刻度臺(tái)可以使限位塊以很高的精度相對(duì)移動(dòng)，直至薄片22獲得所要求的預(yù)應(yīng)力，松開固定螺絲21。因而必須保持住該預(yù)調(diào)。擰緊螺絲21達(dá)到預(yù)定的應(yīng)力值。這樣就使兩個(gè)限位塊相對(duì)于罩31固定不動(dòng)，很好地將薄片保持在所希望的零數(shù)值上。
最后，將該整體部件安裝到待測(cè)構(gòu)件上。將兩個(gè)限位塊一直粘貼、焊接或擰到待測(cè)表面上(如前面描述的那樣)。一旦牢固地得到固定，就可以取出螺絲32，傳感器根據(jù)預(yù)調(diào)值準(zhǔn)備運(yùn)行?？蚣?0的剛性足以使薄片在組裝期間得到保持，但也可以對(duì)其剛性進(jìn)行計(jì)算，只在運(yùn)行期間對(duì)固定位置處產(chǎn)生微小的作用力。
發(fā)明人實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式也可以稍作變化，以便改變傳感器的特性，可以進(jìn)行不同的測(cè)量。例如，可以根據(jù)下面的方式改變薄片的參數(shù)。如果增加薄片22的厚度，則作用力越大，靈敏度越高。使用長(zhǎng)薄片時(shí)具有很小的恒定作用力，這用于很大的移動(dòng)，或使用短薄片用高靈敏度的小變形測(cè)量。如果減少薄片的寬度，則減少了作用到限位塊上的作用力。如果對(duì)同一種薄片增加其軸距，就提高了靈敏度。在使薄片初始彈性變形時(shí)，可以消除因壓彎過程造成的不穩(wěn)定平衡性問題。
對(duì)于不同的裝置來講，還可以改變調(diào)節(jié)橋23，例如霍爾效應(yīng)傳感器(圖15)或光學(xué)傳感器。當(dāng)薄片22與其線圈52靠近或遠(yuǎn)離時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器的作用與電磁傳感器相同，或多或少得到激勵(lì)。對(duì)于選擇用什么方法來檢測(cè)發(fā)生在薄片上的形變并不重要，應(yīng)當(dāng)用電脈沖傳送信號(hào)，以便與裝置外界聯(lián)系。
還可以對(duì)裝置的罩31稍微進(jìn)行改變，也可以就地進(jìn)行校正。其中一個(gè)限位塊20是其外表面在罩31上的縱向限位塊。用螺絲(未示出)推動(dòng)相反側(cè)的限位塊，制造獲得所要求的薄片應(yīng)力值。
為了鎖定零值，可以采用易斷的桿。圖12和13示出了這種方法。
本發(fā)明人用了兩根剛性材料制成的桿35，例如玻璃或陶瓷材料。也可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)槽口36，以便形成斷點(diǎn)。最后，應(yīng)當(dāng)可以使調(diào)節(jié)臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)，使傳感器貼在接觸面37上，并通過與薄片22的接觸面平行的面38理想地引導(dǎo)傳感器，薄片22的至少一個(gè)接觸面進(jìn)行移動(dòng)，使薄片變形。該運(yùn)行的主要原理在于用面37固定傳感器，用面38引導(dǎo)傳感器，其中一個(gè)面是固定的，另一個(gè)面是活動(dòng)的。通過移動(dòng)面38將薄片22帶到理想位置。然后通過面39將薄片35緊貼到限位塊20上。一旦緊貼上以后，桿35將傳感器維持在預(yù)定的相反位置，并可使臺(tái)脫開。然后通過面37將傳感器固定到待測(cè)量的構(gòu)件上。當(dāng)完成了固定以后，用鉗子或沖擊力折斷桿35，以便使傳感器得到自由，進(jìn)行其運(yùn)行。
該方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)滿足所用的基本原理。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)行均恒壓彎，施加給限位塊的作用力較小。作用到限位塊上的力非常小的原因在于在壓彎以后，薄片在運(yùn)行時(shí)具有彎度，不再有牽引壓力。對(duì)于25*5*0．3mm的薄片和0．02mm的移動(dòng)距離來講，作用力為252N-33．7N。此外，在牽引薄片的情況下，不能精確地固定這種尺寸的薄片(測(cè)量靈敏度約為0．03微米)，可以方便地將導(dǎo)致薄片永久變形的應(yīng)力集中起來。該裝置的好處在于在固定位置完全沒有力矩，作用力較小，這使裝置便于粘接，這是因?yàn)檎辰觿┩ǔ？梢钥朔羟辛?，在測(cè)量部位的作用力基本不變，這樣就保證了大測(cè)量部位的特性。
均恒壓彎還可以理想地進(jìn)行回零，其滯后很少。在固定系統(tǒng)中，當(dāng)作用力超過某一極限值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生偏移。在回零時(shí)，系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力比摩擦力小，系統(tǒng)到達(dá)新的零平衡位置。這種作用在各個(gè)循環(huán)中產(chǎn)生，由此逐步從零開始偏移，如果作用力的方向改變，不確定性就會(huì)增加。在這種情況中，作用力在整個(gè)測(cè)量期間總是指向相同的方向，而且總是存在作用力，它們的值很小，基本保持恒定，這樣就可以保證盡可能小地偏離零。
權(quán)利要求
1．一種形變測(cè)量傳感器，它安裝在機(jī)械構(gòu)件上，其中產(chǎn)生有待測(cè)量的力，該傳感器包括一個(gè)可變形的金屬薄片，薄片上帶有測(cè)量調(diào)節(jié)器，將調(diào)節(jié)器安裝定位在薄片上，所述薄片可以感應(yīng)到因受到拉力和壓力所引起的機(jī)械變形，通過兩個(gè)載體件傳送機(jī)械變形，載體件與產(chǎn)生力的機(jī)械構(gòu)件有關(guān)，其特征在于所述傳感器上裝有一個(gè)機(jī)械閉鎖突緣，該突緣位于傳感器薄片的載體件之間的校準(zhǔn)本體上。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的形變測(cè)量傳感器，其上裝有一個(gè)閉鎖突緣，該突緣發(fā)送與突緣安置特性相關(guān)的電信號(hào)值。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形變測(cè)量傳感器，其中將所述突緣設(shè)置在傳感器薄片的載體件之間。
4．根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的形變測(cè)量傳感器，其中在將傳感器安裝到所述構(gòu)件上以后，折斷所述突緣，其中作用到所述薄片上的預(yù)應(yīng)力的數(shù)值與折斷突緣以前由傳感器發(fā)出的電信號(hào)的電壓有關(guān)聯(lián)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的形變測(cè)量傳感器，其中電校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)和閉鎖突緣均在調(diào)節(jié)臺(tái)上進(jìn)行。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的形變測(cè)量傳感器，其中突緣是在將所述變形測(cè)量傳感器安裝到機(jī)械構(gòu)件上以后可以折斷的剛性元件。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的形變測(cè)量傳感器，其特征在于機(jī)械閉鎖突緣的形狀是剛性罩，在調(diào)節(jié)過程中可以將傳感器薄片的載體件牢固地固定到罩內(nèi)。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的形變測(cè)量傳感器，其中罩包括可以使限位器形式的載體件在所述罩中沿薄片方向在縱向滑動(dòng)的設(shè)備，以及用于固定所述載體件的設(shè)備，以便限制這些構(gòu)件相對(duì)于罩的移動(dòng)。
9．根據(jù)權(quán)利要求1和8之一所述的形變測(cè)量傳感器，其中所述載體件是限位塊，所述薄片的端部均恒地彈性緊靠在限位塊上，通過壓彎以后將該薄片進(jìn)行剛性固定。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的形變測(cè)量傳感器，其中使所述薄片經(jīng)受永久變形，使其初始具有彎曲形狀。
11．根據(jù)權(quán)利要求8，9或10所述的形變測(cè)量傳感器，其中可以松開所述限位塊，以便在傳感器裝到機(jī)械構(gòu)件上時(shí)保證自由運(yùn)行。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的形變測(cè)量傳感器，其中所述罩包括至少兩個(gè)平行的側(cè)部，所述側(cè)部具有朝罩內(nèi)傾斜的傾斜面，傾斜面對(duì)應(yīng)地與各限位塊接觸，所述內(nèi)表面上開有縱向槽，以便使限位塊在縱軸上移動(dòng)。
13．根據(jù)權(quán)利要求8-12之一所述的形變測(cè)量傳感器，其中所述限位塊通過形成抵衡彈簧的設(shè)備與薄片相連。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的形變測(cè)量傳感器，其中所述彈簧由一個(gè)平板件構(gòu)成，利用槽口將彈性力傳送給該平板件。
15．一種形變測(cè)量傳感器，它包括一個(gè)端部均恒地彈性緊靠在限位塊上的薄片，通過壓彎以后將該薄片進(jìn)行剛性固定，以及測(cè)量與所述限位塊連接在一起的構(gòu)件變形的設(shè)備。
16．根據(jù)權(quán)利要求14所述的形變測(cè)量傳感器，其中所述限位塊通過形成抵衡彈簧的設(shè)備與薄片相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形變測(cè)量傳感器,它安裝在機(jī)械構(gòu)件上,其中產(chǎn)生有待測(cè)量的力,該傳感器包括一個(gè)可變形的金屬薄片(1,22),薄片上帶有測(cè)量調(diào)節(jié)器(2,23),將調(diào)節(jié)器安裝定位在薄片上,所述薄片(1,22)可以感應(yīng)到因受到拉力和壓力所引起的機(jī)械形變,通過兩個(gè)載體件(4,5,20)傳送機(jī)械張力,載體件與產(chǎn)生力的機(jī)械構(gòu)件有關(guān)。所述傳感器上裝有一個(gè)機(jī)械閉鎖突緣(31),在校正期間,該突緣位于載體件(4,5,20)和傳感器薄片之間的刻度上。
文檔編號(hào)G01B7/16GK1291279SQ99803021
公開日2001年4月11日 申請(qǐng)日期1999年2月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月16日
發(fā)明者菲利普·莫邦, 伊馮·朗古 申請(qǐng)人:麥卡創(chuàng)尼克新技術(shù)公司