专利名称：压杆测压元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应变片式测压元件，具体是涉及压杆测压元件，包括固定轴式和摇杆式测压元件，所述压杆测压元件具有消除由压杆的偏心荷载引起的误差的装置。
背景技术：
压杆(compression column)测压元件是应变片式测压元件的最初设计。包含一个具有固定直立轴和在其顶端具有小半径球形加载按钮的压杆。
摇杆(Rocker Pin)测压元件为压杆测压元件的特殊类型，压杆在其两端装有大半径球形表面，因而测压元件杆能够在平行的顶端和底端加载面间成为自稳定摇杆。摇杆测压元件的首次描述是在美国专利4,804,053中。自那时起，摇杆测压元件已被广泛用作卡车衡器和其他高精确度、重载称重设施中的测压元件。
所有压杆测压元件基本上都是由例如钢材或铝合金等测压元件用优质材料制成的杆状，在杆的中点附近对称地绕着压杆装有应变片，并装有罩盖或密封波纹管(bellow)。压杆装有应变片处的横断面通常为正方形。与杆的纵向轴排成同向的应变片装在杆的第一对相对面以测量纵向应变，横向于轴排列的应变片装在杆的其余一对相对面以测量横向应变。四个应变片连接在一个桥接电路中，该桥接电路提供一个电输出信号，用作测压元件上的载荷测量。
压杆上的四个应变片通常对应变有略微不同的灵敏度，由于不具备精确的机械对称或存在压杆离轴荷载，所以压杆相对侧面上的应变也是略微不同。在测压元件承受偏心或离轴载荷时，压杆测压元件输出信号的精确度将由此受到破坏。在对测压元件进行校准时，必须对高精确度测压元件进行离轴荷载灵敏度补偿。
与载荷关联的误差的补偿通常通过磨锉压杆以恢复其对称性来完成。这是一个需要熟练技工的耗时又繁杂的过程。已经尝试通过在应变片桥上分流单个应变片或通过半桥来对与载荷关联的误差进行补偿，但是这个过程同样复杂。横跨纵向和横向应变片组进行的补偿会相互影响，并且即使采用平衡零补偿，用于补偿的分流电阻器和测压元件的调零也会相互影响。
发明内容
本发明的一个方面是提供一个能够快速和简易地通过微调电阻器对离轴荷载灵敏度进行补偿的压杆测压元件。
本发明的另一个方面是提供一个能够对载荷误差进行补偿和能够进行调零的压杆测压元件，而且两种调节之间相互没有显著影响。
本发明的上述方面通过一种压杆测压元件实现，该压杆测压元件包含一对低阻抗应变片，该应变片横向于压杆上每一个主应变片排列，并且与应变片桥接电路的每一电桥臂上的每一个主应变片串联。
本发明其它的优点和方面将一部分在以下的描述中得到阐明，一部分在描述后变得显而易见，或者通过对本发明的实践而掌握这些优特点。本发明的优特点还可以通过特别在所附权利要求中指出的实施和组合得以实现和获得。
并入并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，它与说明书一起，用于解释本发明的原理。
图1为具有固定轴的传统压杆测压元件的简化侧视图，部分以剖面显示。
图2为摇杆测压元件的简化侧视图。
图3为如图1和2所示的测压元件的压杆沿线3-3的横断剖面图。
图4a为现有技术中纵向定位应变片元件的简化图。
图4b为现有技术中横向定向应变片元件的简化图。
图5为现有技术中压杆测压元件的应变片桥接电路的简化图。
图6为本发明一个实施例中纵向定向的组合式应变片元件的简化图。
图7为本发明一个实施例中横向定向的组合式应变片元件的简化图。
图8为本发明一个实施例中另外一种组合式应变片元件方案的放大图。
图9为本发明一个实施例中压杆测压元件的应变片桥接电路图。
图10为处在平行的顶端和底端加载板之间倾斜的摇杆测压元件的简化侧视图。
图11为处在非平行的顶端和底端加载板之间的直立摇杆测压元件的简化侧视图。
具体实施例方式
现在详细参照本发明实施例，在附图中对例子进行说明，整个说明书中相同标记号对应相同元件。以下实施例的描述是为了通过参考附图对本发明进行解释。
图1为传统压杆测压元件10的简化侧视图，测压元件10包含一个具有一个直立轴11和一个中心面13的压杆12。压杆12由测压元件用优质钢材或铝合金加工而成，装在一个圆柱形壳体52内，其以纵剖面显示。测压元件杆12的中部15的横断面为正方形，如图3所示。应变片元件30L、30T粘结在中部15的每一侧面上，如图1和3所示。压杆12的顶端14和底端14’比中部15粗，并为圆柱形。
粗底端14’的下表面为平状，置于外壳52的底部上。测压元件杆12的顶端装有一个半球形的加载按钮16，按钮16通过杯形加载板58加载。杆12通过膜片54支成直立，膜片54焊接到粗圆柱部分14和外壳52的顶部。膜片54在测压元件10的轴向上是薄弱的。应变片元件30L、30T和外部测压元件接线端的连接线路通过密封在外壳的壁中穿过。这些细节未在图1中显示。
图2为具有轴11和中心面13的摇杆测压元件20的简化侧视图，所述测压元件20直立装在水平顶端加载板22和水平底端加载板22’之间。测压元件20包含一个由测压元件用优质钢材或铝合金加工而成的压杆12’。其具有一个正方形的中部15，并在其两端具有球形摇动面16’，如图3所示。应变片元件30L和30T粘结在中部15的侧面上，如图2和3所示。实际的测压元件中粗端部14、14’具有线路通道和外部连接器盒，还有防旋转元件的档件，但这些细节未在简化图2中显示。管状密封波纹管将焊接到圆柱形法兰18上，但这个在简化图2中也被省略掉。
当压杆测压元件10或20承载所示的力F时，杆12、12’被压缩。正方形中部15的四个侧面均在纵向具有一个主压缩应变，和在横向具有一个主拉伸应变。横向应变＝ν×纵向应变(钢材的泊松因数ν为0.3)。
对于10或20这种类型的测压元件，在现有技术中，应变片元件30L包含如图4a所示定向的应变片32-以测量纵向压缩应变，而应变片元件30T包含如图4b所示定向的应变片32+以测量横向拉伸应变。应变片32上的‘+’和‘-’符号表示应变片32感应拉伸应变的阻抗随着荷载F而增加，而应变片32感应压缩应变的阻抗随着荷载F而减少。在现有技术的测压元件10或20中，四个应变片32连接在一个桥接电路35中，具有电源接线端A-B和输出接线端C-D，如图5所示。与电源接线端A-B串联的线性元件和模数补偿应变片(moduluscompensation gages)，以及与输出接线端C-D连接的校准电阻器和调零电阻器，均在如图5所示的简化桥接电路图中被省略掉。
在实际的摇杆测压元件的应用中，摇杆20可能在称重期间倾斜，如图10所示，或者在非水平的加载板22、22”之间被挤压，如图11所示。图11所示的载荷摇杆测压元件20中压杆12’的弯曲情况以极度夸张的虚线标出。加载板22、22’哪怕仅偏离水平1°，即可在中部15引起如此大的弯曲应力，使得中部15的一个表面上的主应变能达到正常应变的两倍，而另一表面上的应变则减少为零。测压元件10中加载按钮16上的侧向分力和摇杆测压元件20的倾斜可引起中部15上应变分布存在较小但仍为可观的差别。
假想测压元件10或20能够精确地对称，如图5所示的应变片桥中的接线端C-D的输出信号将对偏心和离轴加载不灵敏。在实际中，则存在不可避免的由机械公差和应变片公差引起的对称误差，因而输出信号将显示所谓的载荷误差。现用作补偿此种误差的方法为对测压元件杆进行磨锉以恢复对称。其他类型测压元件的电补偿方法未能成功用于压杆测压元件。
依照本发明实施例的测压元件，离轴和偏心荷载灵敏度补偿的成本和复杂性可以大大地降低。本发明实施例中的测压元件在机械方面上等同与现有技术中的测压元件10、20，但是中部15上的每一个应变片32增加上一对补偿应变片33，33’。组合式纵向应变片元件30L’的实施例如图6所示，组合式横向应变片元件30T’的实施例如图7所示。补偿应变片33，33’与每一个主应变片32串联，并且横向于主应变片32布置，因而其阻抗变化与主应变片32的阻抗变化相反。每一个补偿应变片33，33’的阻抗可低至主应变片32的阻抗的1-2％。
图9显示了本发明其中一个实施例中应变片桥的电路图45。每一个组合式应变片元件30L’、30T’上的完整一组的应变片32、33、33’构成了每一个电桥臂A-C、C-B、B-D、D-A。两个来自不同应变片元件30L’、30T’上的补偿应变片33、33’在每个电桥角A、B、C、D相连。微调电阻器42、44、46、48在每一个电桥角横跨每一对补偿应变片33、33’作为分流器连接。如本领域中已知的，粘结在杆12、12’中部15的模数补偿应变片M和半导体线性应变片(linearizing gages)S与电源接线端‘+’和‘-’串联。用作调零的一对相同电阻器62、62’可以如图所示的实线连接以进行一个极的调零，或者以如图所示的虚线连接以进行对应极的调零。连接到输出接线端B-D的测压元件灵敏度校准电阻器未被显示。
当四个微调电阻器42、44、46、48全部短路时，应变片桥45实质上等同于现有技术的应变片桥35。微调电阻器与电源和输出信号接线端串联时，仅增加少量阻抗，而不会影响电桥平衡。
如果在测压元件10、20的所有微调电阻器42、44、46、48均短路时首先承载一个轴向荷载，然后承载一个影响纵向应变片元件30L’的离轴荷载，则输出信号变化，显示出载荷误差。误差信号的极性可以指示电桥臂A-D上的应变片32-比电桥臂C-B上的应变片32-具有较高的灵敏度。这个误差可以通过增加微调电阻器42和48的阻抗得到补偿，它们将一个小的正信号从补偿应变片33+和33’+加到电桥臂A-D上的应变片32-的负信号上去。校正值可以通过改变微调电阻器42和48的阻抗加以调节，直到校正完成。微调电阻器42和48也同样影响来自电桥臂A-C和B-D上的应变片33’-的信号，但是这些影响相互抵消。
横跨横向应变片元件30T’的相似的离轴载荷测试，其中使微调电阻器42和48短路，可以指示电桥臂A-C上的应变片32+比电桥臂B-D上的应变片32+具有较高的灵敏度。如同以上所解释的，这个能够通过增加微调电阻器44和42的阻抗而得到补偿。然后除去微调电阻器48的短路状态，重新调节微调电阻器42使其恢复补偿。
如上所描述的补偿过程能够补偿压杆12、12’纵向应变片元件30L’和切向应变片元件30T’两端的两极任何载荷误差。微调电阻器会轻微影响测压元件的灵敏度，但是这个变化完全在测压元件的常规校准调节范围之内。随后的使用如图9所示的平衡微调电阻器62、62’进行的调零不会影响加载误差的补偿。
可以通过反复试验选择四个微调电阻器42、44、46、48的适当值，如上所描述。微调电阻器的调节是一个简单过程，无须高技能水准。
单个微调电阻器的选择也可以由计算机辅助完成。在这种情况下，首先使所有微调电阻器如上所述地短路，然后进行如上所述的三个标准化加载测试。假定应变片数据和所有应变片的位置为已知，则带有测试数据的计算机程序能够算出所有微调电阻器的校正值。
具有两个如图6和7所示的组合式应变片元件30L’和30T’的测压元件可以使使全部三个应变片32、33、33’均排在压杆中心面13上。然而，补偿应变片33和33’会与中部15的侧面的直立中心有一小段距离。
如图6和7所示的纵向和横向应变片元件30L’和30T’也可以转动90°，因而可分别转变成为横向和纵向应变片元件。具有两个转动90°的组合式应变片元件30L’和30T’的测压元件能够使使全部三个应变片32、33、33’均排在中部每一个侧面的直立中心上。然而，补偿应变片33和33’会与中心面13有一小段距离。
图8显示了组合式应变片元件30”另一个实施例的放大图。这个组合式应变片元件30”能够用作如图所示的纵向应变片元件30L”，也可以通过转动90°而用作横向应变片元件30T”，在两种情况下均具有近乎理想的应变片排列状态。主应变片32被分成两部分，32’和32”，两个补偿应变片33和33’则位于主应变片32的两部分32’和32”之间。当该元件用作纵向应变片元件30L”时，主应变片32将居中处在中心面13上，而两个补偿应变片33、33’则临近中心面13。当被用作横向应变片元件30T”时，两个补偿应变片33、33’将挨近中心面13，而主应变片的两部分32’和32”则等距于中心面13。
如图8所示的主应变片元件30”通过将塑料板上的沉积金属蚀刻成图案而制成。黑色区域为传导金属，形成应变片32’、32”、33、33’，以及所有互连和焊接接线端。白色区域为绝缘塑料材料，已将金属蚀刻掉。蚀刻工艺使以与用于现有技术中的简单应变片元件30基本上相同的成本制造出一个如图8所示的组合式应变片元件30”成为可能。
图1和2显示了具有正方形中部15的压杆12、12’。这个设计易于将应变片元件30L和30T对称地装在压杆上，因而被普遍采用。然而本发明将不会受到不同形状横断面的影响。在不偏离本发明的原理和实质，以及不偏离附加权利要求和其等同物中所限定范围的情况下，可以对上述实施例作些变动。
尽管本发明的几个实施例已经被显示和描述，但是本领域的技能人员应该理解，在不偏离本发明的原理和实质，以及不偏离权利要求书和其等同物中所限定范围的情况下，可以在该实施例中作些变动。
权利要求
1.一种压杆应变片测压元件，包含一个排成测量压杆上主应变的第一应变片；和一对与所述第一应变片排成正交方向并且对称于所述第一应变片的第二应变片，所述第二应变片的阻抗比所述第一应变片的阻抗要低得多。
2.如权利要求1所述的压杆测压元件，其中所述第一应变片电连接在所述一对第二应变片之间。
3.如权利要求1所述的压杆测压元件，其中四个第一应变片绕着压杆的外围分布，并且间隔布置以测量纵向和横向应变。
4.如权利要求2所述的压杆测压元件，其中四组第一和第二应变片绕着压杆的外围分布，第一应变片定向为间隔测量纵向和横向应变。
5.如权利要求4所述的压杆测压元件，其中所述四组应变片连接在一起构成一个桥接电路，在每一个电桥角有两个第二应变片，以及进一步包含在每一个电桥角分流每一对两个第二应变片的微调电阻器。
6.如权利要求2所述的压杆测压元件，其中所述第一应变片包含两个对称于一对所述第二应变片的并联的应变片，其中所有所述的应变片构成一个组合式应变片。
全文摘要
在包含有一对与每一个测压元件主应变片串联的补偿应变片的压杆测压元件中，能够以既简单易行又费用低廉的方法，对离轴和偏心载荷灵敏度进行电补偿。补偿应变片横向于每一个关联的主应变片设置，并与其关联的主应变片串联。一个主应变片和两个串联的补偿应变片组成一组，每一组构成应变片桥的一个电桥臂。两个补偿应变片在每一个电桥角相连，并且由一个通用的微调电阻器分流。对传统的固定杆测压元件和摇杆测压元件的载荷灵敏度均能进行补偿。
文档编号G01L1/20GK1573307SQ20041004928
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月10日 优先权日2003年6月10日
发明者罗尔夫·P·黑格斯特伦 申请人:富林泰克集团有限公司