专利名称：电子力敏载荷元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种力敏载荷元件，尤其涉及一种电子力敏载荷元件，其中待测量的由弯曲引起的应变是由纯剪力产生的。
人们早就熟知，应用电应变片将所产生的应变精确地变换成相关的电阻抗的变化，可测出梁、柱、隔板等构件中由载荷引起的弹性应变。导线、金属薄片以及半导体被广泛应用于此类变送装置中，能造得很小，适合于安装在这种变送装置的面积较小的表面上。
一般地，变送器被设计和制造成独立的构件，以满足各种装置的需要，但是通常只有当施加的负荷仔细地对准预定的轴中心线时，这些变送器才能精确地响应。在小尺寸的变送单元中，常使用纵向隔板来消除不希望有的横向偏移。在较大的变送组合中，例如在笨重的秤台或者类似物中，潜在的不良侧力可能由有时被称为挠曲杆或支承杆的坚固但有些弹性的构件所阻隔。在这些装置中设置有可挠曲的导向装置，这些导向装置实际上平行于载荷元件或变送器。在这类特别设计的载荷元件中，传感器的临界弹性特性因类似的挠曲件或支承杆而改变，这些部件不稳定的或非线性的工作状况可以大大降低测定精度和线性度。最近，有些载荷元件已经使用了力敏谐振器，根据施加的负荷测量频率输出。
然而，上述这些已有技术的载荷元件由于滞弹性出蠕变和静态应变滞后而受到分辨率的限制，当载荷元件的曲件中剪切应力小于弯曲应力时，这种情况特别明显。而且，在这些已有技术的载荷元件中，必须由电桥电路的平衡来补偿不同于待测量力的侧力和影响。电桥电路的平衡要求应变片的位置精确，也要求所有应变片的传感系数相等。为了补偿这些误差，通常要专门加工这些已有技术的载荷元件。
本发明的总目的是提供一种新颖的和经改进的电子力敏载荷元件，该元件产生的输出信号与不需要的信息和因负荷力位置变化引起的干扰高度分离。
本发明的另一个目的是提供一种电子力敏元件，该元件减少了滞弹性蠕变和静态应变滞后的影响。
为实现本发明，载荷元件的结构形成对称分布的水平和垂直刚性件，它们通过弯曲部相互连接，使载荷元件形成平行四边形。在本发明的一个实施例中，垂直曲杆延伸在平行四边形水平件之间，并牢固地与平行四边形水平件相连。应变片粘附在曲杆上，当平行四边形的一个垂直件固定以及负荷垂直施加于另一垂直件时，载荷元件将根据真正的剪力变形成平行四边形。该剪切变形传递给曲杆，曲杆也将弹性变形。应变片包括在惠斯顿电桥电路内。当电桥电路被电激励后，电桥电路输出的信号将测量曲杆内由纯剪力之类负荷力所产生的应变，而与载荷元件上施加负荷的位置无关。
在本发明的另一个实施例中，曲杆水平设置在载荷元件的垂直件之间，并延伸在载荷元件的垂直件之间。在本发明的又一个实施例中，偏移的垂直杆件连接到载荷元件的水平件上。力敏谐振件连接在偏移的杆件上，并且根据施加的负荷测量谐振件的频率输出。
图1是本新颖的载荷元件装置的一个实施例的透视图;
图2是载荷元件装置的侧视图，图示了夸大的负荷条件，以示出负荷动态情况;
图3是示出图1和图2的曲杆另一方案的局部视图;
图4是图示图1和图2的曲杆的又一方案的局部视图;
图5是示出载荷元件装置另一实施例的视图;
图5a是图5的载荷元件装置的透视图;
图6是示出了图5的载荷元件装置的又一方案的视图;
图7是载荷元件装置另一个实施例的视图;
图8示出了载荷元件装置的另一个实施例;
图9是示出图8的曲杆的另一个实施例的局部视图;
图10示出了新颖的载荷元件装置的又一个实施例;
图11示出了载荷元件装置的又一个实施例;
图12是用于某些载荷元件装置的实施例的惠斯顿电桥电路的示意图;
图13是载荷元件装置作敏感谐振器使用时的电路的框图;
图14是示出载荷元件装置不同实施例的视图;和图15是示出载荷元件装置另一实施例的视图。
现在参见附图，特别是图1和图2，将看到一新颖的电子力敏载荷元件装置，由参考号10标出。电子载荷元件装置10包括一载荷元件构件11，最好由合适的金属如铝或者类似金属机械加工而成。载荷元件构件11呈矩形构造，包括垂直件12、垂直件13、上水平件14和下水平件15。垂直件12和13相对平行设置，上水平件和下水平件也相对平行设置。
上水平件14和垂直件12和13之间的接合处被挖掉一部分，形成弯曲部16。相似地，下水平件15和垂直件12和13之间的接合处也被挖掉一部分，形成弯曲部17。
载荷元件构件11也包括垂直曲杆18，该垂直曲杆18延伸在上水平件和下水平件之间，与上水平件和下水平件形成整体，并且在不水平件和下水平件的横向中间部分上与上水平件和下水平件垂直。杆18的横截面呈矩形，位于上水平件的两纵向侧缘14a之间，并与该两侧缘等距，也位于下水平件两纵向侧缘15a之间，并与该两侧缘等距。曲杆18的中心轴18c位于载荷元件构件11的横向中线面和纵向中线面的相交线上。曲杆18具有固定在其一个垂直表面18a上的应变片C1和T1以及固定在其另一个垂直表面18b上的应变片T2和C2。应变片沿曲杆的中心轴对称设置。该应变片属于电阻类型，受激励时，产生一个同电阻抗的变化相应的信号。
现在参见图12，将看到应变片作为惠斯顿电桥电路19的桥臂形式连接。导线20和21把电桥电路19连接到电源上，导线22和23把电桥电路连接到合适的读数机构，最好是数字式读出盘24。
使用时，载荷元件构件坚固地与支撑部25连接，并从支撑部25悬臂地伸出。在所示的实施例中，垂直件12固定在支撑部25上，负荷箭头26表示待测量的负荷。所施加的负荷或力与载荷元件构件的上表面垂直。如图2所示，当负荷施加于垂直件13的上表面时，载荷元件构件的垂直和水平件以平行四边行的方式作弹性变形。载荷元件的水平和垂直件的变形基本上属剪切性质。这种变形传递给曲杆18，曲杆18相应于负荷作弯曲或变形。曲杆产生的应力使应变片发生应变。当电桥电路19受激励或通电后，曲杆和应变片上呈现的应力可以象有关电阻抗变化一样被测量出，并且转换成可读出信号，如重量或者类似信号。
再参见图2，可以看出，如果负荷26施加于上水平件14上，因为载荷元件构件构造的特殊性，载荷元件将偏置或变形成平行四边形。由于载荷元件构件为单体构造，因此，作用于载荷元件构件的负荷总是基本上垂直作用于两个水平件中的一个或者载荷元件构件的上(或下)表面。该载荷元件的平行四边形之类的弹性变形的发生与垂直件13相关表面上垂直施加负荷26的具体位置无关。如果负荷垂直作用于载荷元件构件，即使负荷并不位于载荷元件构件的垂直方向的纵向中线面内，也将发生平行四边形的变形。对载荷元件构件施加偏心的垂直负荷不会影响载荷元件构件的平行四边形变形。因此，传递到曲杆18上的负荷或力基本上是剪切力，最后变换成测量值，如重量或者类似量。因此，曲杆18的单独设置基本上消除了因负荷的非对称作用而产生的侧向力或不希望有的力。
载荷元件构件11独特的构造，完全避免了通常要用辅助隔板或挠性杆来消除不希望有的横向变形和类似变形。因此，载荷元件构件11的独特的构造允许保持其精确测量负荷必不可少的临界弹性特点。最后，由于载荷元件构件被设计和制造成测量剪切应力，即使没有完全消除滞弹性蠕变和静态应变滞后，也能显著予以减小。
现在参照图3，可以看到图1和图2所示的实施例的另一方案。在图3中，仅示出了曲杆的一个方案，由参考号38表示。包含有曲杆38的载荷元件与图1和图2所示的载荷元件相同。曲杆38具有固定在其垂直表面38a上的应变片C1和T1以及固定在其表面上38b上的应变片T2和C2。曲杆38有一对垂直隔开的通孔39，沿着曲杆的中心轴40排列。在所示的实施例中，通孔38为圆柱形，中心轴40沿直径方向通过这些通孔。应变片也以与电桥电路19相同的电桥电路连接。图3的装置应用于如某一容量范围所需要的载荷单元。关于这一方面，在沿中心轴的通孔39中挖去一些材料则可增加曲杆38的剪力引起的弯曲度。因此，曲杆对应于特定的经选择的载荷容量范围。另外，图3所示的载荷元件的工作方式与图1和图2所示的相同。
现在参见图4，图4示出了曲杆的另一个实施例，由参考号48标出。包含有曲杆48的载荷元件与图1和图2的载荷元件构件的实施例相同。曲杆48在其表面48a和48b上具有上和下半圆柱形凹槽49。可以注意到，一对上凹槽49相对设置，一对下凹槽也相对设置。两凹槽49对称于曲杆48的中心轴50。力敏石英揩振元件Q1固定在曲杆48的表面48a上，并且跨越其一个上凹槽49。第二个力敏石英谐振元件Q2固定在曲杆48的表面48b上，跨越其另一个上凹槽49。谐振元件Q1和Q2沿着中心轴50相对设置。
图13示意性示出了力敏谐振器的电路图。在由参考号51标出的谐振电路中，每个谐振元件Q1和Q2与一对谐振电路52中的一个电连接。当电路51通电后，振荡电路激励谐振元件。从石英谐振元件Q1和Q2来的频率输出信号直接送至微处理器53，该微处理器具有合适的完成某些功能和控制的软件。
微处理器与用于数据存储、分析和输出的计算机54相连或者微处理器与输出显示和/或控制器55相连。谐振电路51也包括与微处理器53相连的温度传感器和电路56。即使谐振元件Q1和Q2以及载荷元件构件具有匹配的热膨胀系数，也必须测量载荷元件的温度，进行热应变校正，并把它加到施加的负荷应力上。计算由微处理器53完成。
现在参见附图，尤其是图5和图5a，可以看到，图5和图5a示出了由参考号60标号的载荷元件装置的不同的实施例。载荷元件60包括呈普通矩形构造的载荷元件构件61，该构件61最好由铝或者类似的金属坯切削而成。载荷元件构件61包括一垂直件62、一垂直件63、一上水平件64和一下水平件65。上弯曲部66把上水平件与垂直件连接。下弯曲部67把下水平件与垂直件连接。
下水平件65具有一对与其整体形成的从其向上凸出的轴向隔开的垂直载荷转换件68。每个载荷转换件68具有一基本垂直的表面68a，表面68a向下与下弯曲部67之一汇合。每个载荷转换件68也具有一垂直表面68b，表面68b向下与下水平件65的上表面65a汇合。水平曲杆69与载荷转换件68整体形成，并位于载荷转换件68之间。可以看出水平杆69的横截面呈矩形构造，并且有平滑的上和下表面。
上水平件64具有一与其中央部分形成整体的且下垂的载荷传递件70，载荷传递件70与水平曲杆69的中间部分刚性地相互连接。可以看出，载荷传递件70从上水平件64的下表面64a延伸。也可以看出，上水平件的侧表面70a向内逐渐变小与水平曲杆69汇合，后者的宽度基本上小于载荷元件构件的上和下水平件的宽度。水平曲杆69的上表面具有固定在其上的应变片C1和T1，曲杆的下表面具有固定在其上的应变片C2和T2。可以注意到，一对应变片位于载荷传递件70的一侧，另一对应变片位于载荷传递件70的另一侧，并且对称于曲杆的中心轴74。
载荷元件构件61的一端牢固地固定到支撑部72上，并且从那里悬臂向外伸出。待测量的负荷以箭头73的方式垂直作用于载荷元件构件的上表面。应变片C1、C2、T1和T2以与图12所示的电桥电路相同的电桥电路相互连接。可以看出，当载荷元件60受到垂直于载荷元件构件61的上表面的负荷时，载荷单元构件将以平行四边形方式变形，并且该变形将被传递到曲杆69上。曲杆的应变将由应变片感知，当电桥电路通电后，输出信号可以转换成可读出信号，如重量或者类似信号。而且，可以注意到，虽然曲杆因受负荷作用而处于拉伸或压缩状态，但这种拉伸或压缩是由剪切引起，所以实际测量的负荷基本上剪力。
现在参见图6，可以看出，图6示出了载荷元件的又一个实施例，由参考号80标出。载荷元件80包括普通矩形构造的载荷元件构件81，从适当坚硬的金属材料例如铝或类似金属切削而成。载荷元件构件81包括垂直件82、垂直件83、上水平件84和下水平件85。上水平件84通过上弯曲部86与垂直件相互连接，下水平件85通过下弯曲部87与垂直件连接。
下水平件85具有一对与其形成整体的从其向上凸出的纵向隔开的相似的下载荷传递件88。上水平件84具有一与其形成整体的从其向下凸出的上载荷传递件89。这些传递件彼此之间基本平行，并且也与垂直件平行。可以注意到，上载荷传递件89位于下载荷传递件88之间，且与其距离相等。每个下载荷传递件88具有一基本平滑的水平表面90，上载荷传递件89具有面朝下的平滑表面91。下载荷传递件的二个表面90位于同一平面，且稍低于上载荷传递件89的平滑表面。
可以看出，一对频率谐振石英部件Q1和Q2中每个固定在上载荷传递件88中一个的上表面上。每个谐振器从相关的下载荷传递件向旁边延伸，并固定到上载荷传递件89的下表面上。载荷传递件88、89和频率元件Q1和Q2的作用与曲杆相同。虽然载荷传递件不弯曲，但它们把剪切负荷传递给频率谐振部件，使其随负荷而变形。频率谐振器Q1、Q2是与图13的电路相同的谐振频率电路的元件。载荷元件构件81的一端牢固地固定在支撑部92上，并从其上凸出。如剪头93所示，负荷垂直地作用于载荷元件构件的上表面。相反地，负荷也可以以箭头94的方式垂直地作用于载荷元件构件81的下表面上。
当负荷如箭头93所示垂直作用于载荷元件构件81上时，载荷元件构件将以平行四边形的方式有弹性地变形，频率谐振器Q1、Q2分别处于压缩和拉伸状态。频率谐振器Q1、Q2的拉伸影响它们的频率输出。相反，当负荷以箭头94的方向垂直作用于载荷元件构件的下表面时，频率谐振器将处于与负荷93的状态相反的状态。这些频率谐振器的位伸或压缩由剪切产生，所以测量负荷的输出信号将主要通过测量剪力而产生。
现在参见图7，可以看出，图7示出了新颖的载荷元件装置的另一个实施例，由参考号100标出。载荷元件装置100包括一普通矩形的由如铝或者类似金属的金属材料坯切削而成的载荷元件构件101。载荷元件构件101包括一垂直件102、一垂直件103、一上水平件104和一下水平件105。上水平件104通过上弯曲部106与垂直件相连，下水平件105通过下弯曲部107与垂直件相连。
载荷元件构件101也设置有一对在其内轴向隔开的垂直延伸通孔108，每个通孔靠近一个垂直件，每个通孔108与水平和垂直件相配合产生上和下弯曲部。载荷元件装置101也包括一对在其内垂直隔开的通孔108a。
载荷元件构件101还包括一对垂直载荷传递件109，每个垂直载荷传递件109与垂直件102、103向内留有空间。每个载荷传递件109通过上弯曲部110与上水平件104相连，通过下弯曲部111与下水平件105相连。弯曲部110、111的厚度比弯曲部106、107薄。可以看出，这些弯曲部106、107是由通孔108和108a的外形所限制的。
垂直载荷传递件109通过水平设置的曲杆112相互连接在一起，水平设置的曲杆112基本上与上水平件104和下水平件105平行设置。曲杆112也基本上垂直于载荷传递件109设置。
载荷元件构件101从支撑部113向外悬臂安装，并且从支撑部113向外凸出。作用于载荷元件的负荷由箭头114指示，箭头114图示了垂直作用于载荷元件的上表面的负荷。应变片C1和T1粘贴在曲杆112的上表面，应变片C2和T2粘贴在其下表面上。可以注意到，应变片相对于曲杆的中心轴115对称设置。应变片以图1和图2的实施例的方式设置成电桥电路19。可以看出，负荷垂直作用于载荷元件构件101，当电桥电路通电或被激励时，载荷元件构件将以平行四边形的方式变形。这种变形将通过载荷传递件109传递到曲杆上。在这一方面，载荷传递件109将在弯曲区110、111弯曲并变形成平行四边形。因此，真正的剪切将引起曲杆112弯曲，应变片C1、C2、T1和T2将感知曲杆的应变。所以，可以看出，作用于载荷元件构件的负荷将测量真正的剪切，并且可以被转换成重量输出。
现在参见了图8，可以看出，图8示出了载荷元件装置的不同的实施例，由参考号130标出。载荷元件装置130包括矩形载荷元件构件131，载荷元件构件131包括一垂直件132、一垂直件133、一上水平件134和一下水平件135。上弯曲部136把上水平件134连接到垂直件上，下弯曲部137把下水平件135连接到垂直件上。载荷元件构件由合适的金属如铝或类似金属切削而成。
载荷元件构件131具有一对相似的通孔138，该通孔限定了垂直设置的曲杆139，曲杆139延伸在上和下水平件之间，并且与上和下水平件为一整体。曲杆139与垂直件基本上平行设置，并且基本上垂直于水平件。在所示的实施例中，曲杆139其内具有一形状对称的垂直通孔140，通孔140呈哑铃构造，限定了一对基本上平行对置的杆件141。通孔140也限定一对上弯曲部142，每个上弯曲部把一个杆件与上水平件134相连。通过孔140也形成一对下弯曲部143，下弯曲部143延伸在每个杆件和下水平部件135之间，并把每个杆件连接到下水平件135上。
载荷元件构件131安装在支撑部144上，并从支撑部144悬臂凸出。作用于载荷元件构件上的负荷由箭头145指示，该箭头145图示了垂直作用于载荷元件的上表面上的负荷。应变片C1、T1、C2和T2固定在杆件141上，并且相对于曲杆的中心轴对称设置。
当如箭头145所示向载荷元件施加负荷时，因其特殊的结构，载荷元件以平行四边形的方式变形。施加的负荷基本上是剪力，并将被传递到曲杆139上，曲杆139根据剪力负荷而引起弯曲。应变片将测量曲杆的应变，并可以作为重量读出。应变片将以与图12的电路51相同的电桥电路连接。
在图8的实施例中，由于曲杆的特殊构造，曲杆对剪切引起的弯曲更灵敏，并且允许载荷元件在不同容量范围内测量。图8所示的载荷元件装置将测量真正的剪力，即使没有如已有技术的装置所要求的把负荷对称作用于载荷元件的上表面上。
现在参见图9，可以看出，图9示出了与图8所示的载荷元件曲杆稍微有些不同的实施例。因图9所示的载荷元件装置仅在曲杆结构上与图8所示的实施例不同，因此，图9的绝大部分图示了图8所示的曲杆的方案。图9所示的载荷元件装置160包括具有垂直件(未示出)以及上水平件164和下水平件165的载荷元件构件。曲杆169延伸在图8的实施例中的上和下水平件之间，并且与上和下水平件为一整体。
曲杆169其内也包括一哑铃形的垂直通孔170，由此限定一对对置的基本平行的杆件171。上弯曲部172把杆件与水平件相连，下弯曲部173把杆件171与下水平件相连。每个杆件171其内还有两上凹槽175，彼此相对设置。每个杆件其内也具有两下凹槽176，彼此相对设置。
两上凹槽175中的一个具有一个覆盖其上的频率谐振器Q2，另一个上凹槽具有一个覆盖其上的频率谐振器Q1。频率谐振器Q1、Q2是图13的电路相同的谐振频率电路的元件。并且相对于中心轴174对称设置。然而，凹槽175、176决定了曲杆169的弯曲灵敏度，由此来使载荷元件装置测量不同范围的剪切引起的弯曲。
现在参见图10，可以看出，图10示出了新颖的载荷元件装置的又一个实施例，由参考号180标出。载荷元件装置180包括普通圆柱形载荷元件构件181，载荷元件构件181包括一垂直件182、一垂直件183、一上外水平件184和一下外水平件185。
在所示的实施例中，载荷元件构件181其内具有一上槽状通孔186，上槽状通孔186与扩大的圆柱形通孔187相通。槽188使大圆柱形通孔187与扩大圆柱形通孔189相互连通。上槽和扩大通孔的构造限定了上水平件184。
载荷元件构件181也具有一在其下半部分内的槽状通孔191，槽状通孔191与其内的圆柱形通孔192相通。槽193使圆柱形通孔192与扩大圆柱形通孔184相互连通。下槽和圆柱形通孔的构造限定了下水平件185。
还可以注意到载荷元件构件181具有一对通过其中部的相似的细长通孔196，一对通孔196彼此配合形成位于中心的垂直设置的曲杆197。通孔196与上槽和扩大通孔配合，限定一上内水平件184a相似地，通孔196与下槽的扩大通孔配合，形成下内水平件185a。载荷元件181具有位于中心的向上轴向设置于其水平件内的通孔凹穴198。载荷元件构件还具有在其内下轴向设置的通孔凹穴199。这些通孔都有螺纹，使载荷元件的端线可以固定到支撑部和承受载荷的部件上(未示出)。
可以看出，通孔196与上扩大圆柱形通孔187、189配合，限定把上内水平件184a与载荷元件的垂直件相互连接的上弯曲部200。相似地，通孔196与下扩大圆柱形通孔192、194配合，限定设置在下内水平件185a和载荷元件的垂直件之间的弯曲部201。曲杆197具有一中心轴202，应变片C1、C2、T1和T2相对于中心轴202对称附在曲杆的垂直表面上。在此指出，应变片以如图12的电路图51所示的电桥电路连接。
如果载荷元件构件201通过凹穴198中的螺栓或者其它紧固件固定到支撑部上，那么作用于固定在凹穴199内的承受负荷的部件上的负荷将竖直并基本垂直于下外水平件185。载荷元件构件将变形成平行四边形，将该载荷传递到曲杆197，曲杆将根据负荷而弯曲。在该方面，有弹性的平行四边形变形涉及到垂直件182、183和上内和下内水平件184a和185a。由于载荷元件构件将变形成平行四边形，施加于载荷元件上的负荷将基本上是引起曲杆197弯曲的剪力。应变片将测量剪力引起的曲杆的应变，并且该负荷可以以重量测量。再且，可以注意到，该装置揭示了一种载荷元件构件的端线负荷。
现在参见图11，可以看出，图11示出了载荷元件装置的另一个实施例，由参考号210标出。载荷元件装置包括一普通矩形状载荷元件构件211，载荷元件构件211包括一垂直件212、一垂直件213、一上外水平件214和一下外水平件215。载荷元件构件211其内具有一细长槽216，上槽216水平设置，沿着载荷元件构件的一个垂直边沿向外开口。载荷元件构件211其内还具有一个下细长槽217，下细长槽217基本上平行于上槽216设置，沿着载荷元件构件的另一个垂直边沿向外开口。
载荷元件构件211其内具有一对靠近其中心部分的普通矩形通孔218。通孔218与上槽216和下槽217配合，限定上内水平件219和下内水平件220。可以注意到，这些水平件219、220彼此之间相互基本平行设置，并且与上外和下外水平件基本平行。通孔218也形成一个位于中心的垂直的曲杆221，曲杆221延伸在上内水平件219和下内水平件220之间。
可以注意到，通孔218的构造与上槽216配合，在载荷元件构件211的上内水平件219和垂直件之间形成上弯曲部222。还可以注意到，下内水平件220通过下弯曲部223与载荷元件构件211的垂直件相连。
载荷元件构件211可以从适当的金属如铝或者类似金属的板材毛坯机械加工而成。可以看出，上外水平件214其内具有多个通孔224，以把载荷元件构件通过螺钉、螺栓或者类似物固定或者连接到合适的支撑结构上。还可以注意到，下外水平件215其内具有多个纵向隔开的通孔225，以把下水平件通过螺钉、螺栓或者类似物与负荷连接。
曲杆221具有粘附在其相对两垂直面上的应变片C1、C2、T1和T2，这些应变片相对于曲杆的中心轴226对称设置。应变片连接成与图12的电桥电路19相同的惠斯顿电桥电路。因此，当电路通电和把负荷施加于载荷元件构件上时，后者将根据负荷而变形，通过惠斯顿电桥电路测量负荷。
在所示的实施例中，负荷将垂直施加于下外水平件上，该负荷将引起垂直件和内水平件形成的平行四边形以图1和图2的实施例方式弹性变形。由于负荷垂直施加于载荷元件构件，载荷元件构件尤其是其平行四边形将主要根据剪切发生变形。因此，曲杆221将弹性变形(弯曲)，并由应变片测量曲杆内呈现的应变。因而，载荷元件装置210也测量剪切引起的弯曲应变。
现在参见图14，可以看出，图14示出了载荷元件装置的不同的实施例，由参考号240标出。载荷元件装置240包括载荷元件构件241，载荷元件构件241呈普通矩形构造，最好由如铝、不锈钢或类似的金属块机械加工而成。载荷元件构件241包括一垂直件242、一垂直件243、一上水平件244和一下水平件245，这些水平和垂直件刚性地连接在一起。载荷元件装置包括一对在上水平件244和垂直件242、243之间的上弯曲部246。载荷元件构件241包括一对在下水平件245和垂直件242、243之间的下弯曲部247。
载荷元件构件241还包括一垂直设置的下载荷传递件248和垂直设置的上载荷传递件249。可以注意到这些载荷传递件彼此之间纵向偏移，并且与垂直件242、243基本上平行设置，并与上和下水平件正交或垂直延伸。下载荷传递件248具有一基本平滑的水平上表面250，而上载荷传递件249具有一基本平滑的下表面251。表面250、251彼此之间垂直方向留有空隙，并且彼此之间和与上水平件244上表面和下水平件245的下表面基本平行设置。
可以看出，下载荷传递件248具有一较长的垂直表面248a，垂直表面248a向下延伸到两个弯曲部247中的一个，下载荷传递件248还具有一个较短的垂直表面248b，垂直表面248b从下水平件245的上表面245a向上延伸。相似的，上载荷传递件249具有一较长的垂直表面249a，垂直表面249a向上延伸并与两上弯曲部246中的一个汇合。上载荷传递件249还具有一较短的垂直表面249b，垂直表面249b从上水平件244的下表面244a向下延伸。
还可以注意到，上水平件244具有一汇合到上弯曲部246的垂直表面244b。相似地，下水平件245具有一汇合到下弯曲部247的垂直表面245b。
力敏频率谐振器Q固定到上和下载荷传递件上，并延伸在上和下载荷传递部件之间。在所示的实施例中，力敏频率谐振石英部件Q固定在上负荷传递件249的下表面251和下负荷传递件248的上表面250上。垂直件242固定到支撑部252上，并从其上以悬臂方式凸出。箭头253表示施加于载荷元件构件241的上表面上的力的垂直方向。箭头254表示垂直施加于载荷元件构件241的下表面的力或负荷的作用。
载荷传递件248、249和频率谐振石英部件Q形成了曲杆。虽然，载荷传递件248、249不弯曲，但传递件支撑力敏频率谐振石英部件Q并把作用于载荷元件的剪切负荷传递给力敏频率谐振石英部件Q。当负荷或力以箭头253的方式垂直作用于载荷元件构件的上表面时，力敏频率谐振器将受到拉伸，当谐振器受谐振信号激励时，拉伸将影响谐振器的频率输出。相反地，当力以箭头254的方式垂直作用于载荷元件构件的下表面时，力敏频率谐振器Q将受到压缩，该压缩也影响谐振器的频率输出。无论哪一种情况，载荷元件构件将以平行四边形的方式弯曲并变形，这样载荷元件将测量真正的剪力。
载荷元件240的电路除了仅设置有一个谐振石英部件的一个振荡器之外与图13图示的电路51相似。输出信号可以以重量载荷测量作用于载荷元件上的力。
现在参见图15，可以看出，图15示出了载荷元件装置的不同的实施例，由参考号270标示。载荷元件装置270包括呈普通矩形构造的载荷元件构件，由合适的金属如铝或者类似金属机械加工而成。载荷元件构件271包括一垂直件272、一垂直件273、一上水平件274和一下水平件275。上弯曲部276位于上水平件274和垂直件272、273之间。下弯曲部277位于下水平件275和垂直件272、273之间。
载荷元件构件还包括一下载荷传递件278和一上载荷传递件279，两传递件278、279相互之间纵向偏移。上和下载荷件彼此之间基本平行设置，并且与垂直件基本平行。上和下载荷件与水平件基本正交或垂直。下载荷传递件278设置有基本平滑的水平上表面280，上载荷传递件279设置在基本平滑的水平下表面281。表面280和281彼此之间基本平行设置，并且也与上水平件274的上表面和下水平件275和下表面基本平行。下载荷传递件278设置有垂直表面278a垂直表面278a从下载荷传递件278的上表面280延伸到相邻的弯曲部277。下载荷传递件还包括一垂直表面278b，它从表面280延伸到下水平件275的上表面275a。下水平件275还包括一垂直表面275b，汇合到相邻的弯曲部277。
上载荷传递件279还具有一从水平表面281延伸到相邻弯曲部276的长垂直表面279a。上载荷件具有一从水平表面281到上水平件274的下表面274a的短垂直表面279b。上水平件274还具有一汇合到相邻上弯曲部276的垂直表面274b。力敏频率谐振石英部件延伸在下载荷传递件的垂直表面278b和上载荷传递件279的垂直表面279b之间。还可以注意到载荷传递件278、279和谐振石英部件Q以图14的实施例方式形成曲杆。载荷元件构件271的一端牢固地安装在支撑件282上。待测量的力由箭头283或箭头284表示。
如果力以箭头283的方向垂直作用于载荷元件构件的上表面，载荷元件构件将弹性变形成平行四边形。这种变形使力敏频率谐振器Q受到拉伸，该拉伸影响谐振器的频率输出信号。相反地，如果力以箭头284的方向垂直作用于载荷元件构件的下表面，力敏频率谐振器Q将受到压缩。无论哪一种情况，相隔开的垂直杆件使载荷元件装置能测量真正的剪力。再者，图6的实施例中的力敏频率谐振部件Q的电路将与图13的电路相似，但仅包括一个力敏频率谐振部件和一个振荡器。
可以看出，在所有的载荷元件装置的实施例中，每种载荷元件构件均包括变形装置，它是一种曲杆或起曲杆的作用。在载荷元件装置的每个实施例中，当负荷作用于其上时，由于其独特的结构，载荷元件构件弹性变形成平行四边形。由于载荷元件构件变形成平行四边形，由该变形传感的力基本是剪力，即使力不以已有技术的装置所需要的相同的预定的位置施加于载荷元件构件上。在所有实施例中剪力都被传递给曲杆，即使曲杆通过弯曲弹性变形，但它仅测量真正的剪力。在所有的实施例中，曲杆通过弯曲部与载荷元件构件的偏移部件隔开。
因此，可以看出，该新颖的载荷元件不需要轴向隔板和/或挠曲杆。最后，可以发现，我的新颖的载荷元件装置如果没有完全消除的话也基本上减少了传感器支撑的负荷中的滞弹性蠕变和静态应变滞后。
因此，可以看出，我提供了一种新颖的载荷元件装置，不仅简单和廉价，而且起着比前面已知的相比较的装置更有效的作用。
权利要求
1.一种以重量测量施加于其上的负荷的载荷元件装置，包含一单体载荷元件构件，包括一对垂直隔开的水平刚性件、一对纵向隔开的、对置的垂直件，与所述水平和垂直件连成整体的装置形成弯曲部，把各水平件与所述垂直件相连；与所述载荷元件的所述一对对置的水平刚性件整体连接的变形装置，所述变形装置包括电子传感装置，当负荷竖直和垂直施加于所述两水平件中之一的平面上时，所述载荷元件构件将弹性变形成平行四边形，由此把剪力传递给所述变形装置，后者产生由剪力引起的变形，和包括所述传感装置的电子线路，产生由所述变形装置变形引起的输出信号，并可把所述输出信号转换成可见的重量读数。
2.一种以重量测量施加于其上的负荷的载荷元件装置，包含一单体载荷元件构件，包括一对垂直隔开的水平刚性件、一对纵向隔开的、对置的垂直件，与所述水平和垂直件连成整体的装置形成弯曲部，把各水平件与所述垂直件相连;一与一对所述水平件整体连接的曲杆，与所述弯曲部留有间隔，所述曲杆与所述一对刚性件留有对称的间隔且基本上平行于所述一对刚性件，所述曲杆基本与另一对所述刚性件正交，电子传感装置安装在所述曲杆上，由此，当负荷竖直和垂直施加于所述水平部件中之一的平面上时，所述载荷元件构件将在所述弯曲部弹性变形成平行四边形，把剪力传递给所述曲杆，并使后者产生剪力引起的弯曲，和包括所述传感装置的电子线路，产生由所述曲杆变形引起的输出信号，并可把所述输出信号转换成可见的重量读数。
3.如权利要求2所限定的载荷元件装置，其特征在于所述传感部件包含应变片，所述电路包含惠斯顿电桥电路。
4.如权利要求2所限定的载荷元件装置，其特征在于所述传感部件包含频率谐振石英部件，所述电路包括振荡所述频率谐振石英部件的振荡电路。
5.如权利要求3所限定的载荷元件装置，其特征在于所述曲杆具有一中心轴和对置的垂直直平滑表面，所述形变传感器中的一对在竖直方向上留有间隔地固定到所述曲杆的所述垂直平滑表面中的一个表面上，所述应变片中的另一对在竖直方向上留有间隔地固定到所述曲杆的另一个垂直表面上，所述应变片沿着所述曲杆的中心轴对称设置。
6.如权利要求2所限定的载荷元件装置，其特征在于设置有一对纵向间隔的、垂直设置的载荷传递件，这对载荷传递件彼此之间基本平行，每个传递件延伸在所述水平刚性件之间并与所述水平刚性件为一整体，一对弯曲件把每个传递件连接到所述水平刚性件上，所述曲杆与所述传递件垂直设置并且延伸在所述传递件之间，由此，当负荷垂直和竖直施加于所述水平件之一的一个平面时所述曲杆根据传递到后者的剪切引起的力而产生弹性弯曲。
7.如权利要求6所限定的载荷元件装置，其特征在于所述曲杆具有一中心轴和对置的上和下平滑水平表面，所述传感装置包括固定在其上表面的第一对应变片和固定在其下表面的第二对应变片，所述应变片沿所述中心轴对称设置。
8.如权利要求2所限定的载荷元件装置，其特征在于所述曲杆具有一通孔。
9.如权利要求8所限定的载荷元件装置，其特征在于在所述曲杆内的所述通孔呈细长的垂直设置在哑铃形构造，把所述曲杆划分成对置的基本相同的两个杆件，所述传感部件包含应变片，每个杆件具有一对固定到其一个垂直表面上的应变片。
10.如权利要求2所限定的载荷元件装置，其特征在于所述曲杆具有对置的垂直表面，每个垂直表面其内具有一对垂直间隔的凹穴，所述传感装置包括一对频率谐振石英部件，每个石英部件覆盖设置在所述凹穴中的一个上。
11.如权利要求2所限定的载荷元件装置，其特征在于所述载荷元件构件呈普通圆柱形构造，所述曲杆具有对置的垂直表面，所述传感装置包括应变片，所述曲杆的每个对置的表面具有一对安装于其上的应变片。
12.如权利要求2所限定的载荷元件装置，其特征在于所述载荷结构具有一第二上外水平件和一下外水平件，所述上外水平件与垂直件中的一个整体连接，所述下外水平件与垂直件中的另一个整体连接，所述曲杆延伸在所述内水平件之间并与所述水平件整体形成。
13.如权利要求12所限定的载荷元件装置，其特征在于所述载荷元件构件呈普通圆柱形构造。
14.如权利要求1所限定的载荷元件装置，其特征在于所述变形载荷装置包含一对垂直设置的载荷传递件，其中一个与所述水平件中一个整体形成，另一个载荷传递件与所述另一个水平件整体形成，所述载荷传递件纵向留有间隔，所述传感装置包含一延伸在所述载荷传递件之间并粘附在所述载荷传递件上的频率谐振石英部件。
15.如权利要求14所限定的载荷元件装置，其特征在于所述载荷元件包含一力敏部件。
16.如权利要求15所限定的载荷元件装置，其特征在于每个载荷传递件具有基本平滑的垂直表面，所述载荷传递件中一个的垂直表面与所述另一个载荷传递件的相邻垂直表面留有间隔，所述频率谐振石英部件延伸在所述载荷传递件的所述相邻垂直表面之间并粘附在所述载荷传递件的所述相邻垂直表面上。
17.如权利要求16所限定的载荷元件装置，其特征在于每个载荷传递件具有基本平滑的水平表面，所述平滑水平表面垂直方向上留有间隔，所述频率谐振石英部件延伸在所述载荷传递件的所述平滑水平表面之间并且粘附在所述载荷传递件的所述平滑水平表面上。
18.一种以重量测量施加于其上的负荷的载荷元件装置，包含一基本呈矩形构造的单体载荷元件构件，包括一上水平刚性件、一与所述上刚性件垂直间隔的下水平刚性件和一对纵向间隔的对置的垂直件，分别把所述上水平件与所述垂直件相连和分别把下水平件与所述垂直件相连的所述载荷元件的部分厚度减小，形成一对上弯曲部和一对下弯曲部，垂直变形曲杆延伸在所述水平部件之间并与所述水平件整体形成，所述垂直变形曲杆与所述垂直件等间隔设置，所述曲杆具有一中心轴和多个沿所述中心轴对称安装在所述曲杆上的电子传感器，所述传感器传感所述曲杆的变形，由此，当负荷垂直和竖直施加于所述载荷元件构件上时，所述载荷元件构件将在所述弯曲部弹性变形成平行四边形，把剪力传递到所述曲杆上，使后者产生剪力引起的变形，和包括所述传感器的电子线路，产生由所述曲杆变形引起的输出信号，并可把所述输出信号转换成可见的重量读数。
19.如权利要求18所限定的载荷元件装置，其特征在于所述曲杆具有对置的基本平滑的垂直表面，所述电子传感器包含应变片，所述应变片中的一对固定在所述曲杆的一个垂直表面上，所述应变片中的第二对固定在所述曲杆的另一个垂直表面上。
20.如权利要求19所限定的载荷元件装置，其特征在于所述水平件具有平滑的对置的垂直侧表面，所述曲杆向内布置，并与所述水平件的所述侧表面等距离。
21.如权利要求20所限定的载荷元件装置，其特征在于所述曲杆具有多个基本呈圆柱形的、垂直方向隔开的延伸通孔。
22.如权利要求19所限定的载荷元件装置，其特征在于所述曲杆具有垂直设置在细长哑铃形通孔，由此把所述曲杆形成一对对置的垂直延伸的杆件，每个杆具有一对固定在其上的所述应变片。
23.如权利要求22所限定的载荷元件装置，其特征在于每个杆件其内具有一对垂直方向隔开的凹穴。
全文摘要
一种载荷元件装置，包括一由合适金属制成的载荷元件构件，该载荷元件构件包括垂直隔开的平行的水平件，该水平件与纵向隔开的平行的垂直件构成整体。弯曲部把每个水平件与垂直件相连。曲杆延伸在水平或垂直件之间，并与水平或垂直件相连。当负荷竖直和垂直作用于水平件中的一个时，载荷元件构件将弹性变形成平行四边形，由此把剪力传递给曲杆，使后者因剪力而产生弯曲。应变片或频率谐振石英部件传感剪力引起的弯曲，并包括在输出由曲杆的变形引起的输出信号的电路中。电路能把输出信号转换成可读的力读数。
文档编号G01P15/097GK1077025SQ9310123
公开日1993年10月6日 申请日期1993年2月15日 优先权日1992年4月3日
发明者托马斯·H·约翰逊 申请人:脱罗尼克斯称量股份有限公司