專利名稱：壓桿測壓元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應變片式測壓元件，具體是涉及壓桿測壓元件，包括固定軸式和搖桿式測壓元件，所述壓桿測壓元件具有消除由壓桿的偏心荷載引起的誤差的裝置。
背景技術：
壓桿(compression column)測壓元件是應變片式測壓元件的最初設計。包含一個具有固定直立軸和在其頂端具有小半徑球形加載按鈕的壓桿。
搖桿(Rocker Pin)測壓元件為壓桿測壓元件的特殊類型，壓桿在其兩端裝有大半徑球形表面，因而測壓元件桿能夠在平行的頂端和底端加載面間成為自穩(wěn)定搖桿。搖桿測壓元件的首次描述是在美國專利4,804,053中。自那時起，搖桿測壓元件已被廣泛用作卡車衡器和其他高精確度、重載稱重設施中的測壓元件。
所有壓桿測壓元件基本上都是由例如鋼材或鋁合金等測壓元件用優(yōu)質(zhì)材料制成的桿狀，在桿的中點附近對稱地繞著壓桿裝有應變片，并裝有罩蓋或密封波紋管(bellow)。壓桿裝有應變片處的橫斷面通常為正方形。與桿的縱向軸排成同向的應變片裝在桿的第一對相對面以測量縱向應變，橫向于軸排列的應變片裝在桿的其余一對相對面以測量橫向應變。四個應變片連接在一個橋接電路中，該橋接電路提供一個電輸出信號，用作測壓元件上的載荷測量。
壓桿上的四個應變片通常對應變有略微不同的靈敏度，由于不具備精確的機械對稱或存在壓桿離軸荷載，所以壓桿相對側(cè)面上的應變也是略微不同。在測壓元件承受偏心或離軸載荷時，壓桿測壓元件輸出信號的精確度將由此受到破壞。在對測壓元件進行校準時，必須對高精確度測壓元件進行離軸荷載靈敏度補償。
與載荷關聯(lián)的誤差的補償通常通過磨銼壓桿以恢復其對稱性來完成。這是一個需要熟練技工的耗時又繁雜的過程。已經(jīng)嘗試通過在應變片橋上分流單個應變片或通過半橋來對與載荷關聯(lián)的誤差進行補償，但是這個過程同樣復雜。橫跨縱向和橫向應變片組進行的補償會相互影響，并且即使采用平衡零補償，用于補償?shù)姆至麟娮杵骱蜏y壓元件的調(diào)零也會相互影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是提供一個能夠快速和簡易地通過微調(diào)電阻器對離軸荷載靈敏度進行補償?shù)膲簵U測壓元件。
本發(fā)明的另一個方面是提供一個能夠?qū)d荷誤差進行補償和能夠進行調(diào)零的壓桿測壓元件，而且兩種調(diào)節(jié)之間相互沒有顯著影響。
本發(fā)明的上述方面通過一種壓桿測壓元件實現(xiàn)，該壓桿測壓元件包含一對低阻抗應變片，該應變片橫向于壓桿上每一個主應變片排列，并且與應變片橋接電路的每一電橋臂上的每一個主應變片串聯(lián)。
本發(fā)明其它的優(yōu)點和方面將一部分在以下的描述中得到闡明，一部分在描述后變得顯而易見，或者通過對本發(fā)明的實踐而掌握這些優(yōu)特點。本發(fā)明的優(yōu)特點還可以通過特別在所附權利要求中指出的實施和組合得以實現(xiàn)和獲得。


并入并構成說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，它與說明書一起，用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1為具有固定軸的傳統(tǒng)壓桿測壓元件的簡化側(cè)視圖，部分以剖面顯示。
圖2為搖桿測壓元件的簡化側(cè)視圖。
圖3為如圖1和2所示的測壓元件的壓桿沿線3-3的橫斷剖面圖。
圖4a為現(xiàn)有技術中縱向定位應變片元件的簡化圖。
圖4b為現(xiàn)有技術中橫向定向應變片元件的簡化圖。
圖5為現(xiàn)有技術中壓桿測壓元件的應變片橋接電路的簡化圖。
圖6為本發(fā)明一個實施例中縱向定向的組合式應變片元件的簡化圖。
圖7為本發(fā)明一個實施例中橫向定向的組合式應變片元件的簡化圖。
圖8為本發(fā)明一個實施例中另外一種組合式應變片元件方案的放大圖。
圖9為本發(fā)明一個實施例中壓桿測壓元件的應變片橋接電路圖。
圖10為處在平行的頂端和底端加載板之間傾斜的搖桿測壓元件的簡化側(cè)視圖。
圖11為處在非平行的頂端和底端加載板之間的直立搖桿測壓元件的簡化側(cè)視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在詳細參照本發(fā)明實施例，在附圖中對例子進行說明，整個說明書中相同標記號對應相同元件。以下實施例的描述是為了通過參考附圖對本發(fā)明進行解釋。
圖1為傳統(tǒng)壓桿測壓元件10的簡化側(cè)視圖，測壓元件10包含一個具有一個直立軸11和一個中心面13的壓桿12。壓桿12由測壓元件用優(yōu)質(zhì)鋼材或鋁合金加工而成，裝在一個圓柱形殼體52內(nèi)，其以縱剖面顯示。測壓元件桿12的中部15的橫斷面為正方形，如圖3所示。應變片元件30L、30T粘結(jié)在中部15的每一側(cè)面上，如圖1和3所示。壓桿12的頂端14和底端14’比中部15粗，并為圓柱形。
粗底端14’的下表面為平狀，置于外殼52的底部上。測壓元件桿12的頂端裝有一個半球形的加載按鈕16，按鈕16通過杯形加載板58加載。桿12通過膜片54支成直立，膜片54焊接到粗圓柱部分14和外殼52的頂部。膜片54在測壓元件10的軸向上是薄弱的。應變片元件30L、30T和外部測壓元件接線端的連接線路通過密封在外殼的壁中穿過。這些細節(jié)未在圖1中顯示。
圖2為具有軸11和中心面13的搖桿測壓元件20的簡化側(cè)視圖，所述測壓元件20直立裝在水平頂端加載板22和水平底端加載板22’之間。測壓元件20包含一個由測壓元件用優(yōu)質(zhì)鋼材或鋁合金加工而成的壓桿12’。其具有一個正方形的中部15，并在其兩端具有球形搖動面16’，如圖3所示。應變片元件30L和30T粘結(jié)在中部15的側(cè)面上，如圖2和3所示。實際的測壓元件中粗端部14、14’具有線路通道和外部連接器盒，還有防旋轉(zhuǎn)元件的檔件，但這些細節(jié)未在簡化圖2中顯示。管狀密封波紋管將焊接到圓柱形法蘭18上，但這個在簡化圖2中也被省略掉。
當壓桿測壓元件10或20承載所示的力F時，桿12、12’被壓縮。正方形中部15的四個側(cè)面均在縱向具有一個主壓縮應變，和在橫向具有一個主拉伸應變。橫向應變＝ν×縱向應變(鋼材的泊松因數(shù)ν為0.3)。
對于10或20這種類型的測壓元件，在現(xiàn)有技術中，應變片元件30L包含如圖4a所示定向的應變片32-以測量縱向壓縮應變，而應變片元件30T包含如圖4b所示定向的應變片32+以測量橫向拉伸應變。應變片32上的‘+’和‘-’符號表示應變片32感應拉伸應變的阻抗隨著荷載F而增加，而應變片32感應壓縮應變的阻抗隨著荷載F而減少。在現(xiàn)有技術的測壓元件10或20中，四個應變片32連接在一個橋接電路35中，具有電源接線端A-B和輸出接線端C-D，如圖5所示。與電源接線端A-B串聯(lián)的線性元件和模數(shù)補償應變片(moduluscompensation gages)，以及與輸出接線端C-D連接的校準電阻器和調(diào)零電阻器，均在如圖5所示的簡化橋接電路圖中被省略掉。
在實際的搖桿測壓元件的應用中，搖桿20可能在稱重期間傾斜，如圖10所示，或者在非水平的加載板22、22”之間被擠壓，如圖11所示。圖11所示的載荷搖桿測壓元件20中壓桿12’的彎曲情況以極度夸張的虛線標出。加載板22、22’哪怕僅偏離水平1°，即可在中部15引起如此大的彎曲應力，使得中部15的一個表面上的主應變能達到正常應變的兩倍，而另一表面上的應變則減少為零。測壓元件10中加載按鈕16上的側(cè)向分力和搖桿測壓元件20的傾斜可引起中部15上應變分布存在較小但仍為可觀的差別。
假想測壓元件10或20能夠精確地對稱，如圖5所示的應變片橋中的接線端C-D的輸出信號將對偏心和離軸加載不靈敏。在實際中，則存在不可避免的由機械公差和應變片公差引起的對稱誤差，因而輸出信號將顯示所謂的載荷誤差?，F(xiàn)用作補償此種誤差的方法為對測壓元件桿進行磨銼以恢復對稱。其他類型測壓元件的電補償方法未能成功用于壓桿測壓元件。
依照本發(fā)明實施例的測壓元件，離軸和偏心荷載靈敏度補償?shù)某杀竞蛷碗s性可以大大地降低。本發(fā)明實施例中的測壓元件在機械方面上等同與現(xiàn)有技術中的測壓元件10、20，但是中部15上的每一個應變片32增加上一對補償應變片33，33’。組合式縱向應變片元件30L’的實施例如圖6所示，組合式橫向應變片元件30T’的實施例如圖7所示。補償應變片33，33’與每一個主應變片32串聯(lián)，并且橫向于主應變片32布置，因而其阻抗變化與主應變片32的阻抗變化相反。每一個補償應變片33，33’的阻抗可低至主應變片32的阻抗的1-2％。
圖9顯示了本發(fā)明其中一個實施例中應變片橋的電路圖45。每一個組合式應變片元件30L’、30T’上的完整一組的應變片32、33、33’構成了每一個電橋臂A-C、C-B、B-D、D-A。兩個來自不同應變片元件30L’、30T’上的補償應變片33、33’在每個電橋角A、B、C、D相連。微調(diào)電阻器42、44、46、48在每一個電橋角橫跨每一對補償應變片33、33’作為分流器連接。如本領域中已知的，粘結(jié)在桿12、12’中部15的模數(shù)補償應變片M和半導體線性應變片(linearizing gages)S與電源接線端‘+’和‘-’串聯(lián)。用作調(diào)零的一對相同電阻器62、62’可以如圖所示的實線連接以進行一個極的調(diào)零，或者以如圖所示的虛線連接以進行對應極的調(diào)零。連接到輸出接線端B-D的測壓元件靈敏度校準電阻器未被顯示。
當四個微調(diào)電阻器42、44、46、48全部短路時，應變片橋45實質(zhì)上等同于現(xiàn)有技術的應變片橋35。微調(diào)電阻器與電源和輸出信號接線端串聯(lián)時，僅增加少量阻抗，而不會影響電橋平衡。
如果在測壓元件10、20的所有微調(diào)電阻器42、44、46、48均短路時首先承載一個軸向荷載，然后承載一個影響縱向應變片元件30L’的離軸荷載，則輸出信號變化，顯示出載荷誤差。誤差信號的極性可以指示電橋臂A-D上的應變片32-比電橋臂C-B上的應變片32-具有較高的靈敏度。這個誤差可以通過增加微調(diào)電阻器42和48的阻抗得到補償，它們將一個小的正信號從補償應變片33+和33’+加到電橋臂A-D上的應變片32-的負信號上去。校正值可以通過改變微調(diào)電阻器42和48的阻抗加以調(diào)節(jié)，直到校正完成。微調(diào)電阻器42和48也同樣影響來自電橋臂A-C和B-D上的應變片33’-的信號，但是這些影響相互抵消。
橫跨橫向應變片元件30T’的相似的離軸載荷測試，其中使微調(diào)電阻器42和48短路，可以指示電橋臂A-C上的應變片32+比電橋臂B-D上的應變片32+具有較高的靈敏度。如同以上所解釋的，這個能夠通過增加微調(diào)電阻器44和42的阻抗而得到補償。然后除去微調(diào)電阻器48的短路狀態(tài)，重新調(diào)節(jié)微調(diào)電阻器42使其恢復補償。
如上所描述的補償過程能夠補償壓桿12、12’縱向應變片元件30L’和切向應變片元件30T’兩端的兩極任何載荷誤差。微調(diào)電阻器會輕微影響測壓元件的靈敏度，但是這個變化完全在測壓元件的常規(guī)校準調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。隨后的使用如圖9所示的平衡微調(diào)電阻器62、62’進行的調(diào)零不會影響加載誤差的補償。
可以通過反復試驗選擇四個微調(diào)電阻器42、44、46、48的適當值，如上所描述。微調(diào)電阻器的調(diào)節(jié)是一個簡單過程，無須高技能水準。
單個微調(diào)電阻器的選擇也可以由計算機輔助完成。在這種情況下，首先使所有微調(diào)電阻器如上所述地短路，然后進行如上所述的三個標準化加載測試。假定應變片數(shù)據(jù)和所有應變片的位置為已知，則帶有測試數(shù)據(jù)的計算機程序能夠算出所有微調(diào)電阻器的校正值。
具有兩個如圖6和7所示的組合式應變片元件30L’和30T’的測壓元件可以使使全部三個應變片32、33、33’均排在壓桿中心面13上。然而，補償應變片33和33’會與中部15的側(cè)面的直立中心有一小段距離。
如圖6和7所示的縱向和橫向應變片元件30L’和30T’也可以轉(zhuǎn)動90°，因而可分別轉(zhuǎn)變成為橫向和縱向應變片元件。具有兩個轉(zhuǎn)動90°的組合式應變片元件30L’和30T’的測壓元件能夠使使全部三個應變片32、33、33’均排在中部每一個側(cè)面的直立中心上。然而，補償應變片33和33’會與中心面13有一小段距離。
圖8顯示了組合式應變片元件30”另一個實施例的放大圖。這個組合式應變片元件30”能夠用作如圖所示的縱向應變片元件30L”，也可以通過轉(zhuǎn)動90°而用作橫向應變片元件30T”，在兩種情況下均具有近乎理想的應變片排列狀態(tài)。主應變片32被分成兩部分，32’和32”，兩個補償應變片33和33’則位于主應變片32的兩部分32’和32”之間。當該元件用作縱向應變片元件30L”時，主應變片32將居中處在中心面13上，而兩個補償應變片33、33’則臨近中心面13。當被用作橫向應變片元件30T”時，兩個補償應變片33、33’將挨近中心面13，而主應變片的兩部分32’和32”則等距于中心面13。
如圖8所示的主應變片元件30”通過將塑料板上的沉積金屬蝕刻成圖案而制成。黑色區(qū)域為傳導金屬，形成應變片32’、32”、33、33’，以及所有互連和焊接接線端。白色區(qū)域為絕緣塑料材料，已將金屬蝕刻掉。蝕刻工藝使以與用于現(xiàn)有技術中的簡單應變片元件30基本上相同的成本制造出一個如圖8所示的組合式應變片元件30”成為可能。
圖1和2顯示了具有正方形中部15的壓桿12、12’。這個設計易于將應變片元件30L和30T對稱地裝在壓桿上，因而被普遍采用。然而本發(fā)明將不會受到不同形狀橫斷面的影響。在不偏離本發(fā)明的原理和實質(zhì)，以及不偏離附加權利要求和其等同物中所限定范圍的情況下，可以對上述實施例作些變動。
盡管本發(fā)明的幾個實施例已經(jīng)被顯示和描述，但是本領域的技能人員應該理解，在不偏離本發(fā)明的原理和實質(zhì)，以及不偏離權利要求書和其等同物中所限定范圍的情況下，可以在該實施例中作些變動。
權利要求
1.一種壓桿應變片測壓元件，包含一個排成測量壓桿上主應變的第一應變片；和一對與所述第一應變片排成正交方向并且對稱于所述第一應變片的第二應變片，所述第二應變片的阻抗比所述第一應變片的阻抗要低得多。
2.如權利要求1所述的壓桿測壓元件，其中所述第一應變片電連接在所述一對第二應變片之間。
3.如權利要求1所述的壓桿測壓元件，其中四個第一應變片繞著壓桿的外圍分布，并且間隔布置以測量縱向和橫向應變。
4.如權利要求2所述的壓桿測壓元件，其中四組第一和第二應變片繞著壓桿的外圍分布，第一應變片定向為間隔測量縱向和橫向應變。
5.如權利要求4所述的壓桿測壓元件，其中所述四組應變片連接在一起構成一個橋接電路，在每一個電橋角有兩個第二應變片，以及進一步包含在每一個電橋角分流每一對兩個第二應變片的微調(diào)電阻器。
6.如權利要求2所述的壓桿測壓元件，其中所述第一應變片包含兩個對稱于一對所述第二應變片的并聯(lián)的應變片，其中所有所述的應變片構成一個組合式應變片。
全文摘要
在包含有一對與每一個測壓元件主應變片串聯(lián)的補償應變片的壓桿測壓元件中，能夠以既簡單易行又費用低廉的方法，對離軸和偏心載荷靈敏度進行電補償。補償應變片橫向于每一個關聯(lián)的主應變片設置，并與其關聯(lián)的主應變片串聯(lián)。一個主應變片和兩個串聯(lián)的補償應變片組成一組，每一組構成應變片橋的一個電橋臂。兩個補償應變片在每一個電橋角相連，并且由一個通用的微調(diào)電阻器分流。對傳統(tǒng)的固定桿測壓元件和搖桿測壓元件的載荷靈敏度均能進行補償。
文檔編號G01L1/20GK1573307SQ20041004928
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權日2003年6月10日
發(fā)明者羅爾夫·P·黑格斯特倫 申請人:富林泰克集團有限公司