電子力敏載荷元件的製作方法
2023-10-11 15:13:24
專利名稱：電子力敏載荷元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種力敏載荷元件，尤其涉及一種電子力敏載荷元件，其中待測量的由彎曲引起的應變是由純剪力產生的。
人們早就熟知，應用電應變片將所產生的應變精確地變換成相關的電阻抗的變化，可測出梁、柱、隔板等構件中由載荷引起的彈性應變。導線、金屬薄片以及半導體被廣泛應用於此類變送裝置中，能造得很小，適合於安裝在這種變送裝置的面積較小的表面上。
一般地，變送器被設計和製造成獨立的構件，以滿足各種裝置的需要，但是通常只有當施加的負荷仔細地對準預定的軸中心線時，這些變送器才能精確地響應。在小尺寸的變送單元中，常使用縱向隔板來消除不希望有的橫向偏移。在較大的變送組合中，例如在笨重的秤臺或者類似物中，潛在的不良側力可能由有時被稱為撓曲杆或支承杆的堅固但有些彈性的構件所阻隔。在這些裝置中設置有可撓曲的導向裝置，這些導向裝置實際上平行於載荷元件或變送器。在這類特別設計的載荷元件中，傳感器的臨界彈性特性因類似的撓曲件或支承杆而改變，這些部件不穩定的或非線性的工作狀況可以大大降低測定精度和線性度。最近，有些載荷元件已經使用了力敏諧振器，根據施加的負荷測量頻率輸出。
然而，上述這些已有技術的載荷元件由於滯彈性出蠕變和靜態應變滯後而受到解析度的限制，當載荷元件的曲件中剪切應力小於彎曲應力時，這種情況特別明顯。而且，在這些已有技術的載荷元件中，必須由電橋電路的平衡來補償不同於待測量力的側力和影響。電橋電路的平衡要求應變片的位置精確，也要求所有應變片的傳感係數相等。為了補償這些誤差，通常要專門加工這些已有技術的載荷元件。
本發明的總目的是提供一種新穎的和經改進的電子力敏載荷元件，該元件產生的輸出信號與不需要的信息和因負荷力位置變化引起的幹擾高度分離。
本發明的另一個目的是提供一種電子力敏元件，該元件減少了滯彈性蠕變和靜態應變滯後的影響。
為實現本發明，載荷元件的結構形成對稱分布的水平和垂直剛性件，它們通過彎曲部相互連接，使載荷元件形成平行四邊形。在本發明的一個實施例中，垂直曲杆延伸在平行四邊形水平件之間，並牢固地與平行四邊形水平件相連。應變片粘附在曲杆上，當平行四邊形的一個垂直件固定以及負荷垂直施加於另一垂直件時，載荷元件將根據真正的剪力變形成平行四邊形。該剪切變形傳遞給曲杆，曲杆也將彈性變形。應變片包括在惠斯頓電橋電路內。當電橋電路被電激勵後，電橋電路輸出的信號將測量曲杆內由純剪力之類負荷力所產生的應變，而與載荷元件上施加負荷的位置無關。
在本發明的另一個實施例中，曲杆水平設置在載荷元件的垂直件之間，並延伸在載荷元件的垂直件之間。在本發明的又一個實施例中，偏移的垂直杆件連接到載荷元件的水平件上。力敏諧振件連接在偏移的杆件上，並且根據施加的負荷測量諧振件的頻率輸出。
圖1是本新穎的載荷元件裝置的一個實施例的透視圖;
圖2是載荷元件裝置的側視圖，圖示了誇大的負荷條件，以示出負荷動態情況;
圖3是示出圖1和圖2的曲杆另一方案的局部視圖;
圖4是圖示圖1和圖2的曲杆的又一方案的局部視圖;
圖5是示出載荷元件裝置另一實施例的視圖;
圖5a是圖5的載荷元件裝置的透視圖;
圖6是示出了圖5的載荷元件裝置的又一方案的視圖;
圖7是載荷元件裝置另一個實施例的視圖;
圖8示出了載荷元件裝置的另一個實施例;
圖9是示出圖8的曲杆的另一個實施例的局部視圖;
圖10示出了新穎的載荷元件裝置的又一個實施例;
圖11示出了載荷元件裝置的又一個實施例;
圖12是用於某些載荷元件裝置的實施例的惠斯頓電橋電路的示意圖;
圖13是載荷元件裝置作敏感諧振器使用時的電路的框圖;
圖14是示出載荷元件裝置不同實施例的視圖;和圖15是示出載荷元件裝置另一實施例的視圖。
現在參見附圖，特別是圖1和圖2，將看到一新穎的電子力敏載荷元件裝置，由參考號10標出。電子載荷元件裝置10包括一載荷元件構件11，最好由合適的金屬如鋁或者類似金屬機械加工而成。載荷元件構件11呈矩形構造，包括垂直件12、垂直件13、上水平件14和下水平件15。垂直件12和13相對平行設置，上水平件和下水平件也相對平行設置。
上水平件14和垂直件12和13之間的接合處被挖掉一部分，形成彎曲部16。相似地，下水平件15和垂直件12和13之間的接合處也被挖掉一部分，形成彎曲部17。
載荷元件構件11也包括垂直曲杆18，該垂直曲杆18延伸在上水平件和下水平件之間，與上水平件和下水平件形成整體，並且在不水平件和下水平件的橫向中間部分上與上水平件和下水平件垂直。杆18的橫截面呈矩形，位於上水平件的兩縱向側緣14a之間，並與該兩側緣等距，也位於下水平件兩縱向側緣15a之間，並與該兩側緣等距。曲杆18的中心軸18c位於載荷元件構件11的橫向中線面和縱向中線面的相交線上。曲杆18具有固定在其一個垂直表面18a上的應變片C1和T1以及固定在其另一個垂直表面18b上的應變片T2和C2。應變片沿曲杆的中心軸對稱設置。該應變片屬於電阻類型，受激勵時，產生一個同電阻抗的變化相應的信號。
現在參見圖12，將看到應變片作為惠斯頓電橋電路19的橋臂形式連接。導線20和21把電橋電路19連接到電源上，導線22和23把電橋電路連接到合適的讀數機構，最好是數字式讀出盤24。
使用時，載荷元件構件堅固地與支撐部25連接，並從支撐部25懸臂地伸出。在所示的實施例中，垂直件12固定在支撐部25上，負荷箭頭26表示待測量的負荷。所施加的負荷或力與載荷元件構件的上表面垂直。如圖2所示，當負荷施加於垂直件13的上表面時，載荷元件構件的垂直和水平件以平行四邊行的方式作彈性變形。載荷元件的水平和垂直件的變形基本上屬剪切性質。這種變形傳遞給曲杆18，曲杆18相應於負荷作彎曲或變形。曲杆產生的應力使應變片發生應變。當電橋電路19受激勵或通電後，曲杆和應變片上呈現的應力可以象有關電阻抗變化一樣被測量出，並且轉換成可讀出信號，如重量或者類似信號。
再參見圖2，可以看出，如果負荷26施加於上水平件14上，因為載荷元件構件構造的特殊性，載荷元件將偏置或變形成平行四邊形。由於載荷元件構件為單體構造，因此，作用於載荷元件構件的負荷總是基本上垂直作用於兩個水平件中的一個或者載荷元件構件的上(或下)表面。該載荷元件的平行四邊形之類的彈性變形的發生與垂直件13相關表面上垂直施加負荷26的具體位置無關。如果負荷垂直作用於載荷元件構件，即使負荷並不位於載荷元件構件的垂直方向的縱向中線面內，也將發生平行四邊形的變形。對載荷元件構件施加偏心的垂直負荷不會影響載荷元件構件的平行四邊形變形。因此，傳遞到曲杆18上的負荷或力基本上是剪切力，最後變換成測量值，如重量或者類似量。因此，曲杆18的單獨設置基本上消除了因負荷的非對稱作用而產生的側向力或不希望有的力。
載荷元件構件11獨特的構造，完全避免了通常要用輔助隔板或撓性杆來消除不希望有的橫向變形和類似變形。因此，載荷元件構件11的獨特的構造允許保持其精確測量負荷必不可少的臨界彈性特點。最後，由於載荷元件構件被設計和製造成測量剪切應力，即使沒有完全消除滯彈性蠕變和靜態應變滯後，也能顯著予以減小。
現在參照圖3，可以看到圖1和圖2所示的實施例的另一方案。在圖3中，僅示出了曲杆的一個方案，由參考號38表示。包含有曲杆38的載荷元件與圖1和圖2所示的載荷元件相同。曲杆38具有固定在其垂直表面38a上的應變片C1和T1以及固定在其表面上38b上的應變片T2和C2。曲杆38有一對垂直隔開的通孔39，沿著曲杆的中心軸40排列。在所示的實施例中，通孔38為圓柱形，中心軸40沿直徑方向通過這些通孔。應變片也以與電橋電路19相同的電橋電路連接。圖3的裝置應用於如某一容量範圍所需要的載荷單元。關於這一方面，在沿中心軸的通孔39中挖去一些材料則可增加曲杆38的剪力引起的彎曲度。因此，曲杆對應於特定的經選擇的載荷容量範圍。另外，圖3所示的載荷元件的工作方式與圖1和圖2所示的相同。
現在參見圖4，圖4示出了曲杆的另一個實施例，由參考號48標出。包含有曲杆48的載荷元件與圖1和圖2的載荷元件構件的實施例相同。曲杆48在其表面48a和48b上具有上和下半圓柱形凹槽49。可以注意到，一對上凹槽49相對設置，一對下凹槽也相對設置。兩凹槽49對稱於曲杆48的中心軸50。力敏石英揩振元件Q1固定在曲杆48的表面48a上，並且跨越其一個上凹槽49。第二個力敏石英諧振元件Q2固定在曲杆48的表面48b上，跨越其另一個上凹槽49。諧振元件Q1和Q2沿著中心軸50相對設置。
圖13示意性示出了力敏諧振器的電路圖。在由參考號51標出的諧振電路中，每個諧振元件Q1和Q2與一對諧振電路52中的一個電連接。當電路51通電後，振蕩電路激勵諧振元件。從石英諧振元件Q1和Q2來的頻率輸出信號直接送至微處理器53，該微處理器具有合適的完成某些功能和控制的軟體。
微處理器與用於數據存儲、分析和輸出的計算機54相連或者微處理器與輸出顯示和/或控制器55相連。諧振電路51也包括與微處理器53相連的溫度傳感器和電路56。即使諧振元件Q1和Q2以及載荷元件構件具有匹配的熱膨脹係數，也必須測量載荷元件的溫度，進行熱應變校正，並把它加到施加的負荷應力上。計算由微處理器53完成。
現在參見附圖，尤其是圖5和圖5a，可以看到，圖5和圖5a示出了由參考號60標號的載荷元件裝置的不同的實施例。載荷元件60包括呈普通矩形構造的載荷元件構件61，該構件61最好由鋁或者類似的金屬坯切削而成。載荷元件構件61包括一垂直件62、一垂直件63、一上水平件64和一下水平件65。上彎曲部66把上水平件與垂直件連接。下彎曲部67把下水平件與垂直件連接。
下水平件65具有一對與其整體形成的從其向上凸出的軸向隔開的垂直載荷轉換件68。每個載荷轉換件68具有一基本垂直的表面68a，表面68a向下與下彎曲部67之一匯合。每個載荷轉換件68也具有一垂直表面68b，表面68b向下與下水平件65的上表面65a匯合。水平曲杆69與載荷轉換件68整體形成，並位於載荷轉換件68之間。可以看出水平杆69的橫截面呈矩形構造，並且有平滑的上和下表面。
上水平件64具有一與其中央部分形成整體的且下垂的載荷傳遞件70，載荷傳遞件70與水平曲杆69的中間部分剛性地相互連接。可以看出，載荷傳遞件70從上水平件64的下表面64a延伸。也可以看出，上水平件的側表面70a向內逐漸變小與水平曲杆69匯合，後者的寬度基本上小於載荷元件構件的上和下水平件的寬度。水平曲杆69的上表面具有固定在其上的應變片C1和T1，曲杆的下表面具有固定在其上的應變片C2和T2。可以注意到，一對應變片位於載荷傳遞件70的一側，另一對應變片位於載荷傳遞件70的另一側，並且對稱於曲杆的中心軸74。
載荷元件構件61的一端牢固地固定到支撐部72上，並且從那裡懸臂向外伸出。待測量的負荷以箭頭73的方式垂直作用於載荷元件構件的上表面。應變片C1、C2、T1和T2以與圖12所示的電橋電路相同的電橋電路相互連接。可以看出，當載荷元件60受到垂直於載荷元件構件61的上表面的負荷時，載荷單元構件將以平行四邊形方式變形，並且該變形將被傳遞到曲杆69上。曲杆的應變將由應變片感知，當電橋電路通電後，輸出信號可以轉換成可讀出信號，如重量或者類似信號。而且，可以注意到，雖然曲杆因受負荷作用而處於拉伸或壓縮狀態，但這種拉伸或壓縮是由剪切引起，所以實際測量的負荷基本上剪力。
現在參見圖6，可以看出，圖6示出了載荷元件的又一個實施例，由參考號80標出。載荷元件80包括普通矩形構造的載荷元件構件81，從適當堅硬的金屬材料例如鋁或類似金屬切削而成。載荷元件構件81包括垂直件82、垂直件83、上水平件84和下水平件85。上水平件84通過上彎曲部86與垂直件相互連接，下水平件85通過下彎曲部87與垂直件連接。
下水平件85具有一對與其形成整體的從其向上凸出的縱向隔開的相似的下載荷傳遞件88。上水平件84具有一與其形成整體的從其向下凸出的上載荷傳遞件89。這些傳遞件彼此之間基本平行，並且也與垂直件平行。可以注意到，上載荷傳遞件89位於下載荷傳遞件88之間，且與其距離相等。每個下載荷傳遞件88具有一基本平滑的水平表面90，上載荷傳遞件89具有面朝下的平滑表面91。下載荷傳遞件的二個表面90位於同一平面，且稍低於上載荷傳遞件89的平滑表面。
可以看出，一對頻率諧振石英部件Q1和Q2中每個固定在上載荷傳遞件88中一個的上表面上。每個諧振器從相關的下載荷傳遞件向旁邊延伸，並固定到上載荷傳遞件89的下表面上。載荷傳遞件88、89和頻率元件Q1和Q2的作用與曲杆相同。雖然載荷傳遞件不彎曲，但它們把剪切負荷傳遞給頻率諧振部件，使其隨負荷而變形。頻率諧振器Q1、Q2是與圖13的電路相同的諧振頻率電路的元件。載荷元件構件81的一端牢固地固定在支撐部92上，並從其上凸出。如剪頭93所示，負荷垂直地作用於載荷元件構件的上表面。相反地，負荷也可以以箭頭94的方式垂直地作用於載荷元件構件81的下表面上。
當負荷如箭頭93所示垂直作用於載荷元件構件81上時，載荷元件構件將以平行四邊形的方式有彈性地變形，頻率諧振器Q1、Q2分別處於壓縮和拉伸狀態。頻率諧振器Q1、Q2的拉伸影響它們的頻率輸出。相反，當負荷以箭頭94的方向垂直作用於載荷元件構件的下表面時，頻率諧振器將處於與負荷93的狀態相反的狀態。這些頻率諧振器的位伸或壓縮由剪切產生，所以測量負荷的輸出信號將主要通過測量剪力而產生。
現在參見圖7，可以看出，圖7示出了新穎的載荷元件裝置的另一個實施例，由參考號100標出。載荷元件裝置100包括一普通矩形的由如鋁或者類似金屬的金屬材料坯切削而成的載荷元件構件101。載荷元件構件101包括一垂直件102、一垂直件103、一上水平件104和一下水平件105。上水平件104通過上彎曲部106與垂直件相連，下水平件105通過下彎曲部107與垂直件相連。
載荷元件構件101也設置有一對在其內軸向隔開的垂直延伸通孔108，每個通孔靠近一個垂直件，每個通孔108與水平和垂直件相配合產生上和下彎曲部。載荷元件裝置101也包括一對在其內垂直隔開的通孔108a。
載荷元件構件101還包括一對垂直載荷傳遞件109，每個垂直載荷傳遞件109與垂直件102、103向內留有空間。每個載荷傳遞件109通過上彎曲部110與上水平件104相連，通過下彎曲部111與下水平件105相連。彎曲部110、111的厚度比彎曲部106、107薄。可以看出，這些彎曲部106、107是由通孔108和108a的外形所限制的。
垂直載荷傳遞件109通過水平設置的曲杆112相互連接在一起，水平設置的曲杆112基本上與上水平件104和下水平件105平行設置。曲杆112也基本上垂直於載荷傳遞件109設置。
載荷元件構件101從支撐部113向外懸臂安裝，並且從支撐部113向外凸出。作用於載荷元件的負荷由箭頭114指示，箭頭114圖示了垂直作用於載荷元件的上表面的負荷。應變片C1和T1粘貼在曲杆112的上表面，應變片C2和T2粘貼在其下表面上。可以注意到，應變片相對於曲杆的中心軸115對稱設置。應變片以圖1和圖2的實施例的方式設置成電橋電路19。可以看出，負荷垂直作用於載荷元件構件101，當電橋電路通電或被激勵時，載荷元件構件將以平行四邊形的方式變形。這種變形將通過載荷傳遞件109傳遞到曲杆上。在這一方面，載荷傳遞件109將在彎曲區110、111彎曲並變形成平行四邊形。因此，真正的剪切將引起曲杆112彎曲，應變片C1、C2、T1和T2將感知曲杆的應變。所以，可以看出，作用於載荷元件構件的負荷將測量真正的剪切，並且可以被轉換成重量輸出。
現在參見了圖8，可以看出，圖8示出了載荷元件裝置的不同的實施例，由參考號130標出。載荷元件裝置130包括矩形載荷元件構件131，載荷元件構件131包括一垂直件132、一垂直件133、一上水平件134和一下水平件135。上彎曲部136把上水平件134連接到垂直件上，下彎曲部137把下水平件135連接到垂直件上。載荷元件構件由合適的金屬如鋁或類似金屬切削而成。
載荷元件構件131具有一對相似的通孔138，該通孔限定了垂直設置的曲杆139，曲杆139延伸在上和下水平件之間，並且與上和下水平件為一整體。曲杆139與垂直件基本上平行設置，並且基本上垂直於水平件。在所示的實施例中，曲杆139其內具有一形狀對稱的垂直通孔140，通孔140呈啞鈴構造，限定了一對基本上平行對置的杆件141。通孔140也限定一對上彎曲部142，每個上彎曲部把一個杆件與上水平件134相連。通過孔140也形成一對下彎曲部143，下彎曲部143延伸在每個杆件和下水平部件135之間，並把每個杆件連接到下水平件135上。
載荷元件構件131安裝在支撐部144上，並從支撐部144懸臂凸出。作用於載荷元件構件上的負荷由箭頭145指示，該箭頭145圖示了垂直作用於載荷元件的上表面上的負荷。應變片C1、T1、C2和T2固定在杆件141上，並且相對於曲杆的中心軸對稱設置。
當如箭頭145所示向載荷元件施加負荷時，因其特殊的結構，載荷元件以平行四邊形的方式變形。施加的負荷基本上是剪力，並將被傳遞到曲杆139上，曲杆139根據剪力負荷而引起彎曲。應變片將測量曲杆的應變，並可以作為重量讀出。應變片將以與圖12的電路51相同的電橋電路連接。
在圖8的實施例中，由於曲杆的特殊構造，曲杆對剪切引起的彎曲更靈敏，並且允許載荷元件在不同容量範圍內測量。圖8所示的載荷元件裝置將測量真正的剪力，即使沒有如已有技術的裝置所要求的把負荷對稱作用於載荷元件的上表面上。
現在參見圖9，可以看出，圖9示出了與圖8所示的載荷元件曲杆稍微有些不同的實施例。因圖9所示的載荷元件裝置僅在曲杆結構上與圖8所示的實施例不同，因此，圖9的絕大部分圖示了圖8所示的曲杆的方案。圖9所示的載荷元件裝置160包括具有垂直件(未示出)以及上水平件164和下水平件165的載荷元件構件。曲杆169延伸在圖8的實施例中的上和下水平件之間，並且與上和下水平件為一整體。
曲杆169其內也包括一啞鈴形的垂直通孔170，由此限定一對對置的基本平行的杆件171。上彎曲部172把杆件與水平件相連，下彎曲部173把杆件171與下水平件相連。每個杆件171其內還有兩上凹槽175，彼此相對設置。每個杆件其內也具有兩下凹槽176，彼此相對設置。
兩上凹槽175中的一個具有一個覆蓋其上的頻率諧振器Q2，另一個上凹槽具有一個覆蓋其上的頻率諧振器Q1。頻率諧振器Q1、Q2是圖13的電路相同的諧振頻率電路的元件。並且相對於中心軸174對稱設置。然而，凹槽175、176決定了曲杆169的彎曲靈敏度，由此來使載荷元件裝置測量不同範圍的剪切引起的彎曲。
現在參見圖10，可以看出，圖10示出了新穎的載荷元件裝置的又一個實施例，由參考號180標出。載荷元件裝置180包括普通圓柱形載荷元件構件181，載荷元件構件181包括一垂直件182、一垂直件183、一上外水平件184和一下外水平件185。
在所示的實施例中，載荷元件構件181其內具有一上槽狀通孔186，上槽狀通孔186與擴大的圓柱形通孔187相通。槽188使大圓柱形通孔187與擴大圓柱形通孔189相互連通。上槽和擴大通孔的構造限定了上水平件184。
載荷元件構件181也具有一在其下半部分內的槽狀通孔191，槽狀通孔191與其內的圓柱形通孔192相通。槽193使圓柱形通孔192與擴大圓柱形通孔184相互連通。下槽和圓柱形通孔的構造限定了下水平件185。
還可以注意到載荷元件構件181具有一對通過其中部的相似的細長通孔196，一對通孔196彼此配合形成位於中心的垂直設置的曲杆197。通孔196與上槽和擴大通孔配合，限定一上內水平件184a相似地，通孔196與下槽的擴大通孔配合，形成下內水平件185a。載荷元件181具有位於中心的向上軸向設置於其水平件內的通孔凹穴198。載荷元件構件還具有在其內下軸向設置的通孔凹穴199。這些通孔都有螺紋，使載荷元件的端線可以固定到支撐部和承受載荷的部件上(未示出)。
可以看出，通孔196與上擴大圓柱形通孔187、189配合，限定把上內水平件184a與載荷元件的垂直件相互連接的上彎曲部200。相似地，通孔196與下擴大圓柱形通孔192、194配合，限定設置在下內水平件185a和載荷元件的垂直件之間的彎曲部201。曲杆197具有一中心軸202，應變片C1、C2、T1和T2相對於中心軸202對稱附在曲杆的垂直表面上。在此指出，應變片以如圖12的電路圖51所示的電橋電路連接。
如果載荷元件構件201通過凹穴198中的螺栓或者其它緊固件固定到支撐部上，那麼作用於固定在凹穴199內的承受負荷的部件上的負荷將豎直並基本垂直於下外水平件185。載荷元件構件將變形成平行四邊形，將該載荷傳遞到曲杆197，曲杆將根據負荷而彎曲。在該方面，有彈性的平行四邊形變形涉及到垂直件182、183和上內和下內水平件184a和185a。由於載荷元件構件將變形成平行四邊形，施加於載荷元件上的負荷將基本上是引起曲杆197彎曲的剪力。應變片將測量剪力引起的曲杆的應變，並且該負荷可以以重量測量。再且，可以注意到，該裝置揭示了一種載荷元件構件的端線負荷。
現在參見圖11，可以看出，圖11示出了載荷元件裝置的另一個實施例，由參考號210標出。載荷元件裝置包括一普通矩形狀載荷元件構件211，載荷元件構件211包括一垂直件212、一垂直件213、一上外水平件214和一下外水平件215。載荷元件構件211其內具有一細長槽216，上槽216水平設置，沿著載荷元件構件的一個垂直邊沿向外開口。載荷元件構件211其內還具有一個下細長槽217，下細長槽217基本上平行於上槽216設置，沿著載荷元件構件的另一個垂直邊沿向外開口。
載荷元件構件211其內具有一對靠近其中心部分的普通矩形通孔218。通孔218與上槽216和下槽217配合，限定上內水平件219和下內水平件220。可以注意到，這些水平件219、220彼此之間相互基本平行設置，並且與上外和下外水平件基本平行。通孔218也形成一個位於中心的垂直的曲杆221，曲杆221延伸在上內水平件219和下內水平件220之間。
可以注意到，通孔218的構造與上槽216配合，在載荷元件構件211的上內水平件219和垂直件之間形成上彎曲部222。還可以注意到，下內水平件220通過下彎曲部223與載荷元件構件211的垂直件相連。
載荷元件構件211可以從適當的金屬如鋁或者類似金屬的板材毛坯機械加工而成。可以看出，上外水平件214其內具有多個通孔224，以把載荷元件構件通過螺釘、螺栓或者類似物固定或者連接到合適的支撐結構上。還可以注意到，下外水平件215其內具有多個縱向隔開的通孔225，以把下水平件通過螺釘、螺栓或者類似物與負荷連接。
曲杆221具有粘附在其相對兩垂直面上的應變片C1、C2、T1和T2，這些應變片相對於曲杆的中心軸226對稱設置。應變片連接成與圖12的電橋電路19相同的惠斯頓電橋電路。因此，當電路通電和把負荷施加於載荷元件構件上時，後者將根據負荷而變形，通過惠斯頓電橋電路測量負荷。
在所示的實施例中，負荷將垂直施加於下外水平件上，該負荷將引起垂直件和內水平件形成的平行四邊形以圖1和圖2的實施例方式彈性變形。由於負荷垂直施加於載荷元件構件，載荷元件構件尤其是其平行四邊形將主要根據剪切發生變形。因此，曲杆221將彈性變形(彎曲)，並由應變片測量曲杆內呈現的應變。因而，載荷元件裝置210也測量剪切引起的彎曲應變。
現在參見圖14，可以看出，圖14示出了載荷元件裝置的不同的實施例，由參考號240標出。載荷元件裝置240包括載荷元件構件241，載荷元件構件241呈普通矩形構造，最好由如鋁、不鏽鋼或類似的金屬塊機械加工而成。載荷元件構件241包括一垂直件242、一垂直件243、一上水平件244和一下水平件245，這些水平和垂直件剛性地連接在一起。載荷元件裝置包括一對在上水平件244和垂直件242、243之間的上彎曲部246。載荷元件構件241包括一對在下水平件245和垂直件242、243之間的下彎曲部247。
載荷元件構件241還包括一垂直設置的下載荷傳遞件248和垂直設置的上載荷傳遞件249。可以注意到這些載荷傳遞件彼此之間縱向偏移，並且與垂直件242、243基本上平行設置，並與上和下水平件正交或垂直延伸。下載荷傳遞件248具有一基本平滑的水平上表面250，而上載荷傳遞件249具有一基本平滑的下表面251。表面250、251彼此之間垂直方向留有空隙，並且彼此之間和與上水平件244上表面和下水平件245的下表面基本平行設置。
可以看出，下載荷傳遞件248具有一較長的垂直表面248a，垂直表面248a向下延伸到兩個彎曲部247中的一個，下載荷傳遞件248還具有一個較短的垂直表面248b，垂直表面248b從下水平件245的上表面245a向上延伸。相似的，上載荷傳遞件249具有一較長的垂直表面249a，垂直表面249a向上延伸並與兩上彎曲部246中的一個匯合。上載荷傳遞件249還具有一較短的垂直表面249b，垂直表面249b從上水平件244的下表面244a向下延伸。
還可以注意到，上水平件244具有一匯合到上彎曲部246的垂直表面244b。相似地，下水平件245具有一匯合到下彎曲部247的垂直表面245b。
力敏頻率諧振器Q固定到上和下載荷傳遞件上，並延伸在上和下載荷傳遞部件之間。在所示的實施例中，力敏頻率諧振石英部件Q固定在上負荷傳遞件249的下表面251和下負荷傳遞件248的上表面250上。垂直件242固定到支撐部252上，並從其上以懸臂方式凸出。箭頭253表示施加於載荷元件構件241的上表面上的力的垂直方向。箭頭254表示垂直施加於載荷元件構件241的下表面的力或負荷的作用。
載荷傳遞件248、249和頻率諧振石英部件Q形成了曲杆。雖然，載荷傳遞件248、249不彎曲，但傳遞件支撐力敏頻率諧振石英部件Q並把作用於載荷元件的剪切負荷傳遞給力敏頻率諧振石英部件Q。當負荷或力以箭頭253的方式垂直作用於載荷元件構件的上表面時，力敏頻率諧振器將受到拉伸，當諧振器受諧振信號激勵時，拉伸將影響諧振器的頻率輸出。相反地，當力以箭頭254的方式垂直作用於載荷元件構件的下表面時，力敏頻率諧振器Q將受到壓縮，該壓縮也影響諧振器的頻率輸出。無論哪一種情況，載荷元件構件將以平行四邊形的方式彎曲並變形，這樣載荷元件將測量真正的剪力。
載荷元件240的電路除了僅設置有一個諧振石英部件的一個振蕩器之外與圖13圖示的電路51相似。輸出信號可以以重量載荷測量作用於載荷元件上的力。
現在參見圖15，可以看出，圖15示出了載荷元件裝置的不同的實施例，由參考號270標示。載荷元件裝置270包括呈普通矩形構造的載荷元件構件，由合適的金屬如鋁或者類似金屬機械加工而成。載荷元件構件271包括一垂直件272、一垂直件273、一上水平件274和一下水平件275。上彎曲部276位於上水平件274和垂直件272、273之間。下彎曲部277位於下水平件275和垂直件272、273之間。
載荷元件構件還包括一下載荷傳遞件278和一上載荷傳遞件279，兩傳遞件278、279相互之間縱向偏移。上和下載荷件彼此之間基本平行設置，並且與垂直件基本平行。上和下載荷件與水平件基本正交或垂直。下載荷傳遞件278設置有基本平滑的水平上表面280，上載荷傳遞件279設置在基本平滑的水平下表面281。表面280和281彼此之間基本平行設置，並且也與上水平件274的上表面和下水平件275和下表面基本平行。下載荷傳遞件278設置有垂直表面278a垂直表面278a從下載荷傳遞件278的上表面280延伸到相鄰的彎曲部277。下載荷傳遞件還包括一垂直表面278b，它從表面280延伸到下水平件275的上表面275a。下水平件275還包括一垂直表面275b，匯合到相鄰的彎曲部277。
上載荷傳遞件279還具有一從水平表面281延伸到相鄰彎曲部276的長垂直表面279a。上載荷件具有一從水平表面281到上水平件274的下表面274a的短垂直表面279b。上水平件274還具有一匯合到相鄰上彎曲部276的垂直表面274b。力敏頻率諧振石英部件延伸在下載荷傳遞件的垂直表面278b和上載荷傳遞件279的垂直表面279b之間。還可以注意到載荷傳遞件278、279和諧振石英部件Q以圖14的實施例方式形成曲杆。載荷元件構件271的一端牢固地安裝在支撐件282上。待測量的力由箭頭283或箭頭284表示。
如果力以箭頭283的方向垂直作用於載荷元件構件的上表面，載荷元件構件將彈性變形成平行四邊形。這種變形使力敏頻率諧振器Q受到拉伸，該拉伸影響諧振器的頻率輸出信號。相反地，如果力以箭頭284的方向垂直作用於載荷元件構件的下表面，力敏頻率諧振器Q將受到壓縮。無論哪一種情況，相隔開的垂直杆件使載荷元件裝置能測量真正的剪力。再者，圖6的實施例中的力敏頻率諧振部件Q的電路將與圖13的電路相似，但僅包括一個力敏頻率諧振部件和一個振蕩器。
可以看出，在所有的載荷元件裝置的實施例中，每種載荷元件構件均包括變形裝置，它是一種曲杆或起曲杆的作用。在載荷元件裝置的每個實施例中，當負荷作用於其上時，由於其獨特的結構，載荷元件構件彈性變形成平行四邊形。由於載荷元件構件變形成平行四邊形，由該變形傳感的力基本是剪力，即使力不以已有技術的裝置所需要的相同的預定的位置施加於載荷元件構件上。在所有實施例中剪力都被傳遞給曲杆，即使曲杆通過彎曲彈性變形，但它僅測量真正的剪力。在所有的實施例中，曲杆通過彎曲部與載荷元件構件的偏移部件隔開。
因此，可以看出，該新穎的載荷元件不需要軸向隔板和/或撓曲杆。最後，可以發現，我的新穎的載荷元件裝置如果沒有完全消除的話也基本上減少了傳感器支撐的負荷中的滯彈性蠕變和靜態應變滯後。
因此，可以看出，我提供了一種新穎的載荷元件裝置，不僅簡單和廉價，而且起著比前面已知的相比較的裝置更有效的作用。
權利要求
1.一種以重量測量施加於其上的負荷的載荷元件裝置，包含一單體載荷元件構件，包括一對垂直隔開的水平剛性件、一對縱向隔開的、對置的垂直件，與所述水平和垂直件連成整體的裝置形成彎曲部，把各水平件與所述垂直件相連；與所述載荷元件的所述一對對置的水平剛性件整體連接的變形裝置，所述變形裝置包括電子傳感裝置，當負荷豎直和垂直施加於所述兩水平件中之一的平面上時，所述載荷元件構件將彈性變形成平行四邊形，由此把剪力傳遞給所述變形裝置，後者產生由剪力引起的變形，和包括所述傳感裝置的電子線路，產生由所述變形裝置變形引起的輸出信號，並可把所述輸出信號轉換成可見的重量讀數。
2.一種以重量測量施加於其上的負荷的載荷元件裝置，包含一單體載荷元件構件，包括一對垂直隔開的水平剛性件、一對縱向隔開的、對置的垂直件，與所述水平和垂直件連成整體的裝置形成彎曲部，把各水平件與所述垂直件相連;一與一對所述水平件整體連接的曲杆，與所述彎曲部留有間隔，所述曲杆與所述一對剛性件留有對稱的間隔且基本上平行於所述一對剛性件，所述曲杆基本與另一對所述剛性件正交，電子傳感裝置安裝在所述曲杆上，由此，當負荷豎直和垂直施加於所述水平部件中之一的平面上時，所述載荷元件構件將在所述彎曲部彈性變形成平行四邊形，把剪力傳遞給所述曲杆，並使後者產生剪力引起的彎曲，和包括所述傳感裝置的電子線路，產生由所述曲杆變形引起的輸出信號，並可把所述輸出信號轉換成可見的重量讀數。
3.如權利要求2所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述傳感部件包含應變片，所述電路包含惠斯頓電橋電路。
4.如權利要求2所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述傳感部件包含頻率諧振石英部件，所述電路包括振蕩所述頻率諧振石英部件的振蕩電路。
5.如權利要求3所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述曲杆具有一中心軸和對置的垂直直平滑表面，所述形變傳感器中的一對在豎直方向上留有間隔地固定到所述曲杆的所述垂直平滑表面中的一個表面上，所述應變片中的另一對在豎直方向上留有間隔地固定到所述曲杆的另一個垂直表面上，所述應變片沿著所述曲杆的中心軸對稱設置。
6.如權利要求2所限定的載荷元件裝置，其特徵在於設置有一對縱向間隔的、垂直設置的載荷傳遞件，這對載荷傳遞件彼此之間基本平行，每個傳遞件延伸在所述水平剛性件之間並與所述水平剛性件為一整體，一對彎曲件把每個傳遞件連接到所述水平剛性件上，所述曲杆與所述傳遞件垂直設置並且延伸在所述傳遞件之間，由此，當負荷垂直和豎直施加於所述水平件之一的一個平面時所述曲杆根據傳遞到後者的剪切引起的力而產生彈性彎曲。
7.如權利要求6所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述曲杆具有一中心軸和對置的上和下平滑水平表面，所述傳感裝置包括固定在其上表面的第一對應變片和固定在其下表面的第二對應變片，所述應變片沿所述中心軸對稱設置。
8.如權利要求2所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述曲杆具有一通孔。
9.如權利要求8所限定的載荷元件裝置，其特徵在於在所述曲杆內的所述通孔呈細長的垂直設置在啞鈴形構造，把所述曲杆劃分成對置的基本相同的兩個杆件，所述傳感部件包含應變片，每個杆件具有一對固定到其一個垂直表面上的應變片。
10.如權利要求2所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述曲杆具有對置的垂直表面，每個垂直表面其內具有一對垂直間隔的凹穴，所述傳感裝置包括一對頻率諧振石英部件，每個石英部件覆蓋設置在所述凹穴中的一個上。
11.如權利要求2所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述載荷元件構件呈普通圓柱形構造，所述曲杆具有對置的垂直表面，所述傳感裝置包括應變片，所述曲杆的每個對置的表面具有一對安裝於其上的應變片。
12.如權利要求2所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述載荷結構具有一第二上外水平件和一下外水平件，所述上外水平件與垂直件中的一個整體連接，所述下外水平件與垂直件中的另一個整體連接，所述曲杆延伸在所述內水平件之間並與所述水平件整體形成。
13.如權利要求12所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述載荷元件構件呈普通圓柱形構造。
14.如權利要求1所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述變形載荷裝置包含一對垂直設置的載荷傳遞件，其中一個與所述水平件中一個整體形成，另一個載荷傳遞件與所述另一個水平件整體形成，所述載荷傳遞件縱向留有間隔，所述傳感裝置包含一延伸在所述載荷傳遞件之間並粘附在所述載荷傳遞件上的頻率諧振石英部件。
15.如權利要求14所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述載荷元件包含一力敏部件。
16.如權利要求15所限定的載荷元件裝置，其特徵在於每個載荷傳遞件具有基本平滑的垂直表面，所述載荷傳遞件中一個的垂直表面與所述另一個載荷傳遞件的相鄰垂直表面留有間隔，所述頻率諧振石英部件延伸在所述載荷傳遞件的所述相鄰垂直表面之間並粘附在所述載荷傳遞件的所述相鄰垂直表面上。
17.如權利要求16所限定的載荷元件裝置，其特徵在於每個載荷傳遞件具有基本平滑的水平表面，所述平滑水平表面垂直方向上留有間隔，所述頻率諧振石英部件延伸在所述載荷傳遞件的所述平滑水平表面之間並且粘附在所述載荷傳遞件的所述平滑水平表面上。
18.一種以重量測量施加於其上的負荷的載荷元件裝置，包含一基本呈矩形構造的單體載荷元件構件，包括一上水平剛性件、一與所述上剛性件垂直間隔的下水平剛性件和一對縱向間隔的對置的垂直件，分別把所述上水平件與所述垂直件相連和分別把下水平件與所述垂直件相連的所述載荷元件的部分厚度減小，形成一對上彎曲部和一對下彎曲部，垂直變形曲杆延伸在所述水平部件之間並與所述水平件整體形成，所述垂直變形曲杆與所述垂直件等間隔設置，所述曲杆具有一中心軸和多個沿所述中心軸對稱安裝在所述曲杆上的電子傳感器，所述傳感器傳感所述曲杆的變形，由此，當負荷垂直和豎直施加於所述載荷元件構件上時，所述載荷元件構件將在所述彎曲部彈性變形成平行四邊形，把剪力傳遞到所述曲杆上，使後者產生剪力引起的變形，和包括所述傳感器的電子線路，產生由所述曲杆變形引起的輸出信號，並可把所述輸出信號轉換成可見的重量讀數。
19.如權利要求18所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述曲杆具有對置的基本平滑的垂直表面，所述電子傳感器包含應變片，所述應變片中的一對固定在所述曲杆的一個垂直表面上，所述應變片中的第二對固定在所述曲杆的另一個垂直表面上。
20.如權利要求19所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述水平件具有平滑的對置的垂直側表面，所述曲杆向內布置，並與所述水平件的所述側表面等距離。
21.如權利要求20所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述曲杆具有多個基本呈圓柱形的、垂直方向隔開的延伸通孔。
22.如權利要求19所限定的載荷元件裝置，其特徵在於所述曲杆具有垂直設置在細長啞鈴形通孔，由此把所述曲杆形成一對對置的垂直延伸的杆件，每個杆具有一對固定在其上的所述應變片。
23.如權利要求22所限定的載荷元件裝置，其特徵在於每個杆件其內具有一對垂直方向隔開的凹穴。
全文摘要
一種載荷元件裝置，包括一由合適金屬製成的載荷元件構件，該載荷元件構件包括垂直隔開的平行的水平件，該水平件與縱向隔開的平行的垂直件構成整體。彎曲部把每個水平件與垂直件相連。曲杆延伸在水平或垂直件之間，並與水平或垂直件相連。當負荷豎直和垂直作用於水平件中的一個時，載荷元件構件將彈性變形成平行四邊形，由此把剪力傳遞給曲杆，使後者因剪力而產生彎曲。應變片或頻率諧振石英部件傳感剪力引起的彎曲，並包括在輸出由曲杆的變形引起的輸出信號的電路中。電路能把輸出信號轉換成可讀的力讀數。
文檔編號G01P15/097GK1077025SQ9310123
公開日1993年10月6日 申請日期1993年2月15日 優先權日1992年4月3日
發明者託馬斯·H·詹森 申請人:脫羅尼克斯稱量股份有限公司