用于测量力的测量传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于测量力(F)的测量传感器(1)；具有谐振元件(20)，其可以被激励到至少一个谐振频率；并具有至少一个力施加元件(30，30′)，其被施加力(F)并将力(F)传递到谐振元件(20)；力施加元件(30，30′)是中空体，具有顶表面(31，31′)、侧表面(32，32′)和空腔(33，33′)，顶表面(31，31′)和侧表面(32，32′)彼此机械连接并包围空腔(33，33′)；谐振元件(20)布置在空腔(33，33′)中；谐振元件(20)与侧表面(32，32′)机械连接；力(F)施加在顶表面(31，31′)上，顶表面将力(F)传递到侧表面(32，32′)中；侧表面(32，32′)具有至少一个留空区域(34，34′)，其延伸到空腔(33，33′)并阻止力(F)在侧表面(32，32′)中的传递；侧表面(32，32′)具有至少一个未留空区域(35，35′)，仅该未留空区域(35，35′)传递力(F)。

Measurement Sensor for Force Measurement

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量力的测量传感器
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力测量的测量传感器。
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，改进基于现有技术的用于力测量的测量传感器。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测量力的测量传感器，具有谐振元件，该谐振元件可被激励到至少一个谐振频率；并具有至少一个力施加元件，力被施加在在该力施加元件上，并且该力施加元件将力传递到谐振元件；其中，力施加元件是中空体，其具有顶表面、侧表面和空腔，顶表面和侧表面彼此机械连接并且包围空腔；其中，谐振元件布置在空腔中；其中，谐振元件与侧表面机械地连接；其中，力施加在顶表面上，该顶表面将力传递到侧表面中；其中，侧表面具有至少一个留空区域，该留空区域延伸到空腔并阻止力在侧表面中的传递；并且其中，侧表面具有至少一个未留空区域，仅该未留空区域传递力受到谐振频率激励的谐振元件以谐振频率的频率变化响应于待测量的力。该频率变化与谐振元件的力灵敏度成比例，该力灵敏度又取决于力导入角。根据力导入角相对于力灵敏度的最大值的位置并根据力导入角范围的大小，测量频率变化以及一平均力灵敏度，该平均力灵敏度仅为最大力灵敏度的一小部分。在此根据本专利技术，将力导入角范围调整为，使得平均力灵敏度总体上接近于谐振元件的力灵敏度的最大值。对力导入角范围的最佳调整通过力施加元件来实现。在此，利用侧表面的留空区域将力导入角范围限定在谐振元件的力灵敏度的最大值附近。对待检测力的传递仅在侧表面的未留空区域中进行。力导入角范围越小，平均力灵敏度就越大，谐振元件上的局部压力也越大。通过对力导入角范围的最佳限制，使得平均力灵敏度尽可能得大，同时使得谐振元件上的局部压力低于允许抗压强度。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电式传感元件10、10′上。力F在至少一个谐振接触区域K2、K2′中施加在谐振元件20上，谐振接触区域K2、K2′也位于力通路中。力F可以直接或间接地施加在谐振元件20上。在根据图1至图9的实施方式中，压电式传感元件10、10′通过谐振接触区域K2、K2′与谐振元件20机械接触。压电式传感元件10、10′直接在力通路中测量力F，而谐振元件20在位于力通路之外的振荡区域中测量由力F引起的横向应变Q。力F引起谐振元件20的弹性变形。谐振元件20的弹性变形是力的函数F，其优选与力F的大小成比例。在谐振元件20中，沿着纵轴AA′发生长度变化，并在横向平面BC中发生横向应变Q。横向应变Q的大小是力的函数，其优选与力F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量力(F)的测量传感器(1)；该测量传感器具有谐振元件(20)，所述谐振元件可以被激励到至少一个谐振频率(f)；并且该测量传感器具有至少一个力施加元件(30，30′)，在所述力施加元件上施加力(F)，并且所述力施加元件将力(F)传递到所述谐振元件(20)；其特征在于，所述力施加元件(30，30′)是中空体，其具有顶表面(31，31′)、侧表面(32，32′)和空腔(33，33′)，顶表面(31，31′)和侧表面(32，32′)彼此机械地连接并且包围所述空腔(33，33′)；所述谐振元件(20)布置在所述空腔(33，33′)中；所述谐振元件(20)与所述侧表面(32，32′)机械地连接；力(F)施加在所述顶表面(31，31′)上，所述顶表面将力(F)传递到所述侧表面(32，32′)中；所述侧表面(32，32′)具有至少一个留空区域(34，34′)，所述留空区域延伸到空腔(33，33′)并阻止力(F)在所述侧表面(32，32′)中的传递；并且所述侧表面(32，32′)具有至少一个未留空区域(35，35′)，仅所述未留空区域(35，35′)传递力(F)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.30 EP 16201411.21.一种用于测量力(F)的测量传感器(1)；该测量传感器具有谐振元件(20)，所述谐振元件可以被激励到至少一个谐振频率(f)；并且该测量传感器具有至少一个力施加元件(30，30′)，在所述力施加元件上施加力(F)，并且所述力施加元件将力(F)传递到所述谐振元件(20)；其特征在于，所述力施加元件(30，30′)是中空体，其具有顶表面(31，31′)、侧表面(32，32′)和空腔(33，33′)，顶表面(31，31′)和侧表面(32，32′)彼此机械地连接并且包围所述空腔(33，33′)；所述谐振元件(20)布置在所述空腔(33，33′)中；所述谐振元件(20)与所述侧表面(32，32′)机械地连接；力(F)施加在所述顶表面(31，31′)上，所述顶表面将力(F)传递到所述侧表面(32，32′)中；所述侧表面(32，32′)具有至少一个留空区域(34，34′)，所述留空区域延伸到空腔(33，33′)并阻止力(F)在所述侧表面(32，32′)中的传递；并且所述侧表面(32，32′)具有至少一个未留空区域(35，35′)，仅所述未留空区域(35，35′)传递力(F)。2.根据权利要求1所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述力施加元件(30，30′)在背向所述顶表面(31，31′)的端部上具有基表面(36，36′)；顶表面(31，31′)和基表面(36，36′)通过所述侧表面(32，32′)彼此机械地连接；并且所述侧表面(32，32′)的未留空区域(35，35′)与所述基表面(36，36′)形成至少一个力导入角范围(Ω，Ω1，Ω2)。3.根据权利要求1或2中所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述谐振元件(20)与所述基表面(36，36′)机械连接；所述基表面(36，36′)将力(F)传递到所述谐振元件(20)中；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，该横向方向与力方向形成一非零的角度，所述横向应变(Q)的大小与力(F)的大小成比例；并且所述横向应变(Q)产生被激励到所述谐振频率(f)的谐振元件(20)的频率变化(Δf)，该频率变化是力(F)的函数。4.根据权利要求3所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述谐振元件(20)是圆柱形的并具有两个端面；所述谐振元件(20)具有一纵轴(AA′)，该纵轴(AA′)垂直于所述端面；所述谐振元件(20)具有至少一个谐振接触区域(K2，K2′)，所述谐振接触区域(K2，K2′)布置在所述谐振元件(20)的与所述纵轴(AA′)径向间隔开的边缘区域中；并且力(F)施加在所述谐振元件(20)上，在所述谐振接触区域(K2，K2′)中。5.根据权利要求4所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述谐振元件(20)具有振荡区域，该振荡区域接近所述纵轴(AA′)地设置在所述谐振元件(20)的中心区域中；并且所述谐振元件(20)在所述空腔(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而振荡。6.根据权利要求3至5中任一项所述的测量传感器(1)，其特征在于，所述力施加元件(30，...

【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