具有内部负载感测的模块化设备和模块化负载销组件的制作方法

本公开涉及传感器，并且具体地涉及应变传感器。更具体地，本公开涉及可以用于能够将测量的量（例如压力）转换成偏转的任意通用应用的组件。

技术实现要素：

本公开展示一种用于测量结构上的负载的模块化组件。结构可以含有应变计模块，该应变计模块能够插入结构中的腔或孔内。结构可以具有各种构造和形状，如至少部分地由结构的具体应用所指定的那样。尽管具有不同的构造、大小和形状，但是各种结构可以具有相似的腔或孔，使得具有相同外部尺寸的应变计模块能够配合在各种结构的腔或孔中。由于这些类似的尺寸，因此能够大量生产相同大小的应变计模块，从而产生具有竞争力的生产成本。

电子器件模块可以连接到应变计模块。对于应变计模块电子器件模块也可以是相同的，并且可以大量制造。应变计模块的一种示例应用可以是取代接头中的标准连接销从而给予力/负载反馈的仪表化负载（instrumented load）销。

附图说明

图1是用于用销测量负载的模块化组件的说明性示例的绘图；

图2是用于用一定结构测量的另一模块化组件的绘图；

图3是与模块化组件相关联的示例电子器件的绘图；以及

图4是不同种类的结构的说明性示例的绘图，所述结构具有相同大小的腔或孔以便接受一种外部大小的应变计传感器或模块。

具体实施方式

在本文描述和/或示出的实施方式中，本系统和方法可以含有一个或多个处理器、计算机、控制器、用户界面、无线和/或有线连接，和/或类似件。

本具体实施方式可以提供实现本系统和方法的一个或多个说明性和具体示例或者方式。一种示例可以是取代接头中的标准连接销以给予力/负载反馈的仪表化负载销。可以存在实现本系统和方法的多种其它示例或者方式。

系统和方法可以使得能够实现易于制造且具有模块化应变计量装置的负载销产品的生产线，其中所述模块化应变计量装置能够插入且密封在外部销的内侧（中央轴向孔内侧）以便耐久性和环境密封。一些负载销可以是孔下计量，其中应变计放置于中央轴向孔的孔洞内侧。孔下设计可以导致低产量并且难以制造。另外，使用这样的设计，不同容量会需要不同的孔大小和销大小，从而储备应变计量元件会成为问题。消费者会优选没有外部罩/计量件被损坏并且提供非常粗略的感知的孔下负载销。

内部应变计模块可以在工作台上应变计量（即，容易制造）且之后被插入容易机加工的结构内。本结构可以具有能够插入的应变计量模块。一种应变计模块能够用于多种大小和容量的结构上，从而使得生产线的制造、储备和供应对于制造商而言成本有效并且库存友好。

除了提到的消费者感知之外，一些负载销针对每种大小和/或容量会需要不同的应变计量元件。在本机构中，可以存在若干不同的外部几何构型（针对不同大小/容量的负载销直径），而且可以存在能够预先构建并且插入负载销内以便使用的一个或极少的简单的应变校准元件。可以结束于针对不同负载销直径/容量能够插入多个大小的“套筒”（例如筒）内的应变计量内部元件。这种方法可以扩展成具有一种密封计量装置，其能够由消费者插入多个负载销内以有利地购买一个大小的单元（即，应变计量元件）并且能够由消费者酌情将其插入多个套筒内。插入的应变计模块可以是加工廉价并且容易应变计量的，以便最大化产量和可制造性。

本负载销可以是模块化的、通用的销。应变计量的内部模块化工件可以具有多种构造。图1示出作为弯曲梁装置的内部模块，但是其也能够是剪切装置。模块化工件或模块可以插入预先制成的远为更加廉价的套筒内。可以分析模块以当模块插入套筒中时给出正确的输出。内部模块也可以含有电子器件（放大器、ASIC等等），其能够由消费者在不同的外部套筒中完全地互换。模块也可以完全在内部使得消费者看不到该模块。根据消费者的需要和消费者系统的性能需求，内部模块可以经由焊接、插入公差紧密的孔内或其它机构附接到套筒。本机构可以用于提升装置、农用拖拉机悬挂控制系统、有效负载监测系统、结构接头负载监测、连续柔管注入器系统、死绳固定器系统、起重机、越野（off-road）仪器、系泊/吊重系统和带有连结在一起的两个或更多个结构的其它系统。

弯曲梁上可以设置四个应变计，使得两个应变计感测张力并且另两个感测压缩。可以实现其它的应变构造。

弯曲梁可以是沿负载销的中心插入的独立的感测组件/应变计模块的一部分。可以使用若干方法来测量弯曲中的销的应变。一种方法可以是利用粘接到销或结构的内侧直径的“剪切”应变计。其它方法可以是利用粘接到销的外侧表面上的弯曲的或平坦的表面的“剪切”应变计。

使用感测组件不必须限制于负载销或销形零件。组件可以用在存在笔直孔的任意位置。例如，如果结构变形显著并且容纳感测组件不会危及仪器的结构完整性，则用本感测组件改造消费者的仪器可以是可行的。

图1是说明性负载销组件11的绘图，其具有结构15（例如，套筒）和内部应变计或感测模块12。模块12可以具有一个或多个应变计13。模块12可以放入组件11的外部套筒或结构15的孔或腔14内。模块12可以紧密地配合地压入结构15内侧。模块12也可以替代地焊接在腔14中、具有定位螺钉或者胶粘在腔14中。模块12可以用实际上任意方法或机构固定在腔14中，使得施加在结构15上的力传递到模块12并且影响应变计13。

模块12可以具有部分16，该部分16就直径或者厚度而言大于部分17。部分16可以与结构15的内侧壁18具有良好的机械接触，使得结构15的任何变形均能够引起模块12的变形。部分17可以以影响部分17上的一个或多个应变计13的方式变形。模块12的应变计13上的变形作用可以导致应变计13的电阻的变化。所述一个或多个应变计可以连接到电子器件模块19，该电子器件模块19可以放置于结构15的空间21中。代替地，电子器件模块19也可以远离结构15，并且带有与一个或多个应变计13的有线或无线连接。应变计13的阻抗可以由电子器件模块19译解成施加在组件11的结构15上的负载或力的量或幅度的指示。力22和23可以分别经由与结构15接触的部件24和25在结构15上施加弯曲变形。如本文所示的那样，可以鉴于传递到电子器件19（图1）或39（图2）的一个或多个感测计13的变形产生的变化的阻抗经由从结构15至感测模块12的变形来测量这些力22和23。电子器件模块19的输出可以以适当的单位（诸如电压或电流）指示施加在结构15上的力的量，该单位与测量的量具有已知关系。

先进的电子器件19或39不必须是使应变计模块工作所必需的。模块可以具有提供mV/V输出的未放大惠斯通电桥。电子器件可以添加到应变计模块结构内部或外部，以给予更高水平的信号（例如，就伏特、毫安、数字或其它协议等等而言）。

模块12可以是许多不同设计和/或构思中的一种。结构15可以是许多不同形状和/或构造中的一种。在模块12设计成配合且固定在腔14中的情况下，孔或腔14可以是许多不同形状和/或构造中的一种。

图2是负载感测组件31的剖视图的绘图。根据需要或者用户期望，组件31可以是销、杆或者具有一些其它结构形状或设计。

组件31可以具有结构35和内部应变计或感测模块32。模块32可以具有一个或多个应变计，诸如应变计41、42、43和44。模块32可以插入组件31的外部套筒或结构35的孔或腔34内。模块32可以以紧密配合压入结构35内侧的腔34内，与结构35的内侧表面38接触。代替地，模块32也可以具有焊缝、胶粘剂或定位螺钉45以将感测模块32牢固地保持在腔34内。可以经由锁孔47利用焊缝、定位螺钉或其它固定物件45来将模块32相对于结构35保持在恰当位置。可以用实际上任意其它有效的方法或机构将模块32固定在腔34中，使得施加在结构35上的力被传递到模块32并且影响应变计41、42、43和/或44。

模块32可以具有部分36，该部分36就直径或厚度而言大于部分37，使得部分36在腔34内为模块32提供支撑。部分36可以与结构35的内侧壁38具有良好的机械接触，使得结构35的任何变形均能够引起模块32的变形。部分37可以以影响所述一个或多个应变计41、42、43和/或44的方式变形。模块32的应变计41、42、43或44上的变形作用可以导致相应应变计的电阻的变化。所述一个或多个应变计41、42、43和/或44可以连接到电子器件模块39。电子器件模块39可以处于结构35中，或者代替地也可以远离结构35并且有线或无线连接到一个或多个应变计41、42、43和/或44。应变计41-44的阻抗可以由电子器件模块39译解成施加在组件31的结构35上的负载或力的幅度的量的指示。

结构35的外部表面上可以机加工一个或多个沟槽46，以便形成独立的负载位置。而且，可以在结构35中机加工沟槽46，以使沟槽位置处的应力集中最小化，这相应地能够缓解这些位置处的峰值应力。沟槽46的位置和形状可以不同于图2中针对组件31所示出的那些沟槽。

在将模块32放置在结构35的腔34中并且固定在恰当位置中之后，电子器件模块39可以连接到应变计41-44并且放置于结构35的后端或保留在外部以便外部连接，在任一种情况下，盖48均可以焊接、螺纹连接、胶粘或以某些方式紧固在结构35的后端上。

图3是应变计41-44的示例连接线路的绘图，其表示为随应变计上的应变变化的电阻。应变计可以以放大其组合效果的方式连接。应变计可以示为以惠斯通电桥的形式串联连接，并且其中应变计41和42的接合部处的线路51、应变计42和43的接合部处的线路52，以及应变计43和44的接合部处的线路53可以通向电子器件模块39。通常可以作为惠斯通电桥的接合部连接的应变计41和44的另一端部可以作为线路54和55单独地通向电子器件模块39。可以使用其它电路构造使应变计41-44与模块39连接。可以由电子器件模块39实现应变计41-44的阻抗值的标定（scaling）、调整和补偿。模块32中可以存在更多或更少的应变计（图2）。模块39也可以提供其它处理。

电子器件模块39的输出56可以传输到指示器57以便展示关于组件31上的负载的信息。

指示器57可以具有用于用户界面的屏、扬声器和键盘。指示器57可以具有用于负载组件外侧的通信（诸如与网络、RF系统等）的输入/输出线路61。指示器57可以用数值、图、声调以及其它视觉和听觉技术来显示施加到结构35的力和关于力的信息。指示器57也可以通过音频提供力和相关的信息。指示器57和电子器件模块39可以连接到网络和其它媒介。

图4是不同种类的结构66和67的说明性示例的绘图，所述结构66和67分别具有大约相同大小的腔或孔68和69，以便接受和固定一种大小（例如横截面尺寸或直径）的应变计传感器模块64和65。模块64可以配合在结构66和67，或者其它能够兼容的结构中。模块65可以配合在结构66和67或者其它能够兼容的结构中。模块64和65可以是感测模块12（图1）或者在其内侧具有感测模块12的套筒状或负载销结构15。

模块64和65的配合可以使得结构上的力能够传递到分别位于结构的腔或孔中的传感器模块。单个结构可以具有多于一个的腔或孔，以便保持例如可能处于结构中的相异位置处的一个或多个传感器模块，从而检测作用在结构的不同部分上的各种力。

概括来说，具有内部负载感测的模块化设备可以包含具有带有相同的特定横截面尺寸的外部表面并且具有一个或多个应变计的一个或多个感测模块。设备也可以包含一个或多个结构，其中每个结构含有一个或多个腔，所述腔具有带有特定横截面尺寸的内部表面，以容纳和保持所述一个或多个感测模块。一个或多个结构中的每个结构均可以以允许施加在结构上的力的作用传递到应变计或安装于所述一个或多个感测模块的其它仪表的方式将所述一个或多个感测模块保持在腔中。施加在结构上的力可以由结构所保持的感测模块的所述一个或多个应变计检测。所述一个或多个应变计可以具有随施加到结构的力的幅度变化而变化的电阻。

所述一个或多个结构可以属于用于插入所述一个或多个结构的一个或多个腔内的所述一个或多个感测模块的提供者的一个或多个消费者。感测模块可以是以一个或多个的量大批量生产的产品。

感测模块可以具有相同的外部尺寸，而且可以具有分别针对检测施加到容纳感测模块的结构的不同范围的力所设计的各种种类的应变计。

设备可以进一步包含电子器件模块。电子器件模块可以连接到所述一个或多个应变计，所述应变计将电阻译释为施加在结构上的力的幅度的指示。

腔可以是具有孔洞的中央轴向孔。感测模块可以具有圆筒形形状，其提供感测模块在孔洞中的配合。感测模块的配合可以是感测模块的圆筒形形状的外部表面与孔洞的内部表面接触足以将结构上的负载的力传递到具有一个或多个应变计的感测模块的情况。

感测模块可以是具有圆筒形形状的负载销元件。负载销元件可以具有一个或多个外部沟槽，其限定位于由具有一个或多个应变计的感测模块感测的两个或更多个力之间的剪切平面。

设备可以进一步包含具有一个或多个应变计的附加感测模块，并且包含附加结构。实际上所有感测模块均可以具有幅度一致的外部尺寸。实际上所有的结构均可以具有大小一致的腔。实际上所有感测模块中的任意感测模块均可以配合在实际上所有结构中的每个结构的任意腔中。感测模块的配合可以是感测模块的外部表面与腔的内部表面接触足以将结构上的负载的力传递到具有一个或多个应变计的感测模块的情况。

所述一个或多个结构可以具有不同的外部尺寸和形状，而且能够含有具有一致内部尺寸的腔。所述一个或多个感测模块可以具有实际上等于结构的每个腔的内部尺寸的外部尺寸，使得感测模块能够紧密地配合在每个腔内足以将相应结构上的力传递到感测模块。

用于确定结构上的应变的一种方法可以包含提供结构，在结构中制出开口，制造配合在所述开口中的应变计模块，将应变计模块插入开口中，以及将应变计模块固定在开口中以刚性地附接到结构。结构上的力可以导致应变计模块上的力。

方法可以进一步包含提供一个或多个附加结构，每个结构均具有具有与另一结构的开口相同的尺寸的开口，并且生产一个或多个附加的应变计模块，所述附加的应变计模块具有允许每个应变计配合在所述一个或多个结构的每个开口中的一种外部大小。所述一个或多个结构可以在外部尺寸和形状上彼此不同。

应变计模块可以包含检测应变计模块上的力的一个或多个应变计。应变计模块上的力可以产生代表结构上的力的阻抗的输出。

方法可以进一步包含将电子器件模块连接到所述一个或多个应变计，并且校准电子器件模块，使得来自电子器件模块的电信号代表结构上的力。

模块化负载销组件可以包含应变计模块和结构，该结构承受张力或者压缩，具有用于插入应变计模块的部位，使得张力或者压缩从结构传递到应变计模块。在不物理地改变结构的情况下，应变计模块能够从结构移除。

插入应变计模块的部位可以包含用于插入应变计模块的孔。带有孔的结构可以是套筒，应变计模块插入所述套筒内。

应变计模块可以包含检测应变计模块上的张力或压缩的一个或多个应变计。所述一个或多个应变计可以具有指示张力或压缩的幅度的阻抗。

组件可以进一步包含位于结构中或结构外侧的一定位置中的电子器件模块。电子器件模块可以连接到所述一个或多个应变计。

应变计模块可以具有圆筒形形状，其具有外侧直径。结构可以具有开口，所述开口具有大于应变计模块的外侧直径的内侧直径。结构可以具有实际上任意外部形状。

结构可以是销。应变计模块可以位于并且固定在销中心处的孔中。

应变计模块可以压入结构的开口内，在应变计模块插入结构的开口中之后可以将应变计模块焊接到结构，应变计模块可以用胶粘剂或其它粘结剂固定在结构的开口中，或者应变计模块可以用保持机构固定在结构的开口中。

保持机构可以包含在结构中的一个或多个定位螺钉以将应变计模块保持在孔中、在结构和应变计模块中的一个或多个销以将应变计模块保持在孔中，或者在结构上的闩锁以将应变计保持在孔中。

2010年1月12日授权的名称为“Load Pin Brake Cell Apparatus”的美国专利号7, 644, 636通过引用并入本文。

在本说明书中，虽然以另一方式或语气陈述了一些问题，但是这些问题可以具有假设或预言的性质。

虽然已经关于至少一种说明性示例描述了本系统和/或方法，但是当阅读本说明书时，本领域技术人员将显而易见到许多变型和改型。因此，就相关技术领域而言尽可能广义地解释所附权利要求的预期包括所有这些变型和改型。