测力装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种测力装置，该测力装置包括沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大，这是通过估算由于位于闭合轮廓负载感测元件上的相反象限上的一对悬臂的角运动而刻画的圆弧上的两个点之间的准线性增量位移来实现的，以提高测力装置的灵敏度且由此提高其分辨率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】测力装置
本专利技术涉及一种测力装置，该测力装置通常用在材料和结构测试系统中，用于精确地测量静态和动态负载。
技术介绍
典型的测力装置(也称为测压单元)由负载感测元件组成，该负载感测元件与所施加负载成比例地弹性变形。这进而改变结合于负载感测元件的诸如应变计之类的敏感元件的电气性能。电气性能的此种变化可能与所施加的负载相关联。工业应用中的力传感器通常使用此种原理。测力装置的灵敏度被定义为为能够以物理参数形式测得的变化与实际施加的力中最小变化的比值。灵敏度越高，测力装置的分辨率就越好。测力装置的灵敏度通过弹性变形的机械放大或者类似于电压或电流的电气性能的电气放大得以改进。测力装置通常具有两种类型：(a)基于测力环，以及(b)基于应变计。在基于测力环的测压单元中，沿着环形力感测元件的施力轴线直接地测量线性弹性变形(不具有任何机械放大)，以指示所施加的力。测力装置的灵敏度受到用于测量弹性变形的位移传感器的灵敏度限制，该位移传感器通常是线性可变差分变压器(LVDT)。在基于应变计的测力装置中，一组经校准的箔阻应变计以特定的图案安装在挠性臂上，以拾取压缩或拉伸应变。这些应变计设置成形成称为全惠斯顿桥的电路，该电路的输出电压与施加于负载感测元件的力相关联。在这些现有技术的测压单元中，既不放大弹性变形也不放大电气性能，而是经由附加的电子信号调节板将通常为mV(毫伏)量级的输出电气信号放大为V(伏特)量级。然而，电气信号的放大导致高的信噪比。这些测压单元的更佳报告分辨率在满刻度的0.02-0.05％的量级上。电气信号的此种放大包含使用模拟电子装置，例如模数转换器、信号调节硬件等等。
技术实现思路
本专利技术公开一种测力装置，该测力装置包括机械地放大沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大，这是通过估算由于位于闭合轮廓负载感测元件上的相对象限上的一对悬臂的角运动而刻画的圆弧上的两个点之间的准线性增量位移来实现的，以提高测力装置的灵敏度且由此提高其分辨率。根据本专利技术第一方面的测力装置包括闭合轮廓负载感测元件，该闭合轮廓负载感测元件沿着施力轴线(y-轴线)和与之垂直的轴线(x-轴线)是轴对称的。该装置包括第一悬臂和第二悬臂，该第一悬臂在其中一个象限中安装在轮廓上，且该第二悬臂在轮廓的相反象限中安装在轮廓上，其中，第一悬臂和第二悬臂的自由端部向轮廓内部定位，以使得这些臂在固定端部处垂直于轮廓上的圆弧。由所施加负载引起的变形导致两个臂均能绕它们的固定点无穷地旋转，这导致悬臂的自由端部进行准线性运动，以实现沿着施力轴线的变形的机械放大。在本专利技术的另一方面中，第一悬臂和第二悬臂分别相对于x-轴线定位在角度α和α+180，以使得对于任何所施加的负载而言这些臂绕它们的固定端部的角运动最大。在本专利技术的另一方面中，在第一悬臂的自由端部处安装有线性数字编码器，且在第二悬臂的自由端部处安装有编码器刻度，以使得线性数字编码器和编码器刻度彼此平行和相对，并且沿着臂的自由端部的运动定位。在优选的方面中，在压缩负载下，第一悬臂和第二悬臂绕它们的固定端部逆时针转动角度-β/2，而在拉伸负载下，悬臂绕它们的固定端部顺时针转动角度β/2。在另一方面中，第一悬臂和第二悬臂具有一定长度，以使得通过第一和第二悬臂的自由端部的假想线也通过轮廓的中心。在另一方面中，在所施加的负载和对应变形下，自由端部在假想圆弧上进行准线性运动，这些准线性角运动导致假想线形成，而假想线形成使得变形能够机械地放大四倍。根据本专利技术另一实施例的测力装置包括：闭合轮廓负载感测元件，该闭合轮廓负载感测元件沿着施力轴线和垂直于该施力轴线的轴线两者均是轴对称的；第一悬臂、第二悬臂、第三悬臂和第四悬臂，这些悬臂分别相对于x-轴线以角度α、180+α、180-α和360-α安装在轮廓上，其中，所有悬臂的自由端部均在轮廓内部，以使得这些臂在固定端部处垂直于轮廓上的圆弧；其中，由所施加负载导致的变形实现悬臂的自由端部的准线性运动，以导致沿着施力轴线的变形的机械放大。在优选方面中，选择相对于轮廓的x-轴线的角度α，以使得对于任何所施加的负载而言每个悬臂绕其固定端部的角运动最大。在优选方面中，在压缩负载下，第一悬臂和第二悬臂逆时针转动，且第三悬臂和第四悬臂顺时针转动，而在拉伸负载下，第一悬臂和第二悬臂顺时针转动，且第三悬臂和第四悬臂逆时针转动。附图说明现参照附图，其中，图示仅仅用于说明本专利技术可能实施例的目的，而并非用于限制本专利技术可能实施例的目的，图1示出典型的测力装置的示意图；图2示出根据本专利技术第一实施例的测力装置的操作的原理；图3示出基于第一实施例的测力装置的分解视图；图4示出基于第一实施例的测力装置的另一视图；图5示出传感器安装配置的分解视图；图6示出基于本专利技术的测压单元在伺服控制材料测试系统上的安装和操作；图7示出本专利技术的数字测压单元的精确度与基于应变计的测压单元的精确度之间比较的图形表示；图8示出根据本专利技术第二实施例的测力装置的操作的原理；图9示出根据第二实施例的测力装置，该测力装置具有用于测量一对机械放大位移的配置；并且图10示出根据第二实施例的测力装置的分解视图，该测力装置具有用于测量一对机械放大位移的配置。具体实施方式图1中示出基于电气放大原理工作的典型测力装置的示意图。施加在负载感测元件上的力导致元件的弹性变形，该弹性变形会改变例如与元件结合的应变计的电性能。测力装置的灵敏度被定义为为可测得的输出(物理参数)变化与输入(所施加力)的最小变化的比值。如进一步会描述的是，本专利技术提供测力装置，该测力装置基于沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大的原理而工作。根据本专利技术第一实施例的测力装置的操作的原理会参照图2进行解释。该测力装置包括具有闭合轮廓(5)的刚性负载感测元件，该负载感测元件沿着施力轴线和与该施力轴线垂直的轴线是轴对称的。根据该实施例，施力轴线将被称为y-轴线，且与该施力轴线垂直的轴线将被称为x-轴线。第一悬臂(1)在轮廓的四个象限的一个象限中安装在轮廓(5)上，且第二悬臂(2)在轮廓(5)的与上述象限相反的象限中安装在该轮廓上，且臂(1、2)的自由端部在轮廓(5)内，以使得每个臂均在其固定端部处垂直于轮廓的圆弧。臂(1、2)相对于x-轴线(垂直于施力轴线)以专门选择的角度定位，以使得针对沿着施力方向的相同量轮廓位移，这些臂绕它们的固定端部经受最大角运动。在施力改变时，臂(1、2)的自由端部刻划圆弧。如果负载感测元件的轮廓尺寸r＝min(a、b)和沿着施力轴线的弹性变形(对应于负载P)δ/2使得R＞＞δ/2，则臂(1、2)的自由端部移动过的增量准线性距离Δ/2是共线的且Δ＝2δ。现在如果所施加的负载与此种机械放大位移Δ(由于臂的角运动导致)相关联而不是与弹性变形δ相关联，则测力装置的灵敏度是基于现有技术测力环的测力装置的两倍。根据图2，负载感测元件被认为是闭合轮廓的，该闭合轮廓具有半长轴a和半短轴b，且该负载感测元件通过沿着y-方向的拉伸或压缩偏转而起作用。轮廓形状在不施加力时不变形，且此种轮廓用作参照。经变形的轮廓表示拉伸和压缩偏转。幅值P完全反向的拉伸-压缩负载的施加导致沿着y-方向的幅值δ/2的变形。刚性悬臂(1、2)在图2中表示为n1m1和n2m2(具有相等的长度)。第一臂(1)位于并且固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测力装置，包括：闭合轮廓负载感测元件，所述闭合轮廓负载感测元件沿着施力轴线和垂直于所述施力轴线的轴线是轴对称的；第一悬臂和第二悬臂，所述第一悬臂在所述轮廓的四个象限中的一个象限中安装在所述轮廓上，且所述第二悬臂安装在所述轮廓的与上述象限相反的象限中，其中，所述第一悬臂和所述第二悬臂的自由端部在所述轮廓内部，以使得所述臂在固定端部处垂直于所述轮廓上的圆弧；其中，由所施加负载(P)引起的变形(δ/2)导致所述悬臂的所述自由端部进行准线性运动，以使得沿着所述施力轴线的所述变形能够机械地放大。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.28 IN 5803/CHE/20151.一种测力装置，包括：闭合轮廓负载感测元件，所述闭合轮廓负载感测元件沿着施力轴线和垂直于所述施力轴线的轴线是轴对称的；第一悬臂和第二悬臂，所述第一悬臂在所述轮廓的四个象限中的一个象限中安装在所述轮廓上，且所述第二悬臂安装在所述轮廓的与上述象限相反的象限中，其中，所述第一悬臂和所述第二悬臂的自由端部在所述轮廓内部，以使得所述臂在固定端部处垂直于所述轮廓上的圆弧；其中，由所施加负载(P)引起的变形(δ/2)导致所述悬臂的所述自由端部进行准线性运动，以使得沿着所述施力轴线的所述变形能够机械地放大。2.根据权利要求1所述的测力装置，其中，所述第一悬臂以角度α定位，且所述第二悬臂以角度α+180定位，以使得对于任何所施加负载而言所述臂绕它们固定端部的角运动是最大的。3.根据权利要求1所述的测力装置，其中，在压缩负载下，所述第一悬臂和所述第二悬臂逆时针转动角度-β/2。4.根据权利要求1所述的测力装置，其中，在拉伸负载下，所述悬臂顺时针转动角度β/2。5.根据权利要求1所述的测力装置，其中，在所述第一悬臂的所述自由端部处安装有线性数字编码器。6.根据权利要求5所述的测力装置，其中，在所述第二悬臂的所述自由端部处安装有编码器刻度，以使得所述线性数字编码器和所述编码器刻度彼此平行和相对，并且沿着所述臂的所述自由端部的运动定位。7.根据权利要求1所述的测力装置，其中，所述第一悬臂和所述第二悬臂具有相等长度，以使得通过所述第一悬臂和所述第二悬臂的所述自由端部(m1、m2)的假想线(l1l2)也通过所述轮廓的中心。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑德·拉玛苏布，索玛亚·阿曼阿戈，维莎尔·瑞纳，西瓦库玛·希恩，穆拉里·穆罕，
申请(专利权)人：伊利诺斯工具制品有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US