专利名称：力传感器的安装装置以及称量秤的制作方法
技术领域：
本发明涉及力传感器的安装装置以及包括与根据权利要求1、8的前序部分所述的安装装置固定在一起的力传感器的称量秤。
背景技术：
称量秤的测力元件通常配备有一力传感器，该力传感器在一侧连接至一用作支座的秤架，在另一侧连接至一称重托盘架，将要测量的力通过该称重托盘架引入。可以以多种方式对力传感器进行配置。广泛使用的是设计为带有一作为核心元件的弹性变形体的传感器，或者是带有一进行力补偿(在大多数情况下是利用由一电流调节电磁铁所产生并通过一杠杆机构起作用的平衡力)的设备。
举例来说，如在参考文献[1]，DE 199 39 633 A1所述以及在参考文献[2]，EP 0 670 479 A1中称为“反作用力件”或“受力体”的力传感器具有一弹性变形体，该弹性变形体将传感器的一安装在秤架上的固定部件连接至一力作用部件，对于称量秤，则是连接至一负载作用部件。一般来说，力传感器在位于变形体与若干部件之间的过渡部位上具有若干横向沟槽，该若干部件用于将该力传感器连接至该秤架和称重托盘架。该若干横向沟槽用于机械地脱开该变形体，在该变形体中，利用传感器(优选的是利用应变仪)测量由作用力所引起的变形。
该变形体优选地是构造为一平行四边形形状的测量元件，该测量元件具有一类似于平行四边形的导向构件(例如参见参考文献[3]，EP 0 511521 A1)。
代表测量的模拟信号由应变仪产生，该应变仪优选在一桥接电路中彼此相连。通常在一转换电路中数字化该信号并随后对其进行更多的处理步骤。例如参考文献[4]，U.Tietze，Ch.Schenk，Halbleiterschaltungstechnik，第十一版，第一次重印，Springer Verlag，柏林1999，第1242-1243页描述了一种带应变仪的桥接电路的基本结构。
为支持对数字化测量信号的进一步处理，参考文献[2]中所述的测量元件具有一存储特征参数的存储模块，这些特征参数对于每个测量元件都是特定的，并用于测量信号的修正。
如参考文献[5]，已公开的专利申请GB 1 462 808中所述，前述修正尤其应用于由于非线性、滞后现象、温度和蠕变效应所引起的误差。在工厂制造期间，通过特殊试验和测量过程确定修正所需的校准及补偿数据并存储在存储模块中。
根据参考文献[1]，称重单元中力传感器的测量精度在很大程度上取决于力传感器的滞后特性。力传感器的滞后特性由在大多情况下彼此同时出现的若干因素所导致。
再根据参考文献[1]，迄今为止用于减轻滞后效应的机械设计测量方法主要集中在避免力传感器材料的弹性变形上。作为一种避免力传感器的连接于秤架上的固定部件和与其所连接的安装基座之间摩擦力的方法，将该两个部件紧紧地用螺栓固定一起，并通过接触表面接合在一起，该接触表面磨光至一高精度的平面度并清除润滑脂和其它杂质。为限制秤的滞后误差，有必要要求接触表面的机械加工以及螺栓的紧固扭矩达到特定水平。
在这些要求的实际运用中，已经发现，螺纹连接在材料中带来了可变应力，并对滞后现象有着额外的不利影响。
参考文献[1]中提出了一种解决方案在力传感器的相对于秤架以固定方式安装的部件与该固定的力传感器部件所连接的安装基座之间插入一扁平状弹性密封材质的垫片元件。然而，在这种解决方案中，除了这种密封材料的成本之外，还要考虑该垫片元件的长期性能。在某些情况下，配备有一弹性垫片元件的秤在相对短的时期之后可能会需要重新校准。
此外，新型的秤通常均具有可以由修理技术人员在用户处就可以更换而无需将秤返回工厂的模块化测力元件。弹性垫片元件很难在更换测力元件之后无需重新校准的条件下应用于这些秤，因为随着测力元件的更换，这种弹性垫片元件会发生很剧烈的变化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于力传感器的改进安装装置以及带有利用该改进安装装置安装的力传感器的秤。在本文中，术语“安装装置”包括整体上用于互连位于秤的引入称重负载的部件和提供平衡支承力的基座之间的力传感器的机械构件。
本发明特别是试图提供一种带有节省成本的安装装置的力传感器，该安装装置使得带有若干传感器的力传感器可以这样的方式安装，从而测量特性在很大程度上是线性的并从而只有很小的偏差需要补偿。此外，随着时间的流逝，在安装力传感器之后仍然会保留的与一理想特性之间的偏差应当尽可能小地变化。
本发明的另一目的是提供一种允许测力元件安装在秤架的很小空间内并具有高度稳定性的安装装置。
用于该安装装置的一优选实施例的又一目的是可靠地保护测力元件避免过载。
此外，该安装装置适用于安装模块化测力元件，该测力元件需要达到无需重新校准秤就可以进行更换的要求。
前述目的通过具有分别如权利要求1、8中所述特征的安装装置以及称量秤而得到。其它权利要求给出了本发明的有利实施例。
该力传感器通常配备有通过一核心部件相连的力作用部件和支承部件。该核心部件具有至少一传感器，并可以通过横向沟槽与该力作用部件和/或支承部件机械去耦。根据本发明，力传感器的显著特点在于若干个螺纹钻孔的特定布置，这些钻孔容纳有将负载接受部件附着于力传感器的力作用部件以及将一紧固件附着于测量传感器的支承部件的紧固螺钉。
该用于力传感器(尤其是上述类型的力传感器)的创造性安装装置的显著特点在于一带有U形横截面的紧固件，其中该U形横截面的开口侧朝向该力传感器。该紧固件从支承部件的附着表面向着力作用部件延伸，并越过核心部件的中部，且包括若干个将该紧固件安装在一固定位置的装置，例如螺钉、夹具、按扣连接器或类似的紧固器。这些安装装置用于将测力元件附着于在大多数情况下保持静止的部件，尤其是例如称量秤的秤架上。优选地，紧固件包括可将该紧固件与一前述类型的力传感器螺纹连接在一起的装置。更优选地，在称量秤的特定情况下也称作称重托盘架的负载接受部件类似地以上述同样方式构造为通过螺栓连接至力传感器。然而，该特别特征不能应用于例如通过一直接螺旋入该力作用部件的挂钩而从一悬挂载荷中引入负载的秤。
在这种安装装置中，支承部件连接至一紧固件，该紧固件又可以适当地例如固定在秤的秤架中。因此，在力传感器的绝大多数应用中，支承部件可以是安装在秤架的一固定位置的力传感器的一部分。作为这种安装装置的另一特点，力作用部件连接至一负载接受部件。对于秤而言，该负载接受部件为一称重托盘架。
紧固件和负载接受部件自身也应当尽可能地坚硬，并且应具有用于例如在秤的秤架中安装配备有该安装装置的力传感器的装置。根据本发明的一优选思路，紧固件和负载接受部件构造为具有U形轮廓并在U形通道的侧面上形成有外伸凸缘的支承元件。该侧向凸缘可提供刚度。对于紧固件，该侧向凸缘还提供了将紧固件连接至外部的可能性。它们也允许一带有较低总体安装轮廓的过载保护的布置。此外，U形支承元件在处理模块时可保护力传感器。
从参考文献[6]，已公开专利申请DE 199 10 003 A1中还可以得知，力传感器和应变仪都是高度敏感的元件，其很容易被机械过载损坏。因此，参考文献[6]所述设备具有一可调节的终端止挡件，其布置在力传感器的连接于秤架的固定部件之上，以用于限制由称重托盘支架所固定的称重托盘或称重平台的向下位移。在参考文献[2]中所述类型的模块化力传感器中，没有一种有利的方式可以实现过载安全设备的这种配置，这种过载安全设备在垂直方向上需要相对较大的空间。由于称重平台和过载安全设备倾向于一起工作的方式，秤的设计选择受到很大的限制。在更换测量元件时，终端止挡件和称重平台之间的间隙可能需要重新调整。而且，在参考文献[6]所述的设备中，由终端止挡件和称重负载作用于称重平台的力并不是与一公共轴线一致，因此在达到终端止挡件之后，一没有被终端止挡件限制的分力可以继续作用于力传感器上，这对于力传感器的弹性性能具有不利影响，或者如果作用力达到最大并且作用了一不利的扭矩，则甚至会引起力传感器的损坏。
上述缺点可以在本发明的该创造性安装装置的优选实施例中得以避免。为避免装配有传感器的力传感器的过载，负载接受部件和紧固件侧壁上的凸缘彼此朝着对方延伸得足够远，从而使得它们互相交叠。在交叠区域上，布置有相互配合的终端止挡件，以防止当作用力太大时力作用部件相对于支承部件的过度位移行程。例如，称重托盘架一或者更一般的术语一负载接受部件的至少一侧向延伸部位装配有一圆孔，一垂直的螺栓有间隙地穿过该圆孔。该螺栓上的两个螺母是可调的，其调节方式使得一螺母限制力作用部件的向下位移，另一螺母限制向上方向上的位移。在本发明的范围内，交叠部件上的终端止挡件的其它可能的结构配置是很容易想象得到的。
由于终端止挡件直接作用在称重托盘架上，因此可以在对空间需要最小的条件下实现该过载安全设备。由于称重平台或称重托盘并不直接与该过载安全设备相配合，该过载安全设备对于秤的设计没有任何限制。
优选地，紧固件和负载接受部件在其两侧均装配有一用于两个位移方向的终端止挡件。例如，称重托盘架在其两侧可以具有侧凸部件，每个侧凸部件带有一圆孔，一垂直螺栓有间隙地穿过该圆孔。每个螺栓上的两个螺母都是可调的，其以使得分别形成向下和向上限制端的两个螺母同时与该两个侧凸部件相遇，从而可以避免力传感器的侧转以及由于扭转作用而引起的滞后问题。
这种称重托盘架上负载的力和与过载安全设备的螺栓轴处于同一平面上的轴线成一条直线的布置防止了在两侧均已到达过载终端止挡件之后与负载有关的分力继续增加并对力传感器产生不利影响的危险。
称重托盘架和紧固件优选配置有一个其U形通道的开口边朝向力传感器的U形横截面，从而使得力传感器被这些由于其U形形状而具有增强刚度的部件部分包围。因此，其内部固定有测量元件的安装装置也可以用于严格精度要求的小天平。
优选的U形紧固件的端部在侧面延伸入向外弯曲的翼部中，该翼部上装配有若干个用于安装螺钉的通孔，这些螺钉可以旋入秤架的支承元件。因此，本实施例中的紧固件同时还在力传感器上提供一可靠的保持作用，以实现一简单却很有效的过载安全设备，并且将整个测量设备连接至秤架。相反，现有技术中建议的解决方案(参见例如参考文献[7]，已公开专利申请DE 198 36 317 A1)包括有一额外的底板，以将测量元件连接至秤架例如一模压薄金属部件上，其必然会带来制造成本的增加以及需安装在一相当大的秤架中。
因此，该力传感器优选连接至如前所述的称重托盘架和紧固件。然而，这并不意味着排除使用具有不同形状的称重托盘架和紧固件的可能。
下面将参考测力元件的一例子的附图对本发明进行更详细的说明，该测力元件具有一构造为带有若干传感器的平行四边形测量元件的变形体。然而，所示例子并不是对本发明范围的限制。本发明也可用于其他类型的测力元件。
图1图示了利用一安装装置所安装的一力传感器20，其中，该力传感器与传感器28，29以及电路模块24一起构成一模块化测力元件2，该模块化测力元件2可连接至一用于施加力的称重托盘架4以及通过一紧固件3连接至一秤架5；图2示出了图1所示模块化测力元件2的侧视图；图3图示了图1所示模块化测力元件2的力传感器20，其带有分别用于连接紧固件3、称重托盘架4以及一金属元件的螺钉36BR，36BL，36F；46BR，46BL，46F；231，该紧固件3连接至一秤架，该金属元件用于保持电路模块；
图4示出了图1所示模块化测力元件2的正视图，其带有力作用部件206；图5图示了图1所示模块化测力元件2的俯视图，其带有两个带状连接器22T、22B，电路模块24通过该两个带状连接器连接至若干传感器；图6示意性地示出了一优选电路模块24的模块化结构，该电路模块通过连接器22T、22T`、22B连接至传感器28TF、28TB、28BF、28BB，并通过另一带状连接器500连接至一处理模块501。
具体实施例方式
图1和图2图示了一力传感器20，其与传感器28、29一起形成一模块化测力元件，并且其利用根据本发明的一安装装置进行安装。力传感器20通过安装螺钉36BR，36BL，36F连接至一紧固件3，并通过安装螺钉46BR，46BL，46F安装至一称重托盘架4。电路模块24通过两个分离的带状软连接器22T、22B连接至传感器28、29，并且被一角形金属元件23固定，该金属元件通过一螺钉231连接至力传感器20，以确保电路模块24和力传感器20之间的良好热交换。
如上所述，力传感器20和应变仪28TF、28TB、28BF、28BB(参见图3)是高度敏感的元件，很容易被机械过载损坏。本发明的一优选实施例给出一实现过载保护的简单方式，其限制力传感器20的上下位移行程而不允许力传感器上出现有害的扭矩反作用。
如可从图4中看出，为了实施这种过载安全设备的创造性思路，U形轮廓称重托盘架4具有带有孔44、44`的侧部43、43`。连接至紧固件3的螺栓33、33`有间隙地穿过孔44、44`。螺栓33上的两个螺母34、35以及螺栓33`上的两个螺母34`、35`都是可调的，以使得第一螺母34、34`限制力传感器20的力作用部件206的向下位移，第二螺母35、35`类似地限制向上方向上的位移行程。
如可从图4中看出，基于限制称重托盘架4直接穿过分别由螺母35、35`和34、34`所形成的上、下终端止挡件的过载安装设备可在最小要求空间的情况下实现。这在模块化测力元件2中是特别有利的，因为对于这些类型的测力元件来说，一非常紧凑的设计是优选的。
这种称重托盘架4上的负载力沿着与过载安全设备上的螺栓轴33、33`处于同一平面的一轴线分布的布置防止了在两侧均达到过载终端止挡件之后一与负载有关的分力持续增大以及对力传感器20的潜在损坏影响。因此，过载安全设备完全吸收了与负载相关的力的继续增大。
紧固件3和称重托盘架4优选构造成一U形横截面，并且该U形通道的开口侧朝向力传感器20，从而使得力传感器20被这些由于其U形而具有增强刚度的部件所部分包围。因此，其内部保持有测力元件以及带有可作为一设计选择的过载安全设备的安装装置也能用于具有严格精度要求的小天平。
如图1所示，优选的U形轮廓紧固件的端部从侧面延伸入向外弯曲的翼部38、38`中，该翼部设有用于安装螺钉32的通孔31，螺钉32可旋入秤架5上的支承元件51中。作为螺钉32的替换物，也可以使用其他紧固件，例如夹具、按扣机构或者类似装置。支承元件51优选用绝缘材料制成，以使得测力元件2与秤架5以及布置在秤架中的其它模块(例如一处理模块501)热去耦。
因此，本实施例中的紧固件3同时也用于在力传感器20上提供一可靠的保持，以实现一简单但却很有效的过载安全设备，以及将整个测量设备连接至秤架5，在一些情况下后者可以具有一非常紧凑的体积。此外，这种创造性的布置使得测力元件具有良好的热隔离性能。
图5图示了图1所示模块化测力元件2的俯视图，其具有两个带状连接器22T、22B，借此电路模块24连接至传感器28TF、28TB、28BF、28BB，29。图5还清楚地示出了安装螺钉46BR，46BL，46F的布置情况以及螺栓33、33`的轴与称重托盘的锥形底架41处于同一平面上的布置情况。
图6示意性地示出了一优选电路模块24的模块化结构，该电路模块通过接线条(或端子板)241和连接器22T、22T`、22B连接至应变仪28TF、28TB、28BF、28BB，并通过接线条241和又一带状连接器500连接至一处理模块501。该处理模块又连接至一显示装置502和一接口模块503。处理模块501布置在秤的内部，并与电路模块24分开，以避免该两个模块之间的热耦合。因此，由处理模块501所产生的热对根据本发明的模块化测力元件2没有影响。
电路模块24包括两个转换电路243、244。第一转换电路243将应变仪桥接电路28TF、28TB、28BF、28BB的模拟信号转换成双级脉冲宽度已调信号pwm1，同时第二转换电路244将温度传感器29的模拟信号转换成双级脉冲宽度已调信号pwm2。通过带状连接器500将信号pwm1、pwm2发送至处理模块501，在此利用补偿数据对这些信号进行进一步处理，该补偿数据优选可以从一同样布置于电路模块24上的存储模块245中再调用。
不言而喻，根据本发明的安装装置可以在无需考虑电子测量电路的具体结构以及测力元件的进一步结构的情况下使用。尤其是，该安装装置可用于安装非模块化设计的测力元件以及安装带有不同种类的传感器以得到一良好程度的机械去耦的应用场合。
参考文献[1]已公开德国专利申请DE 199 39 633 A1 欧洲专利申请EP 0 670 479 A1[3]欧洲专利申请EP 0 511 521 A1[4]U.Tietze，Ch.Schenk，Halbleiterschaltungstechnik，第十一版，第一次重印，Springer Verlag，柏林1999[5]英国专利说明书GB 1462 808[6]已公开德国专利申请DE 199 10 003 A1[7]已公开德国专利申请DE 198 36 317 A1附图标记a 弯曲轴线2 测力元件3 紧固件4 称重托盘架5 秤架20 测力传感器22 带状连接器23 角形金属元件24 电路模块28 传感器/应变仪29 传感器/温度仪31 孔32 安装螺钉33 螺栓34 螺母35 螺母
36 螺钉38 翼部41 称重托盘的锥形底架43 侧部44 孔46 螺钉/安装螺钉51 支架构件203 螺纹孔204 螺纹孔206 力作用部件、称重负载作用部件207 变形体208 安装在机架上的固定部件、支承部件209 沟槽231 螺钉241 接线条242 接线条243 转换电路244 转换电路245 存储模块500 又一带状连接器501 处理模块502 指示器读出装置503 接口模块600 对称轴601 底边
权利要求
1.一种力传感器(20)的安装装置，其中该力传感器包括一力作用部件(206)、一支承部件(208)、以及一位于该力作用部件和该支承部件之间并带有至少一个传感器(28；29)的核心部件，该安装装置带有一通过一第一附着表面连接至该力作用部件(206)的负载接受部件(4)，以及带有一通过一第二附着表面连接至该支承部件(208)的紧固件(3)，其特征在于，在一垂直于纵向的平面上，紧固件(3)具有一其U形轮廓的开口侧朝向力传感器(20)并至少包围该力传感器(20)的U形横截面，紧固件(3)被刚性地构造并从第二附着表面向着力作用部件(206)且越过核心部件的中心延伸，以及在该紧固件(3)上提供有用于固定该紧固件(3)的部件(31；32，51)。
2.如权利要求1所述的安装装置，其特征在于，该部件(31；32，51)具有极低的导热性。
3.如权利要求1或2所述的安装装置，其特征在于，紧固件(3)具有若干构造为纵向侧凸缘的翼部(38)，这些侧凸缘被用于固定紧固件(3)的部件(31；32，51)夹持。
4.如权利要求1至3之一所述的安装装置，其特征在于，负载接受部件(4)具有一其U形轮廓的开口侧朝向力传感器(20)的U形横截面，并且负载接受部件(4)从力传感器(20)的第一附着表面向着力作用部件(206)延伸到紧固件(3)的区域上，负载接受部件(4)包括至少一与该紧固件(3)协作以形成一终端止挡件的设备(33，34，35；33`，34`，35`)，该终端止挡件用于限制负载接受部件(4)相对于紧固件(3)的位移行程。
5.如权利要求4所述的安装装置，其特征在于，该负载接受部件(4)具有若干个构造为纵向侧凸缘的侧部(43，43`)，其中至少一侧部具有一孔(44，44`)，一与紧固件(3)相连的螺栓(33，33`)有间隙地通过该孔，并且该螺栓(33，33`)设有一第一和/或第二螺母(34，34`，35，35`)，这些螺母可以这样的方式调节，以使得力传感器(20)的力作用部件(206)的位移行程在向下方向上由第一螺母(34，34`)所限定和/或在向上方向上由第二螺母(35，35`)所限定。
6.如权利要求5所述的安装装置，其特征在于，该负载接受部件(4)优选以相同的距离在每一侧具有侧部(43，44)，且每个侧部具有一孔(44，44`)，一与紧固件(3)相连的螺栓(33，33`)有间隙地通过该孔，并且每个螺栓(33，33`)设有两个螺母(34，34`，35，35`)，这些螺母可以这样的方式调节，以使得该两个侧部在向下方向上同时由每侧的一螺母(34，34`)所阻止并且在向上方向上同时由每侧的另一螺母(35，35`)所阻止。
7.如权利要求5或6所述的安装装置，其特征在于，作用在负载作用部件(4)上的力的作用线与螺栓(33，33`)的轴线处于一平面上，该平面优选与力传感器(20)的纵向正交。
8.一种具有如权利要求1至7之一所述的安装装置的秤。
全文摘要
一种用于安装力传感器(20)的安装装置，该力传感器具有一力作用部件(206)、一支承部件(208)、以及一位于该力作用部件和该支承部件之间并带有至少一个传感器(28；29)的核心部件。该安装装置包括一通过一第一附着表面连接至该力作用部件(206)的负载接受部件(4)，以及包括一通过一第二附着表面连接至该支承部件(208)的紧固件(3)，其中，在一垂直于纵向的平面上，紧固件(3)具有一其U形轮廓的开口侧朝向力传感器(20)的U形横截面，紧固件(3)被刚性地构造并从第二附着表面向着力作用部件(206)且越过核心部件的中心延伸，以及在该紧固件(3)上提供有用于固定该紧固件(3)的部件(31；32，51)。
文档编号G01L19/06GK1740757SQ20051010394
公开日2006年3月1日 申请日期2003年3月10日 优先权日2002年3月18日
发明者乌尔斯·洛尔, 琼-莫里斯·特伦巴赫 申请人:梅特勒-托莱多有限公司