02處檢測(cè)到的應(yīng)變?nèi)Q于所施加的力的大小以及該力沿梁的位置兩者以及施加到梁的任何附加力矩。因?yàn)樗┘拥牧的位置會(huì)變化，如圖1A-1C中所示，標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器102具有對(duì)負(fù)載或力的位置114的非均勻響應(yīng)。在下文更具體地描述凝膠的進(jìn)一步操作和功能。
[0048]圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括一個(gè)應(yīng)變儀的標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器102的電路圖。應(yīng)變儀Si和一個(gè)恒定電阻器如下所示被連接；該配置通常被稱為半橋。電阻器札被選擇為幾乎等于標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器102的電阻，使得輸出電壓ν-通常位于V+和V_兩者的中間。當(dāng)如圖1B所示將力施加到梁時(shí)，梁彎曲并且在標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器102處產(chǎn)生應(yīng)變，這繼而改變標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器102的電阻并且因此改變輸出電壓Vwt。
[0049]圖1D示出了一個(gè)實(shí)施例中的包括一個(gè)應(yīng)變儀的標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器102的電路圖。應(yīng)變儀SI和三個(gè)恒定電阻器R連接成完整的惠斯通電橋。當(dāng)施加電壓供給Vin時(shí)，產(chǎn)生輸出電壓Vwt。當(dāng)梁彎曲時(shí)，產(chǎn)生了改變標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器102的電阻并且改變輸出電壓Vtjut的應(yīng)變。
[0050]圖1E示出了另一個(gè)實(shí)施例中的包括四個(gè)應(yīng)變儀的標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器的電路圖。標(biāo)準(zhǔn)彎梁應(yīng)變傳感器可包括以完整的惠斯通電橋來(lái)電連接的四個(gè)應(yīng)變儀S1A、S1B、S2A和S2B。應(yīng)變儀如圖1E中所示進(jìn)行布置。應(yīng)變傳感器協(xié)同定位，使得SlA和SlB檢測(cè)平行于X軸的應(yīng)變而S2A和S2B檢測(cè)由平行于X軸的應(yīng)變所生成的泊松應(yīng)變。另外，當(dāng)施加電壓供給Vin時(shí)，生成輸出電壓V wt。
[0051]圖3A示出了一個(gè)實(shí)施例中的包括用于負(fù)載測(cè)量的梁的一側(cè)上的至少兩個(gè)應(yīng)變儀的力矩補(bǔ)償彎梁傳感器的側(cè)視圖。力矩補(bǔ)償彎梁傳感器使用該至少兩個(gè)應(yīng)變儀差分地減去任何所施加的力矩。圖3B示出了一個(gè)實(shí)施例中的包括兩個(gè)應(yīng)變儀的力矩補(bǔ)償彎梁傳感器的頂視圖。圖3C示出了另一個(gè)實(shí)施例中的包括兩對(duì)應(yīng)變儀或四個(gè)應(yīng)變儀的力矩補(bǔ)償彎梁傳感器的頂視圖。
[0052]如圖3A-3C所示，第一應(yīng)變儀302或一對(duì)應(yīng)變儀302A-B被置于沿其被標(biāo)記為X軸的軸向軸取向的梁基座304或梁306的根部處或附近，第二應(yīng)變儀316或一對(duì)應(yīng)變儀316A-B被置于也沿梁的軸取向的梁306的自由端312附近。對(duì)應(yīng)變儀302和316或302A-B和316A-B進(jìn)行取向，使得它們沿X軸對(duì)應(yīng)變作出響應(yīng)。第二應(yīng)變儀或第二對(duì)應(yīng)變儀可比梁306和平板308之間的支撐件或連接件310更靠近梁基座304或梁的根部。更具體地，第二應(yīng)變儀316的中心可比梁306和平板308之間的支撐件或連接件310的中心更靠近梁的基座。注意，梁在其自由端312附近彎曲，使得自由端312在所施加的力F的作用下在梁基座304處與梁的端部成角度。
[0053]在某些實(shí)施例中，支撐件或連接件310可為粘彈性聚合物諸如凝膠。術(shù)語(yǔ)“凝膠”可指連接梁和平板的任何適合可變形物質(zhì)。在一些實(shí)施例中，粘合劑可用于替代凝膠或者除了凝膠之外還可使用粘合劑。在其他實(shí)施例中，可遺漏該凝膠。在另外的實(shí)施例中，機(jī)械緊固件可將梁和平板附連。
[0054]在圖3A中，梁306被示出為被附接到剛性支撐件320。在另選的實(shí)施例中，剛性支撐件320可由柔性支撐件332替代，諸如圖3D和3E中所示。梁可通過(guò)緊固件332被加緊至或焊接至柔性支撐件332。柔性支撐件332可基本上比梁306更堅(jiān)硬。
[0055]在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖3D中所示，梁基座304附近的梁端部可通過(guò)對(duì)梁進(jìn)行加厚來(lái)形成。例如，梁的厚度可顯著地變化(1.5x到5x的厚度)以產(chǎn)生硬度變化。如圖3E所示，朝端部方向，梁可不進(jìn)行任何加厚處理。
[0056]在又一個(gè)實(shí)施例中，可改變梁寬度從而產(chǎn)生硬度變化。在再一實(shí)施例中，梁厚度變化、梁硬度變化、梁寬度變化的任何組合也可以產(chǎn)生比梁顯著更硬的端部。在另一個(gè)實(shí)施例中，梁可具有被連接到柔性支撐件或剛性支撐件的兩個(gè)端部。在又一個(gè)實(shí)施例中，梁的兩個(gè)端部可具有梁厚度變化、梁硬度變化、梁寬度變化的組合，這可產(chǎn)生比梁明顯更硬的兩個(gè)端部。
[0057]梁可在兩個(gè)應(yīng)變儀302和316之間具有均勻厚度。作為另外一種選擇，梁的厚度或?qū)挾瓤稍趦蓚€(gè)應(yīng)變儀之間變化。從數(shù)學(xué)上講，兩個(gè)應(yīng)變儀302和316之間的曲率在所施加的負(fù)載或力下具有零的二階導(dǎo)數(shù)。一般來(lái)講，在操作期間，在兩個(gè)應(yīng)變儀之間未施加外部負(fù)載或力。
[0058]在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)應(yīng)變儀302和316被電連接為惠斯通電橋中的一個(gè)臂(參見(jiàn)圖4)。施加到彎梁的自由端的力將引起沿梁的長(zhǎng)度變化的力矩。這將引起兩個(gè)應(yīng)變儀處的電阻的不同量值的變化并且使得半個(gè)惠斯通電橋的輸出發(fā)生變化。該輸出為來(lái)自兩個(gè)應(yīng)變儀302和316的差分輸出。在另選的實(shí)施例中，應(yīng)變儀可被連接到獨(dú)立的半橋?？墒褂媚M或數(shù)字電路來(lái)去除來(lái)自這些獨(dú)立電橋的信號(hào)。在一些情況下，可能有必要在去除之前對(duì)每個(gè)信號(hào)施加獨(dú)立的縮放。
[0059]用于力矩補(bǔ)償彎梁傳感器的輸出電壓為來(lái)自兩個(gè)應(yīng)變儀302(S1)和316(S2)的輸出的差分信號(hào)。在應(yīng)變儀302處，
[0060]M1=F(L-Xfa)等式(I)
[0061]S1=M1V^EI等式(2)
[0062]ClR1=RGe1等式(3)
[0063]在應(yīng)變儀316處，
[0064]M2= F (L-χ 2-a)等式(4)
[0065]ε2=Μ2t/2EI等式(5)
[0066]dR2= RG ε 2等式(6)
[0067]其中MjPM2為力矩并且ε ι和ε 2為應(yīng)變，E為楊式模量，I為梁的慣性矩，dR:和dR2為相應(yīng)應(yīng)變儀302和316的電阻變化，R為應(yīng)變儀302和316中的每個(gè)應(yīng)變儀的電阻，G為應(yīng)變儀的量規(guī)因數(shù)、t為梁的厚度、w為梁的寬度以及L為梁的長(zhǎng)度。a為力的位置，或負(fù)載距梁306的自由端312的距離。在一些實(shí)施例中，兩個(gè)應(yīng)變儀的電阻可能不相等。
[0068]注意，dRjP (11?2均取決于梁長(zhǎng)度L和力的位置a。然而，差分信號(hào)Δ獨(dú)立于梁長(zhǎng)度L和力的位置a。差分信號(hào)為(11?1與(11?2之間的差，其被表示如下:
[0069]Δ = dRrdR2= RGtF (X ^X1)/2EI等式(7)
[0070]在另選的實(shí)施例中，四個(gè)應(yīng)變儀302A-B和316A-B被電連接為完整的惠斯通電橋。圖5是根據(jù)另一實(shí)施例的包括四個(gè)應(yīng)變儀的力矩補(bǔ)償彎梁傳感器的惠斯通電橋的電連接的電路圖。輸出電壓Vrat不取決于力的位置或梁的長(zhǎng)度?；菟雇姌?yàn)橛糜谕ㄟ^(guò)平衡電橋電路的兩個(gè)腿來(lái)測(cè)量未知電阻的電路。一條腿包括未知部件，并且三條腿由具有已知電阻的電阻器形成。在該配置中，四個(gè)應(yīng)變儀替換三個(gè)已知電阻器和一個(gè)未知電阻器。代替平衡該電阻以獲取接近零的輸出，利用應(yīng)變儀302A (SlA)、302B (SlB)、316A (S2A)和316B (S2B)的阻抗來(lái)產(chǎn)生電壓輸出Vtjut。施加到梁306的自由端312的力矩引起每個(gè)應(yīng)變儀的電阻變化。輸出節(jié)點(diǎn)為在圖6B和6C中也被示出為電觸點(diǎn)512的512a、512b、512c和512d。
[0071]圖6A是根據(jù)實(shí)施例的力矩補(bǔ)償彎梁傳感器設(shè)備的頂視圖。傳感器設(shè)備600包括彎梁306和在公共載體602A上并且與彎梁306對(duì)準(zhǔn)的兩個(gè)應(yīng)變儀。梁傳感器600A被置于梁上，使得應(yīng)變儀SI位于電觸點(diǎn)614附近(靠近梁基座304)并且使得應(yīng)變儀S2靠近施加力的自由端312。可能有用的是將傳感器600A的電觸點(diǎn)614遠(yuǎn)離負(fù)載位置定位，以避免對(duì)觸點(diǎn)的損害或者不必要沿梁的長(zhǎng)度延伸電觸點(diǎn)，但應(yīng)當(dāng)理解，另選的實(shí)施例可以不同方式對(duì)傳感器進(jìn)行取向。載體602A或傳感器600A與梁的中心X軸對(duì)準(zhǔn)。在該實(shí)施例中，Vexc+被連接到梁傳感器302并且Vexc-被連接到梁傳感器316。輸出Vtjutput連接在傳感器302和316之間。
[0072]圖6B是另一個(gè)實(shí)施例中的包括公共載體602B上的與彎梁306對(duì)準(zhǔn)的四個(gè)應(yīng)變儀的力矩補(bǔ)償彎梁傳感器的頂視圖。另外，傳感器600B被置于梁306上，使得電觸點(diǎn)512靠近梁基座304并且進(jìn)一步遠(yuǎn)離梁的自由端312。電觸點(diǎn)512包括來(lái)自惠斯通電橋的四個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。電觸點(diǎn)512還可包括用于溫度補(bǔ)償?shù)囊€鍵合焊盤。另外，具有應(yīng)變儀S1A、S1B、S2A和S2B的載體與梁的中心X軸對(duì)準(zhǔn)。
[0073]圖6B還示出了一個(gè)實(shí)施例中的力矩補(bǔ)償彎梁傳感器中的被連接在惠斯通電橋中的四個(gè)應(yīng)變儀的布線布局。在這種方案中，電觸點(diǎn)焊盤604B被連