同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器制造技术

本发明专利技术涉及用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力(F)的测量传感器(1)；具有至少一个压电式传感元件(10，10′)；力(F)在压电式传感元件(10，10′)的元件表面上产生电极化电荷，产生的电极化电荷的数量与力(F)的大小成比例；具有谐振元件(20)，其可以被激励到至少一个谐振频率(f)；力(F)沿着力方向施加在压电式传感元件(10，10′)上和谐振元件(20)上；力(F)在谐振元件(20)中引起横向应变(Q)，横向应变(Q)在谐振元件(20)中沿着横向方向发生，该横向方向与力方向形成一非零角度，横向应变(Q)的大小与力(F)的大小成比例；横向应变(Q)产生谐振频率(f)的频率变化(Δf)，该频率变化是力(F)的函数。

Simultaneous measurement can be either dynamic or static force measurement sensor

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器
本专利技术涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的、用于同时测量力的测量传感器，该力既可以是动态的也可以是静态的。
技术介绍
专利文献EP0065511A1示出了一种用于测量动态力的测量传感器，其具有压电式传感元件。该压电式传感元件具有多个由压电材料制成的盘形板，板的盘形直径明显大于板的厚度。为了测量力，使用纵向效应形式的直接压电效应。压电材料在空间上相对于力被定向为，使得力正交地作用在板的盘形表面上并在盘形表面上产生电极化电荷。电极化电荷由电极拾取并作为电荷信号(Ladungssignal)被引向分析单元。电极化电荷与作用力成比例。由于在实践中总是存在漏电流，因此利用直接压电效应仅可以对变化频率在几Hz到几MHz范围内的动态力进行测量，仅可进行几分钟持续时间的准静态的力测量。相反，静态力在数小时、数周和数年的长时间内也不会发生改变。为了测量静态力，专利文献EP0065511A1的测量传感器教导了逆压电效应的应用。另一种压电式传感元件具有多个由压电材料制成的盘形板，通过电极作为频率信号的交变电场施加在板上。交变电场通过逆压电效应激励板进行机械振荡。交变电场是可调节的并且由分析单元产生。如果交变电场的激励频率等于板的机械固有频率，则存在谐振，相应的频率称为谐振频率。在静态力的作用下，板的谐振频率改变，该频率变化由分析单元的振荡电路检测。根据专利文献EP0065511A1的教导，对动态力和静态力的测量是同时进行的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，对基于现有技术的、用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器进行改进。本专利技术的目的通过独立权利要求的特征来实现。本专利技术涉及一种用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力的测量传感器，具有：至少一个压电式传感元件，其中，力在压电式传感元件的元件表面上产生电极化电荷，所产生的电极化电荷的数量与力的大小成比例；谐振元件，该谐振元件可被激励至至少一个谐振频率；其中，力沿着一力方向施加在压电式传感元件上和谐振元件上；其中，力在谐振元件中引起横向应变，该横向应变在谐振元件中沿着一横向方向发生，该横向方向与力方向形成非零的角度，横向应变的大小与力的大小成比例；并且其中，横向应变产生谐振频率的频率变化，该频率变化是力的函数。专利文献EP0065511A1教导了使用两个压电式传感元件同时测量动态力和静态力。这两个压电式传感元件以相对于待测量的力相同的空间方向来设置，并以相同的方式受到待测量的力影响。但是测量原理是不同的。直接压电效应被用于测量动态力，谐振频率的频率变化被用于测量静态力。机械振荡激励借助逆压电效应实现。现在，为了建立直接压电效应，一压电系数必须是非零的。并且为了建立逆压电效应，一压电模数(Modul)必须是非零的。虽然可以将压电式传感元件的压电材料空间地定向为，既能够建立直接压电效应，也能够建立逆压电效应，但是这样的压电效应很弱并且无法达到市场上要求的直接压电效应的高灵敏度。而且，专利文献EP0065511A1的测量传感器是被机械预紧的。机械预紧能够防止在测量谐振频率的频率变化时在压电材料与电极之间出现接触电阻。但是机械预紧也会抑制机械振荡。因此测量传感器具有高损耗系数，不能满足市场需求。因此，根据本专利技术的测量传感器具有压电式传感元件和谐振元件，两者可以彼此独立地在空间上相对于彼此并相对于待检测的力来设置，从而克服了专利文献EP0065511A1的缺点。压电式传感元件直接在力通路中测量力，而谐振元件则是力通路之外的振荡区域中测量由力引起的横向应变。因此，可以针对性地将压电式传感元件设置为关于力方向具有高灵敏度。独立于此地，针对横向应变而将谐振元件设置为，其在振荡区域中针对振荡有足够的空间，并且测量传感器因此具有高品质因子。附图说明下面参照附图对本专利技术进行示例性地详细说明。其中：图1示出了测量传感器的一部分的示意性分解图；图2以透视图示出了根据图1的测量传感器的第一种实施方式的一部分，其具有压电式传感元件；图3以剖视图示出了根据图2的测量传感器的第一种实施方式的一部分；图4以透视图示出了根据图1的测量传感器的第二种实施方式的一部分，其具有两个压电式传感元件；图5以剖视图示出了根据图4的测量传感器的第二种实施方式的一部分；图6以透视图示出了根据图1的测量传感器的第三种实施方式的一部分，其具有压电式传感元件；图7以剖视图示出了根据图6的测量传感器的第三种实施方式的一部分；图8以透视图示出了根据图1的测量传感器的第四种实施方式的一部分，其具有两个压电式传感元件；图9以剖视图示出了根据图8的测量传感器的第四种实施方式的一部分；图10示出了根据图1至图9的测量传感器的谐振元件的平均力灵敏度的第一视图，其取决于力导入角；图11示出了根据图1至图9的测量传感器的谐振元件的平均力灵敏度的第二视图，其取决于力导入角范围；图12以透视图示出了根据图1至图9的测量传感器的力施加元件的第一种实施方式；图13以透视图示出了根据图1至图9的测量传感器的力施加元件的第二种实施方式；图14以俯视图示出了根据图1至图9的测量传感器的力施加元件的第三种实施方式，其具有第一力导入角范围；图15以俯视图示出了根据图1至图9的测量传感器的力施加元件的第四种实施方式，其具有第二力导入角范围；图16示出了穿过具有根据图14或图15的力施加元件的根据图2或图3的测量传感器的一部分的剖视图；图17以剖视图示出了根据图8或图9的测量传感器的一部分，其具有两个根据图14或图15的力施加元件；图18示出了根据图1至图9的测量传感器的谐振元件的平均热线膨胀系数的第一视图，其取决于力导入角；图19示出了根据图1至图9的测量传感器的谐振元件的平均热线膨胀系数的第二视图，其取决于力导入角范围；图20示出了根据图1至图9的、已被安装好可随时使用的测量传感器的一种实施方式的视图，其具有根据图14或图15的力施加元件。具体实施方式测量传感器1被配置用于对力F的同时测量，该力既可以是动态的，也可以是静态的。动态的力F在很短的时间内发生变化，并且变化平频率在几Hz到几MHz的范围内。静态的力F在数小时、数周和数年的长时间内不会改变，并且变化频率在mHz到nHz的范围内。待检测的力F是动态的还是静态的仅取决于其变化频率。在了解本专利技术的情况下，技术人员也可以设置用于同时测量动态压力和静态压力的测量传感器。技术人员还可以设置用于测量加速度的测量传感器。测量传感器1具有纵轴AA′、横轴BB′和斜轴CC′。这些轴彼此倾斜，优选地彼此垂直。在本专利技术意义下，术语倾斜表示这些轴彼此之间成任何非零的角度。纵轴AA′垂直于横向平面BC。图1至图9示出了具有至少一个压电式传感元件10、10′的测量传感器1的多种实施方式，该测量传感器通过直接压电效应测量力F并具有谐振元件20，该谐振元件通过谐振频率的频率变化来测量横向应变Q。力F和横向应变Q以箭头示意性示出。力F沿着平行于纵轴AA′的力方向被导入到测量传感器1中。在本专利技术的意义下，也称为力方向AA′。力F在至少一个传感器接触区域K1、K1′中施加在压电式传感元件10、10′上，传感器接触区域K1、K1′位于力通路中。力F可以直接或间接地施加在压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力(F)的测量传感器(1)；该测量传感器具有至少一个压电式传感元件(10，10′)；其中，所述力(F)在所述压电式传感元件(10，10′)的元件表面上产生电极化电荷，所产生的电极化电荷的数量与所述力(F)的大小成比例；该测量传感器还具有谐振元件(20)，所述谐振元件可以被激励到至少一个谐振频率(f)；其中，所述力(F)沿着力方向施加在所述压电式传感元件(10，10′)上和所述谐振元件(20)上；其特征在于，所述力(F)在所述谐振元件(20)中引起横向应变(Q)，该横向应变(Q)在所述谐振元件(20)中沿着横向方向发生，该横向方向与所述力方向形成一非零的角度，所述横向应变(Q)的大小与所述力(F)的大小成比例；并且所述横向应变(Q)产生所述谐振频率(f)的频率变化(Δf)，该频率变化是所述力(F)的函数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.30 EP 16201405.41.一种用于同时测量既可以是动态的也可以是静态的力(F)的测量传感器(1)；该测量传感器具有至少一个压电式传感元件(10，10′)；其中，所述力(F)在所述压电式传感元件(10，10′)的元件表面上产生电极化电荷，所产生的电极化电荷的数量与所述力(F)的大小成比例；该测量传感器还具有谐振元件(20)，所述谐振元件可以被激励到至少一个谐振频率(f)；其中，所述力(F)沿着力方向施加在所述压电式传感元件(10，10′)上和所述谐振元件(20)上；其特征在于，所述力(F)在所述谐振元件(20)中引起横向应变(Q)，该横向应变(Q)在所述谐振元件(20)中沿着横向方向发生，该横向方向与所述力方向形成一非零的角度，所述横向应变(Q)的大小与所述力(F)的大小成比例；并且所述横向应变(Q)产生所述谐振频率(f)的频率变化(Δf)，该频率变化是所述力(F)的函数。2.根据权利要求1所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述测量传感器(1)具有正好一个压电式传感元件(10)；所述压电式传感元件(10)具有第一压电材料(11)和第二压电材料(11′)；并且所述谐振元件(20)在空间上被布置在第一压电材料(11)与第二压电材料(11′)之间。3.根据权利要求1所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述测量传感器(1)具有两个压电式传感元件(10)；第一压电式传感元件(10)具有第一压电材料(11)；第二压电式传感元件(10′)具有第二压电材料(11′)；并且所述谐振元件(20)在空间上布置在第一压电材料(11)与第二压电材料(11′)之间。4.根据权利要求2或3所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述压电式传感元件(10，10′)针对纵向效应形式的直接压电效应被定向为，使得所述力(F)作用在所述压电式传感元件上在元件表面上，还产生电极化电荷；并且所述压电材料(11，11′)相对于所述力(F)被定向为，使得所述压电材料针对所述直接压电效应具有高灵敏度。5.根据权利要求2至4中任一项所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述第一压电材料(11)是中空圆柱形的并构成第一空腔(33)；所述第二压电材料(11′)是中空圆柱形的并构成第二空腔(33′)；并且所述谐振元件(20)在空腔(33，33′)中作为厚度振子或者作为长度或应变振子或者作为弯曲振子或者作为面剪切振子或者作为厚度剪切振子振荡。6.根据权利要求1至5中任一项所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述压电式传感元件(10，10′)是中空圆柱形的；并且所述谐振元件(20)是圆柱形的。7.根据权利要求1至6中任一项所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述压电式传感元件(10，10′)具有第一压电材料(11)和第二压电材料(11′)；并且所述谐振元件(20)具有与所述压电式传感元件(10，10′)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：克劳迪奥·卡瓦洛尼，K·普夫鲁格，
申请(专利权)人：基斯特勒控股公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH